EP4469622A2 - Elektrochemische zelle für einen hochdruckelektrolyseur - Google Patents

Elektrochemische zelle für einen hochdruckelektrolyseur

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EP4469622A2
EP4469622A2 EP22844647.2A EP22844647A EP4469622A2 EP 4469622 A2 EP4469622 A2 EP 4469622A2 EP 22844647 A EP22844647 A EP 22844647A EP 4469622 A2 EP4469622 A2 EP 4469622A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cell
electrochemical
pressure
cell frame
frame
Prior art date
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Pending
Application number
EP22844647.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Simon Kießlich
Alexander Spies
Jochen Straub
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.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4469622A2 publication Critical patent/EP4469622A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical cell, in particular an electrolysis cell for a high-pressure electrolyzer.
  • electrolysis cells are often used in the conversion of chemical substances into other chemical substances under the influence of electricity.
  • a chemical reaction i.e. a substance conversion, is brought about with the help of an electric current.
  • PEM Proton Exchange Membrane
  • An electrolysis system has a large number of electrochemical cells which are arranged adjacent to one another.
  • water electrolysis for example, water is broken down into hydrogen and oxygen in the electrolysis cells.
  • water distilled on the anode side is typically supplied as starting material and split into hydrogen and oxygen on a proton-permeable membrane (PEM).
  • PEM proton-permeable membrane
  • the water is converted into oxygen at the anode oxidized.
  • the protons pass through the proton-permeable membrane.
  • Hydrogen is produced on the cathode side.
  • the water is usually conveyed from an underside into the anode compartment and/or cathode compartment.
  • an electrolytic cell is to be viewed as a pressure-carrying device, pressure device or pressure device component. What is characteristic here, however, is that an electrolytic cell is flat in shape, ie has flat dimensions, and a large number are assembled to form an electrolytic cell stack and an electrolyzer.
  • the process medium within the electrochemical cell should have as little contact as possible with ion donors, e.g. base metals, glass fiber ceramics, etc. Aggressive media can release ions from glass fibers, stainless steel, etc. If you want stable components for higher internal pressures, this is very difficult and cost-intensive with precious metals.
  • a design made of chemically stable materials high-performance plastics, such as PPS - polyphenylene sulfide
  • high-performance plastics such as PPS - polyphenylene sulfide
  • the European patent application EP 0 991 818 Al relates to a high-pressure electrolyzer.
  • the high pressure electrolyzer has a plurality of electrolysis chambers which are held in a frame. These electrolysis chambers are each separated by a membrane. Electrodes are pressed against this membrane. Electrodes are electrically connected to a bipolar plate via a metal mesh. Even if a frame is generally mentioned that holds electrolysis chambers, this publication does not show that the forces or loads that occur during normal operation of the high-pressure electrolyzer are actually absorbed by the frame.
  • the European patent application does not provide any information regarding a component or a structure that gives stability to the high-pressure electrolyzer. Furthermore, the problem of the entry of foreign ions into the electrolysis chamber in connection with pressure electrolyzers is not dealt with in EP 0 991 818 Al.
  • the object of the invention is to provide an electrochemical cell that is designed for high-pressure operation, taking into account both cost aspects and life-limiting influences.
  • an electrochemical cell for a high-pressure electrolyzer comprising a closed cell frame made of a high-pressure-resistant first material, an electrochemical reaction region arranged completely within the cell frame and having an anodic half-cell and a cathodic half-cell, a space that spatially separates the reaction area from the cell frame, and a second material introduced into the space, the second material being an electrical insulator and the second material having a low diffusion coefficient with respect to the entry of foreign ions into the reaction area .
  • the invention is based on the knowledge that in known concepts at the level of an electrochemical cell, which is specifically intended for use in a high-pressure electrolyzer, the problem of avoiding degradation phenomena, especially with regard to damaging corrosion effects and foreign ion entry into the Reaction area during cell operation has received little attention so far.
  • effective and sustainable solutions have not yet been proposed in conventional approaches. Rather, the problem of corrosion continued to exist, which is detrimental to the service life of a high-pressure electrolyzer.
  • non-metallic materials such as short glass fiber injection molded components, can introduce higher amounts of impurities into the electrochemical process into the cell through the injection molding process and fiber contact.
  • the present invention now takes both aspects into account for the first time and proposes a functional division or Separation into several components. This is compared to one or more assembled metal components as a flameproof housing with possibly. complex support structure is a significant advantage.
  • the concept of the electrochemical cell for high-pressure use basically follows a shell structure, so that the central reaction area is enclosed and protected by the intermediate space, which in turn is enclosed by the closed cell frame.
  • the second material is specifically selected in the gap without potential sources of contamination in terms of foreign ion entry.
  • migration as a result of diffusion of damaging foreign ions, for example metal cations, of the first material from the Cell frames in the reaction area are avoided or largely suppressed.
  • the invention also solves the absorption of the compressive forces by the shell structure and the functional separation of the intermediate layer and the cell frame in a particularly advantageous manner.
  • the high internal pressure forces may be absorbed by the second material in the intermediate area. directed outwards in the radial direction to another material in the intermediate region.
  • the other material only has to absorb the pressure forces or transmit these forces without coming into media contact with the process media in the reaction space.
  • This also provides a high level of flexibility and the ability to adapt to the respective geometry, even with a two-part design with two parts in the gap, which can be configured and manufactured in a form-fitting manner with a tongue and groove, or a stepped sealing lip with injection molding, so that the The space is completely filled and the second material adjoins the cell frame.
  • the second material has an unaffected reinforced plastic, which is in particular selected from the group of plastics polyamide, polycarbonate, polyethylene or polymethylene or polypropylene. Combinations or mixtures of the plastics mentioned to form a material mix can also be used as a second material.
  • the first material is a metal, a ceramic, a glass fiber ceramic or a composite material made of two or more connected materials.
  • the cell frame is the component that ultimately absorbs the compressive forces, which are transmitted radially outwards from the reaction area via the gap to the cell frame.
  • the focus here is primarily on mechanical properties and compressive strength.
  • Metals for example, can advantageously be used here.
  • Known and simple manufacturing processes for material processing are available, such as water jet cutting of a metal component or flat metal plates, as is typically the case for the cell frame of an electrochemical cell.
  • composite materials or ceramics can also be used, which can be easily processed with appropriate machine tools.
  • a seal is provided in the intermediate space, which completely encloses the second material, so that an inner intermediate space is formed containing the second material and an outer intermediate space which is sealed from the inner intermediate space by the seal and which completely encloses the inner intermediate space.
  • the inner space with the second material further and advantageously fulfills the functions described above as a diffusion barrier and as a force conductor for the pressure forces.
  • the seal thus completely closes the inner space from the outer space, so that the protective function for the reaction area and the Effect as a diffusion barrier is retained.
  • the outer space can therefore be specifically adapted for further purposes with possibly lower requirements for diffusion and greater requirements for force conduction and pressure resistance.
  • This functional division of the gap has a favorable effect on the production costs of an electrochemical cell for high-pressure operation.
  • a reinforced plastic in particular a glass fiber-reinforced plastic, can then preferably be introduced into the outer space.
  • the outer space can be completely filled with a reinforced plastic f, so that the reinforced plastic f borders flush with the cell frame.
  • the cell frame has a round or elliptical shape, so that during operation the compressive forces due to a high operating pressure in the reaction area can be passed on to the cell frame via the intermediate space in the radial direction, so that a force conversion into tensile forces is effected there.
  • the round or elliptical shape results in a force conversion of the pressure forces acting radially from the inside out into tangential forces, which is very advantageous for the design and use in a high-pressure electrolyzer.
  • the force-absorbing components i.e. H . the cell frame converts the radial forces into tensile forces, which means that a clear and easy-to-calculate state as well as a technically easy-to-control mechanical configuration can be achieved.
  • the well-known boiler formula can be used here in a proven manner, which indicates the mechanical stresses in rotationally symmetrical bodies loaded by internal pressure, such as those found in pipes or pressure vessels. As membrane tension, it is based on a balance of forces, so neither deformation assumptions nor elasticity variables are necessary to calculate the tensions.
  • the boiler formula only applies to thin-walled and curved pressure vessels.
  • the boiler formula does not apply. only as a (rough) approximate solution.
  • a round or preferably elliptical shape of the cell frame therefore proves to be particularly advantageous.
  • the cell frame preferably has a detachable or adjustable screw connection, so that a mechanical adjustment to the components arranged within the cell frame can be achieved.
  • Manufacturing advantages result from this configuration, since a precise and individual adjustment can be achieved by adjusting the screwing force and a precise adjustment of the fully effective and as uniform as possible annular pressure of the material in the gap, namely for a single cell.
  • the detachable connection also has advantages in the event of service, for example when replacing or dismantling an electrochemical cell.
  • the electrochemical cell is therefore designed as an electrolysis cell for water electrolysis.
  • water electrolysis for example, water is broken down into hydrogen and oxygen in the electrolysis cells, which in the future will be seen as a particularly interesting way of converting renewable energies and storing them as chemical energy in hydrogen as part of the energy transition.
  • a further aspect of the invention is the application to a cell stack with a number of electrochemical cells arranged one after the other along an axial stacking direction.
  • the electrolysis power for the operation of the electrolysis system is provided by the energy source, which for this purpose can be connected to respective opposite ends of the cell stack.
  • a large number of electrolysis cells can be arranged in a cell stack, for example more than 100 electrolysis cells, in particular several hundred electrolysis cells, but preferably not more than about 400 electrolysis cells.
  • an electrical voltage at each of the electrolysis cells is approximately 1.5 V to 2.5 V. This results in the electrical voltage on the cell stack correspondingly, so that the electrical voltage on the cell stack often exceeds 100 V and can even be several hundred volts.
  • the successively arranged electrochemical cells are directly electrically contacted with one another, for example by mechanically pressing the electrical contacts.
  • the pressing of the flat electrochemical cells advantageously brings about both an electrical contact and a mechanical, pressure-tight connection.
  • the cell frame and the material adjacent to the cell frame preferably have a chamfer in the gap, so that mechanical tolerance compensation and stabilization are achieved.
  • This chamfer is particularly advantageous in a cell frame that is designed as a surrounding ring - annular or elliptical - and tightly encloses the material in the gap. This means that both components can be precisely adjusted during production, which is very desirable.
  • Corresponding versions of the The directly adjacent contact surfaces of the cell frame, or the surrounding ring, and the adjacent material in the gap ensures tolerance compensation and intrinsic mechanical and thermomechanical stability, which is important for high-pressure applications with operating pressures of 30 bar to 50 bar and beyond that also in terms of operational safety and Availability is an advantage
  • the cell frame preferably has a metal cable that is wound around the adjacent material in the gap in a continuous strand, or has a tension band or a welded band.
  • This is a particularly simple and cost-effective design in order to increase the radial compressive forces from the gap and convert them into tangentially acting tensile forces in the surrounding wall of the cell frame, preferably formed as a continuous rope strand.
  • Another special aspect of the invention is the preferred application of the cell stack in a high-pressure electrolyzer.
  • the high-pressure electrolyzer of the invention high-pressure operation is made possible and at the same time, the structural design can advantageously avoid damaging attacks due to the introduction of foreign ions into the electrolysis process of the high-pressure electrolyzer.
  • the high-pressure electrolyzer preferably includes other components, such as pumps, heat exchangers, separation containers, which are required for the intended operation of the high-pressure electrolyzer or the electrochemical cells.
  • these components can also be summarized as a so-called cell supply unit for supplying the electrolytic cells for proper operation with at least one operating substance, for example water in water electrolysis.
  • FIG. 1 shows a side view of an electrochemical cell
  • FIG. 2 shows a top view of the electrochemical cell shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a detail of a side view of a cell stack with a large number of electrochemical cells
  • the electrochemical cell 1 shows an electrochemical cell 1 in a side view.
  • the electrochemical cell 1 is a flat structure with a significantly smaller height or thickness D in the side view shown than in the other two spatial dimensions of length and width that are perpendicular to it. This allows stacking and electrical and fluid interconnection of several electrochemical cells 1.
  • the electrochemical cell 1 has a cell frame 3 and an area completely enclosed by the cell frame 3, which is arranged radially inward with respect to the cell frame 3. This area is directly adjacent to the cell frame and forms an intermediate space 9. Viewed radially inward of the cell frame 3 and the intermediate space 9, a reaction area 7 is provided, which is arranged centrally or in the middle.
  • the conversion processes take place during the operation of the electrochemical cell 1, for example the decomposition of water into oxygen f and hydrogen f, with electric direct current corresponding the polarity is supplied.
  • a flat anodic half cell (not shown in more detail) and a flat cathodic half cell are arranged directly adjacent to one another in the reaction region 7.
  • the half cells are separated by a membrane, for example, to ensure function.
  • PEM electrolysis water distilled on the anode side is typically supplied as starting material and split into hydrogen and oxygen on a proton-permeable membrane (PEM).
  • PEM proton-permeable membrane
  • the water is converted into oxygen at the anode oxidized.
  • the protons pass through the proton-permeable membrane. Hydrogen is produced on the cathode side.
  • the water is usually conveyed from an underside into the anode space and/or cathode space.
  • pressure electrolysis or high-pressure electrolysis the membrane is generally subjected to strong pressure forces, if Difference pressures can be recorded between the anodic half cell and the cathodic half cell. To avoid this, it is cheaper to place the central reaction area 7 within the cell frame 3 and the space 9 under the same high operating pressure, which means a high pressure design of the electrochemical cell 1 requires .
  • FIG. 1 A top view of the electrochemical cell 1 shown in FIG. 1 is shown in FIG. Viewed in the radial direction from the inside to the outside, the reaction area 9, the intermediate space 9 and the cell frame 3 are arranged in a shell-like manner one after the other in the middle.
  • the gap 9 completely encloses the reaction area 9.
  • the gap 9 has a completely circumferential annular and pressure-tight seal 13, so that the gap 9 is functionally divided into an inner gap 15 and an outer gap 17 and is sealed against one another.
  • the seal can be an O-ring, for example.
  • the cell frame 3 has a first material 5, which is designed as a metal with a corresponding wall thickness as a surrounding wall in order to be able to absorb the high compressive forces P during operation.
  • the first material can also be a ceramic, a glass fiber ceramic or a composite material made of or consisting of two or more connected materials.
  • a second material 11 is introduced into the inner space.
  • the second material 11 is an electrical insulator and has a low diffusion coefficient with respect to damaging foreign ion entry into the reaction region 9.
  • the second material 11 consists of an unreinforced plastic, optionally from the group of plastics polyamide, polycarbonate, polyethylene or polymethylene or polypropylene or mixtures thereof.
  • the second material 11 in the inner space 9 represents an effective diffusion barrier, the layer thickness of which can be designed by the material thickness of the second material 11 according to the specific requirements and the choice of material of the first material 5 and the second material 11.
  • Solid-state diffusion coefficients of the second material 11 with regard to the diffusion of ions from the first material 5 through the second material 11 should be as small as possible 1.0 to 10.0-10 ⁇ 13 m 2 /s, advantageously even smaller than 10, 0-10 ⁇ 13m2 / s.
  • the second material 11 in the gap 9 thus shields the reaction area 7 from the entry of foreign ions from the metallic cell frame 3.
  • the second material 11 as such is already selected so that it does not tend to cause harmful diffusion into the central reaction region 7.
  • the outer space 17 is arranged between the inner space 15 and the cell frame 3.
  • the outer space (17) completely encloses the inner space (15).
  • a reinforced plastic in particular a glass fiber reinforced plastic, is inserted into the outer space (17), wherein the outer space (17) is completely filled with a reinforced plastic f, so that the reinforced plastic f borders flush with the cell frame (3).
  • the cell frame ( 3 ) has a round or elliptical shape, so that during operation the compressive forces P due to a high operating pressure in the reaction area ( 7 ) can be passed on to the cell frame ( 3 ) via the gap ( 9 ) in the radial direction, so that there a force conversion into more manageable tensile forces is achieved. This is a particularly favorable shape for the high-pressure application of the electrochemical cell 1.
  • the material-adapted shell structure or Multi-layer structure and the functional separation of the gap 9 and the cell frame 3 not only effectively prevents the entry of foreign ions into the reaction area 7, but also brings about an effective absorption of the pressure forces P in a particularly advantageous manner.
  • the very high internal pressure forces P are directed from the second material ( 11 ) in the inner space 15 to another material in the outer space 17 in the radial direction outwards.
  • the other material only has to absorb the compressive forces P or These pressure forces P pass on to the cell frame 3 without coming into media contact with the process media in the reaction area 7.
  • the reaction area 7 is thereby effectively protected from contamination with foreign ions and at the same time relieved of differential pressure forces.
  • FIG. 3 shows a side view of a cell stack 19 with a plurality of electrochemical cells 1 in a very simplified representation in a detail.
  • a number of electrochemical cells la, 1b, 1c, Id, le arranged one after the other along the axial stacking direction X are stacked one on top of the other and firmly connected to one another.
  • electrochemical cells la, 1b, 1c, Id, le are arranged next to one another directly by mechanical pressing pressed and thereby electrically contacted with each other.
  • the cell frame 3 has a metal cable which is wound in several turns around the material in the gap 9 .
  • the metal cable touches and encloses the material in the gap 9 completely and intimately, so that effective force absorption and force conversion of the radial pressure forces into tensile forces is effected by the metal cable.
  • the turns of the metal cable are shown here at a distance.
  • the metal cable is wound tightly and flush around the material in the gap 9 in a continuous strand, so that turn after turn rests against each other without any gap.
  • - analogous to an electrical coil - several layers or windings of metal cable lie on top of each other. This can be flexibly adapted to the size of the pressure forces P increasing through the cell frame 3 through the cell frame.
  • the ends of the metal cable are tensioned in order to set a pre-tension so that the material in the gap 9 is tightly wrapped and pressed. This results in good power transmission and force transfer.
  • the design as a metal cable has the advantage that metal cables can absorb tensile forces well. Furthermore, this can be easily solved for service and inspection purposes, so that easy access to the other components of the electrochemical cell 1 is possible if necessary.
  • FIG. 4 shows a side view of a cell stack 19 in a section with two electrochemical cells la, 1b.
  • the electrochemical cells la and 1b are tightly pressed together and arranged along the axial direction X.
  • the cell frame 3 of the respective cell la, 1b each forms an outer component 23.
  • the outer component 23 has the first material 5.
  • An inner component 21 is accordingly arranged in the intermediate space 9 .
  • the inner component 21 has the second material 11.
  • the cell frame 3 and the first material 5 adjacent to the cell frame 3 in the gap each have a chamfer 25, so that mechanical tolerance compensation and stabilization are achieved.
  • the chamfer 25 is incorporated into the inner component 21 and the outer component 23 by means of a corresponding bevel.
  • This provides oblique and correspondingly smooth sliding surfaces for the inner component 21 and the outer component 23 with respect to the axial stacking direction X of the cells la, 1b.
  • This facilitates the assembly of a cell stack 19 from several electrochemical cells la, 1b and their very precise positioning.
  • the chamfer 25 provides corresponding sliding surfaces, so that an axial sliding force G can be used to press and brace the cells la, 1b.
  • the chamfer 25 allows manufacturing tolerances in the large number of cells la, 1b in a cell stack 19 to be compensated for and self-positioning or Self-arrest is encouraged.
  • the chamfer 25 as shown in FIG.
  • a further tolerance-compensating clamping element 27 can be provided in the axial direction X, which connects the outer components 23 of the cell frame 3 to one another.
  • This clamping element 27 is elastic, for example made of metal, and ensures a restoring force and positioning in interaction with the chamfer 25.
  • the tensioning element can be a metal rod or a metal cable, or optionally several around the circumference of the cell stack evenly distributed. This means that operational tolerances, for example due to thermomechanical expansions as a result of changes in pressure or temperature, can also be easily compensated for.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle (1) für einen Hochdruckelektrolyseur, umfassend einen geschlossenen Zellrahmen (3) aus einem hochdruckfesten ersten Material (5), einen vollständig innerhalb des Zellrahmens (3) angeordneten elektrochemischen Reaktionsbereich (7), der eine anodische Halbzelle und eine kathodische Halbzelle aufweist, einen Zwischenraum (9), der den Reaktionsbereich (7) von dem Zellrahmen (3) räumlich trennt, und ein in den Zwischenraum (9) eingebrachtes zweites Material (11), wobei das zweite Material (11) ein elektrischer Isolator ist und wobei das zweite Material (11) einen geringen Diffusionskoeffizienten in Bezug auf Fremdioneneintrag in den Reaktionsbereich (7), aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Zellenstapel (19) mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen (1) sowie einen Hochdruckelektrolyseur mit einem Zellenstapel (19).

Description

Beschreibung
Elektrochemische Zelle für einen Hochdruckelektrolyseur
Die Erfindung betri f ft eine elektrochemische Zelle , insbesondere eine Elektrolysezelle für einen Hockdruckelektrolyseur .
Bekannte Elektrolyseanlagen weisen eine Viel zahl von elektrochemischen Zellen, die so genannten Elektrolysezellen auf . Diese kommen bei der Umwandlung von chemischen Stof fen unter Einwirkung von Elektri zität in andere chemische Stof fe vielfach zum Einsatz . In der Regel wird mithil fe eines elektrischen Stroms eine chemische Reaktion, also eine Stof fumwandlung, herbeigeführt .
Beispielsweise wird Wasserstof f heutzutage mittels Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse oder alkalischer Elektrolyse erzeugt . Diese Elektrolyseanlagen produzieren dann mit Hil fe elektrischer Energie Wasserstof f und Sauerstof f aus dem zugeführten Wasser .
Eine Elektrolyseanlage weist dabei eine Viel zahl von elektrochemischen Zellen auf , welche benachbart zueinander angeordnet sind . Mittels der Wasserelektrolyse wird beispielsweise in den Elektrolysezellen Wasser in Wasserstof f und Sauerstof f zerlegt . Bei einem PEM-Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt und an einer protonendurchlässigen Membran ( engl . : „Proton-Exchange- Membrane" ; PEM) zu Wasserstof f und Sauerstof f gespalten . Das Wasser wird dabei an der Anode zu Sauerstof f oxidiert . Die Protonen passieren die protonendurchlässige Membran . Katho- denseitig wird Wasserstof f produziert . Das Wasser wird dabei in der Regel von einer Unterseite in den Anodenraum und/oder Kathodenraum gefördert .
Für zukünftige Anwendungen werden in zunehmendem Maße Elektrolyseanlagen in den Blick genommen, die unter hohem oder sehr hohem Betriebsdruck in der Elektrolysezelle arbeiten, so genannte Hochdruckelektrolyseure. Diese Entwicklung stellt herausfordernde technische Randbedingungen an die mechanische Auslegung und Fertigung bereits auf der Ebene der Elektrolysezelle für den Hochdruckbetrieb sowie für einen Hochdruckelektrolyseur und dessen sicherer Betrieb unter verschiedenen Gesichtspunkten. Insoweit ist eine Elektrolysezelle als ein druckführendes Gerät, Druckgerät oder Druckgeräte-Kompo- nente zu betrachten. Kennzeichnend ist hier aber, dass eine Elektrolysezelle von flächiger Form ist, d.h. flache Abmessungen hat, und eine Vielzahl zu einem Elektrolysezellestapel und zu einem Elektrolyseur zusammengesetzt werden.
In diesen Anwendungen unter hohem Druck bei recht flachen Abmessungen, muss mithin eine große Anzahl von weitgehend baugleichen Elektrolysezellen gestapelt werden. Aufgrund dieser Vielzahl von weitgehend identischen und standardisierbaren Komponenten muss z.B. der Zellrahmen einer Elektrolyse, einer Brennstoffzelle oder sonstigen galvanischen Zellen möglichst kostengünstig sein.
Von ganz besonderer Bedeutung ist weiterhin, dass jede Art der Verunreinigung negative Effekte in der elektrochemischen Zelle auslösen, vor allem Effizienzverluste und gesteigerte Korrosion. Dies gilt es zu vermeiden. Hierzu sollte das Prozessmedium innerhalb der elektrochemischen Zelle möglichst wenig Kontakt mit lonenspendern, z.B. unedlen Metallen, Glasfaserkeramik etc., aufweisen. Aggressive Medien können Ionen aus Glasfasern, Edelstahlen etc. auslösen. Will man stabile Bauteile für höhere Innendrücke, gestaltet sich dies mit edlen Metallen sehr schwierig und kostenintensiv. Eine Gestaltung aus chemisch stabilen Werkstoffen hingegen (Hochleistungs-Kunststoffe, wie z.B. PPS - Polyphenylensulfid) führt bei hohen Belastungen auch zu hohen Verformungsgraden (und meist Versagen) aufgrund der geringen Elastizitäts-Module und Zugfestigkeiten.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 991 818 Al betrifft einen Hochdruckelektrolyseur. Der Hochdruckelektrolyseur weist eine Mehrzahl von Elektrolysekammern auf , die in einem Rahmen gehalten werden . Diese Elektrolysekammern sind j eweils durch eine Membran getrennt . Elektroden sind an diese Membran angepresst . Elektroden sind elektrisch mit einer Bipolarplatte über ein Metallgewebe verbunden . Auch wenn grundsätzlich ein Rahmen erwähnt wird, der Elektrolysekammern hält , so zeigt diese Veröf fentlichung nicht , dass die in einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Hochdruckelektrolyseurs auftretenden Kräfte oder Belastungen durch den Rahmen tatsächlich abgefangen werden . Bezüglich einer Komponente oder einer Struktur, welche dem Hochdruckelektrolyseur Stabilität verleiht , macht die europäische Patentanmeldung keine Angaben . Überdies wird die Problematik des Eintrags von Fremdionen in die Elektrolysekammer im Zusammenhang mit Druckelektrolyseuren in der EP 0 991 818 Al nicht behandelt .
Das Erfordernis , die während eines Betriebs auftretenden Belastungen beziehungsweise Drucke oder Druckkräfte auf zunehmen, stellt zugleich ein Hindernis und einen erheblichen Kostenfaktor dar . Aus diesem Grund besteht ein Bedürfnis , eine betriebsstabile elektrochemische Zelle für einen Hochdruckelektrolyseur bereitzustellen, welche einfach und kostengünstig herzustellen ist und dabei einerseits die erforderlichen Druckbelastungen aufnehmen kann beziehungsweise diesen Belastungen im Betrieb standhalten kann und andererseits gleichzeitig Ef fi zienzverluste infolge Degradation vermeidet .
Aufgabe der Erfindung ist es , eine elektrochemische Zelle anzugeben, die für einen Hochdruckbetrieb ausgelegt ist , wobei sowohl Kostengesichtspunkte als auch lebensdauerbegrenzende Einflüsse berücksichtigt werden .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrochemische Zelle für einen Hochdruckelektrolyseur, umfassend einen geschlossenen Zellrahmen aus einem hochdruckfesten ersten Material , einen vollständig innerhalb des Zellrahmens angeordneten elektrochemischen Reaktionsbereich, der eine anodische Halbzelle und eine kathodische Halbzelle aufweist , einen Zwischenraum, der den Reaktionsbereich von dem Zellrahmen räumlich trennt , und ein in den Zwischenraum eingebrachtes zweites Material , wobei das zweite Material ein elektrischer I solator ist und wobei das zweite Material einen geringen Di f fusionskoef fi zienten in Bezug auf Fremdioneneintrag in den Reaktionsbereich aufweist .
Die Erfindung geht dabei bereits von der Erkenntnis aus , dass in bekannten Konzepten auf der Ebene einer elektrochemischen Zelle , die speziell für den Einsatz in einem Hochdruckelektrolyseur vorgesehen ist , die Problematik der Vermeidung von Degradationserscheinungen vor allem in Bezug auf schädigende Korrosionsef fekte und Fremdioneneintrag in den Reaktionsbereich während des Betriebs der Zelle bisher kaum Beachtung gefunden hat . Insbesondere ef fektive und auch nachhaltige Lösungen sind in herkömmlichen Ansätzen bisher nicht vorgeschlagen worden . Vielmehr blieb das Problem der Korrosion weiterhin bestehen, was nachteilig für die Standzeit eines Hochdruckelektrolyseurs ist .
So wurden bisher für eine Druckelektrolyse im Allgemeinen recht komplexe Metallbauteile und aufwändige Stützstrukturen - allein unter dem Gesichtspunkt des hohen Betriebsdrucks , aber durchaus robuste und taugliche Komponenten - vorgeschlagen, die beispielsweise gefräst waren oder anderweitig umfassend maschinell bearbeitet . Dies bedeutet einen erheblichen finanziellen bzw . wirtschaftlichen Investitionsaufwand an Materialkosten und Fertigungskosten . Problematisch dabei ist , dass gerade diese Metallbauteile , aber auch andere Komponenten, in der Nähe des Reaktionsbereichs des elektrochemischen Prozesses einer Zelle als lonenspender fungieren, d . h . sie können Ionen - im Allgemeinen Metallkationen - abgeben, die dann in den Reaktionsbereich der Zelle di f fundieren und dort als schädigende Verunreinigung, so genannte Fremdionen, in den Prozess und den Zellenkreislauf migrieren und diesen belasten . Dies führt zu Ef fi zienzverlusten und lebensdauerbegrenzenden Ef fekten der Zelle , d . h . der insbesondere der fluidführenden Komponenten der anodischen Halbzelle und einer kathodischen Halbzelle , wie etwa Leitungen, Kanäle , Elektroden .
Es hat sich gezeigt , dass teilweise auch alternative , nichtmetallische Materialien, wie etwa Kurzglas faser-Spritzguss Bauteile , durch den Spritzguss-Prozess und Faserkontakt höhere Mengen an Verunreinigungen in den elektrochemischen Prozess in die Zelle eingetragen werden können .
Da eine elektrochemische Zelle und ein Elektrolyseur aus vielen gleichartigen Bauteilen bestehen, ist nicht nur die wirtschaftliche Fertigung in hohen Stückzahlen ein wichtiger Aspekt , sondern auch Degradationsef fekte , die die technisch und wirtschaftlich erreichbare Lebensdauer im Betrieb, insbesondere infolge eines Fremdioneneintrags , betref fen . Dies umso mehr, als dass bei der Hochdruckelektrolyse die Anforderungen ohnehin höher sind .
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt nun erstmals beide Aspekte und schlägt bei einer elektrochemischen Zelle , die speziell für den Hochdruckbetrieb ausgelegt ist , eine funktionelle Aufteilung bzw . Trennung in mehrere Komponenten vor. Dies ist gegenüber einem oder mehreren zusammengefügten Metallbauteilen als druckfestes Gehäuse mit ggf . aufwändiger Stützkonstruktion ein erheblicher Vorteil .
Das Konzept der elektrochemischen Zelle für den Hochdruckeinsatz folgt im Grundansatz einem Schalenaufbau, so dass der zentrale Reaktionsbereich von dem Zwischenraum umschlossen und geschützt eingehaust ist , der wiederum von dem geschlossenen Zellrahmen umschlossen ist . Für den Kontakt mit den Prozessmedien - Edukte und Produkte etwa bei einer Wasserelektrolyse - und der Führung dieser Prozessmedien wird im Zwischenraum das zweite Material gezielt ohne potenzielle Verunreinigungsquellen in Bezug auf einen Fremdioneneintrag gewählt . Zugleich ist aufgrund der räumlichen Trennung eine Migration infolge Di f fusion von schädigenden Fremdionen, beispielsweise Metallkationen, des ersten Materials aus dem Zellrahmen in den Reaktionsbereich vermieden oder weitestgehend unterdrückt . Das zweite Material im Zwischenraum stellt dabei eine wirksame Di f fusionsbarriere dar, deren Schichtdicke durch die Materialstärke des zweiten Materials entsprechend den spezi fischen Anforderungen und der Materialwahl von erstem und zweitem Material ausgelegt werden kann . Dabei sind Festkörper-Di f fusionskoef fi zienten des zweiten Materials hinsichtlich der Di f fusion von Ionen aus dem ersten Material durch das zweite Material von möglichst kleiner 1 , 0 bis 10 , 0 - I CR13 m2/s anzustreben, vorteilhafterweise sogar kleiner als 10 , 0 - 10~13 m2/s . Somit schirmt das zweite Material im Zwischenraum den Reaktionsraum vor Fremdioneneintrag aus dem Zellrahmen ab . Andererseits ist das zweite Material als solches schon so gewählt , dass dieses selbst nicht zu schädigender Di f fusion in den zentralen Reaktionsbereich hinein neigt . Durch die Wahl des zweiten Materials als ein elektrischer Isolator scheidet dieses als Nichtmetall als Metallkationenquelle von Anfang an aus . Neben der di f fusionshemmenden Wirkung sind noch die mechanischen Eigenschaften des zweiten Materials im Zwischenraum und deren Wirkung hinsichtlich der Druckkräfte von Bedeutung, wie nachfolgend erläutert wird .
Neben der Fremdionenproblematik sind weiterhin durch die Erfindung nämlich auch die Aufnahme der Druckkräfte durch den Schalenaufbau und die funktionale Trennung der Zwischenschicht und des Zellrahmens besonders vorteilhaft gelöst . Im Betrieb werden die hohen Innendruckkräfte von dem zweiten Material im Zwischenbereich ggf . an ein weiteres Material im Zwischenbereich in radialer Richtung nach außen geleitet . Das weitere Material muss nur die Druckkräfte aufnehmen oder diese Kräfte weiterleiten, ohne in Medienkontakt mit den Prozessmedien im Reaktionsraum zu gelangen . Es ist aber auch möglich, die Druckkräfte von dem zweiten Material direkt auf den geschlossenen Zellrahmen aus dem hochdruckfesten ersten Material zu übertragen . Die Weiterleitung der Druckkräfte durch den Zwischenraum kann also sowohl mittelbar als auch unmittelbar von dem ersten Material an das zweite Material erfolgen, j e nachdem, ob noch neben dem zweiten Material ggf . noch ein weiteres Material in den Zwischenraum eingebracht ist . Jedenfalls nimmt der Zellrahmen mit dem hochdruckfesten ersten Material die Druckkräfte auf , und der Reaktionsbereich der elektrochemischen Hochdruckzelle ist geschützt . Es ist also möglich, dass neben dem zweiten di f fusionshemmenden Material ein weiteres Material in den Zwischenraum eingebracht ist zur Kraftvermittlung und zum Schutz des ersten Materials . In dieser Aus führungsvariante ist der Zwischenraum selbst in zwei Bereiche oder Schalen unterteilt . Damit bestünde vorteilhafterweise auch die Möglichkeit das weitere Material spezi fisch aus zugestalten mit ggf . geringeren bzw . angepassten Anforderungen an die Di f fusionshemmung und Anbindung an den Zellrahmen .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umschließt das zweite Material den Reaktionsbereich vollständig und dichtet dieses gegenüber dem Zellrahmen ab . Durch den Einschluss ist eine besonders ef fektive Di f fusionsbarriere und Schutzwirkung für den Reaktionsbereich der elektrochemischen Zelle erreicht . Dabei ist bevorzugt der Zwischenraum vollständig mit dem zweiten Material gefüllt , so dass das zweite Material an den Zellrahmen angrenzt , insbesondere unmittelbar angrenzt . Dadurch fungiert das zweite Material neben der Wirkung als Di f fusionsbarriere zusätzlich und alleinig als Druckkraft leitendes Füllmaterial , das den Zwischenraum vollständig aus füllt . Dies ist eine besonders einfache und kostengünstige Konfiguration für die Hochdruckzelle . Auch ist damit eine hohe Flexibilität und Anpassungsmöglichkeit an die j eweilige Geometrie gegeben, selbst bei einer zweiteiligen Aus führung mit zwei Teilen im Zwischenraum, die etwa mit Nut und Feder, oder abgesetzter Dichtlippe mit Spritzguss formschlüssig ineinandergrei fend konfigurierbar und herstellbar sind, so dass der Zwischenraum vollständig ausgefüllt ist und das zweite Material an den Zellrahmen angrenzt .
Für eine besonders ef fektive Wirkung sowohl als Di f fusionshemmer als auch als Kraftleiter für die Druckkräfte weist in bevorzugter Ausgestaltung das zweite Material einen unver- stärkten Kunststof f auf , der insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe der Kunststof fe Polyamid, Polycarbonat , Polyethylen oder Polymethylen oder Polypropylen . Dabei können auch Kombinationen oder Mischungen aus den genannten Kunststof fen zu einem Materialmix als zweites Material zum Einsatz kommen .
In weiter bevorzugter Ausgestaltung ist das erste Material ein Metall , eine Keramik, eine Glas faserkeramik oder ein Verbundwerkstof f aus zwei oder mehreren verbundenen Materialien . Der Zellrahmen ist das Bauteil , das die Druckkräfte letztendlich aufnimmt , die aus dem Reaktionsbereich über den Zwischenraum an den Zellrahmen radial auswärts weitergeleitet werden . Hier stehen überwiegend die mechanischen Eigenschaften und die Druckfestigkeit im Fokus . Vorteilhaft können hier beispielsweise Metalle zum Einsatz kommen . Bekannte und einfache Fertigungsverfahren zur Materialbearbeitung stehen zur Verfügung, wie etwa Wasserstrahlschneiden einer Metallkomponente oder flächige Metallplatten, wie typischerweise für den Zellrahmen einer elektrochemischen Zelle . Es können aber auch Verbundwerkstof fe oder Keramiken zum Einsatz kommen, die mit entsprechenden Werkzeugmaschinen einfach bearbeitbar sind .
Vorzugsweise ist im Zwischenraum eine Dichtung vorgesehen, die das zweite Material vollständig umschließt , so dass ein innerer Zwischenraum enthaltend das zweite Material sowie ein gegenüber dem inneren Zwischenraum durch die Dichtung abgedichteter äußerer Zwischenraum gebildet ist , der den inneren Zwischenraum vollständig umschließt . Hierdurch ist für den Zwischenraum selbst eine zweiteilige Ausgestaltung erreicht , um vorteilhafterweise bei Bedarf eine weitere funktionelle Anpassung der Struktur in dem Zwischenraum zu ermöglichen, insbesondere eine größere Flexibilität in der Materialwahl . Der innere Zwischenraum mit dem zweiten Material erfüllt dabei weiterhin und vorteilhaft die oben beschriebenen Funktionen als Di f fusionsbarriere sowie als Kraftleiter für die Druckkräfte . Die Dichtung schließt damit den inneren Zwischenraum vollständig von dem äußeren Zwischenraum ab, so dass die Schutz funktion für den Reaktionsbereich und die Wirkung als Di f fusionsbarriere erhalten bleibt . Der äußere Zwischenraum ist dadurch für weitere Zwecke spezi fisch anpassbar mit unter Umständen geringeren Anforderungen an die Di f fusion und größeren Anforderungen an die Kraftleitung und Druckfestigkeit . Diese funktionale Zweiteilung des Zwischenraums wirkt sich günstig auf die Fertigungskosten einer elektrochemischen Zelle für den Hochdruckbetrieb aus .
So kann dann etwa bevorzugt in den äußeren Zwischenraum ein verstärkter Kunststof f , insbesondere ein glas faserverstärkter Kunststof f eingebracht sein .
Weiterhin bevorzugt kann der äußere Zwischenraum vollständig mit einem verstärkten Kunststof f gefüllt ist , so dass der verstärkte Kunststof f an den Zellrahmen bündig angrenzt .
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Zellrahmen eine runde oder elliptische Form auf , so dass im Betrieb die Druckkräfte infolge eines hohen Betriebsdrucks im Reaktionsbereich über den Zwischenraum in radialer Richtung an den Zellrahmen weiterleitbar sind, so dass dort eine Kraftwandlung in Zugkräfte bewirkt ist .
Durch die runde oder elliptische Form ist eine Kraftwandlung der radial von innen nach außen wirkenden Druckkräfte in Tangentialkräfte erzielt , was sehr vorteilhaft für die Auslegung und den Einsatz in einem Hochdruckelektrolyseur ist . Die Kraft aufnehmende Komponenten, d . h . der Zellrahmen, wandelt die Radialkräfte in Zugkräfte , wodurch ein eindeutiger und einfach zu berechenbarer Zustand sowie eine technisch gut beherrschbare mechanische Konfiguration erzielbar ist . Hier kann in bewährter Weise die bekannte Kessel formel herangezogen werden, die die mechanischen Spannungen in durch Innendruck belasteten rotationssymmetrischen Körpern angibt , wie sie beispielsweise in Rohren oder Druckbehältern anzutref fen sind . Sie beruht als Membranspannung auf einem Kräftegleichgewicht , daher sind zur Berechnung der Spannungen weder Verformungsannahmen noch Elasti zitätsgrößen notwendig . Die Kessel formel gilt nur für dünnwandige und gekrümmte Druckbehälter . Für Kessel , die aus ebenen Blechen bzw . Platten hergestellt sind, sowie für dickwandige zylindrische Behälter, gilt die Kessel formel nicht bzw . nur als ( grobe ) Näherungslösung . Daher erweist sich eine runde oder bevorzugt elliptische Form des Zellrahmens als besonders vorteilhaft .
Dabei weist bevorzugt der Zellrahmen eine lösbare oder einstellbare Schraubverbindung auf , so dass eine mechanische Anpassung zu den innerhalb des Zellrahmens angeordneten Komponenten erzielbar ist . Fertigungstechnische Vorteile ergeben sich aus dieser Ausgestaltung, da eine präzise und individuelle Anpassung durch die Einstellung der Schraubkraft und eine genaue Anpassung der vollumfänglich wirkenden und möglichst gleichmäßigen ringförmigen Pressung des Materials im Zwischenraum erzielbar ist , und zwar für eine einzelne Zelle . Auch hat die lösbare Verbindung Vorteile im Servicefall , etwa bei einem Austausch oder Demontage einer elektrochemischen Zelle .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist daher die elektrochemische Zelle als eine Elektrolysezelle für die Wasserelektrolyse ausgebildet . Mittels der Wasserelektrolyse wird beispielsweise in den Elektrolysezellen Wasser in Wasserstof f und Sauerstof f zerlegt , was in der Zukunft im Rahmen der Energiewende als besonders interessanter Weg der Umwandlung von erneuerbaren Energien und deren energetischer Speicherung als chemische Energie im Wasserstof f angesehen wird .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Anwendung bei einem Zellenstapel mit einer Anzahl von entlang einer axialen Stapelrichtung aufeinander folgend angeordneten elektrochemischen Zellen .
Durch den modularen Aufbau der elektrochemischen Zelle kann eine Viel zahl von elektrochemischen Zellen zu einem Zellenstapel zusammengeführt werden, wodurch die Elektrolyseleistung besonders einfach skalierbar und die Produktionsrate von Wasserstof f oder wahlweise anderen Produktgasen ebenso anpassbar ist . Ein Zellenstapel mit einer größeren Anzahl von elektrisch, mechanisch und fluidtechnisch verbundenen elektrochemischen Zellen oder Elektrolysezellen, beispielsweise 50 bis 100 Zellen, bezeichnet man auch als Elektrolysemodul .
Die Elektrolyseleistung für den Betrieb der Elektrolyseanlage wird durch die Energiequelle bereitgestellt , die zu diesem Zweck an j eweilige gegenüberliegende Enden des Zellenstapels anschließbar ist . In einem Zellenstapel können eine Viel zahl von Elektrolysezellen angeordnet sein, beispielsweise mehr als 100 Elektrolysezellen, insbesondere mehrere hundert Elektrolysezellen, vorzugsweise j edoch nicht mehr als etwa 400 Elektrolysezellen . Bei einer Elektrolyse von Wasser zu Wasserstof f und Sauerstof f beträgt eine elektrische Spannung an einer j eweiligen der Elektrolysezellen etwa 1 , 5 V bis 2 , 5 V . Daraus ergibt sich die elektrische Spannung am Zellenstapel entsprechend, sodass die elektrische Spannung am Zellenstapel häufig 100 V übersteigt , sogar mehrere hundert Volt betragen kann .
In bevorzugter Ausgestaltung sind bei dem Zellenstapel die aufeinanderfolgend angeordneten elektrochemischen Zellen unmittelbar, etwa durch mechanische Pressung der elektrischen Kontakte , elektrisch miteinander kontaktiert . Mit der Pressung der flächigen elektrochemischen Zellen ist vorteilhafterweise sowohl eine elektrische Kontaktierung als auch eine mechanische , druckdichte Verbindung bewirkt .
Bevorzugt weist bei einem Zellenstapel der Zellrahmen und das an den Zellrahmen angrenzende Material im Zwischenraum eine Fase auf , so dass ein mechanischer Toleranzausgleich und eine Stabilisierung erzielt ist . Diese Aus fasung ist besonders vorteilhaft bei einem Zellrahmen, der als Umfassungsring - ringförmig oder elliptisch - ausgestaltet ist und das Material im Zwischenraum eng umschließt . Somit ist bei der Fertigung ein exaktes Anpassen beider Komponenten erzielbar, was sehr erwünscht ist . Korrespondierende Aus fasungen der unmittelbar aneinandergrenzenden Auflageflächen von Zellrahmen, respektive des Umfassungsrings , und dem daran angrenzenden Material im Zwischenraum sorgt für einen Toleranzausgleich und eine intrinsische mechanische und thermomechanische Stabilität , was für die Hochdruckanwendung mit Betriebsdrucken von 30 bar bis 50 bar und darüber hinaus auch unter Aspekten der Betriebssicherheit und Verfügbarkeit von Vorteil ist
Bevorzugt weist bei dem Zellenstapel der Zellrahmen ein Metallseil auf , das um das angrenzende Material im Zwischenraum in einem durchgängigen Strang gewickelt ist , oder ein Spannband oder ein verschweißtes Band aufweist . Dies ist eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung, um die übernommenen radialen Druckkräfte aus dem Zwischenraum auf zunehmen und in tangential wirkende Zugkräfte in der, bevorzugt als durchgängigen Seilstrang gebildeten, Umfassungswand des Zellrahmens umzuwandeln .
Als weiterer besonderer Aspekt der Erfindung ist die bevorzugte Anwendung des Zellenstapels bei einem Hochdruckelektrolyseur . Mit dem Hochdruckelektrolyseur der Erfindung wird ein Hochdruckbetrieb ermöglicht und zugleich können durch den konstruktiven Aufbau vorteilhafterweise schädigende Angri f fe durch Fremdioneneintrag in den Elektrolyseprozess des Hochdruckelektrolyseurs vermieden werden .
Der Hochdruckelektrolyseur umfasst bevorzugt neben dem Zellenstapel weitere Komponenten, wie zum Beispiel Pumpen, Wärmetauscher, Abscheidebehälter, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Hochdruckelektrolyseurs beziehungsweise der elektrochemischen Zellen erforderlich sind . Diese Komponenten kann man auch zusammenfassen als so genannte Zellenversorgungseinheit zum Versorgen der Elektrolysezellen für den bestimmungsgemäßen Betrieb mit wenigstens einem Betriebsstof f , beispielsweise Wasser bei der Wasserelektrolyse . Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert . Dabei ist zu beachten, dass die in den Zeichnungen dargestellten Aus führungsbeispiele in erster Linie der Erläuterung der Erfindung dienen . Sie sollen j edoch die Erfindung nicht einschränken .
Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :
FIG 1 eine Seitenansicht einer elektrochemischen Zelle ;
FIG 2 eine Draufsicht , der in FIG 1 gezeigten elektrochemischen Zelle ;
FIG 3 in einem Ausschnitt eine Seitenansicht eines Zellenstapels mit einer Viel zahl von elektrochemischen Zellen;
FIG 4 in einer Seitenansicht einen Zellenstapels in einem Ausschnitt mit zwei elektrochemischen Zellen .
In FIG 1 zeigt in einer Seitenansicht eine elektrochemische Zelle 1 . Die elektrochemische Zelle 1 ist dabei ein flächiges Gebilde mit einer in der gezeigten Seitenansicht deutlich geringeren Höhe oder Dicke D als in den beiden anderen dazu senkrecht stehenden räumliche Dimensionen der Länge und Breite . Dies erlaubt eine Stapelung und elektrische und fluidtechnische Zusammenschaltung mehrerer elektrochemischer Zellen 1 . Die elektrochemische Zelle 1 weist einen Zellrahmen 3 auf sowie einen von dem Zellrahmen 3 vollständig umschlossenen Bereich, der radial einwärts in Bezug auf den Zellrahmen 3 angeordnet ist . Dieser Bereich grenzt unmittelbar an den Zellrahmen an und bildet einen Zwischenraum 9 . Radial einwärts des Zellrahmens 3 und des Zwischenraums 9 betrachtet , ist ein Reaktionsbereich 7 vorgesehen, der zentral oder mittig angeordnet ist . In dem Reaktionsbereich 7 finden im Betrieb der elektrochemischen Zelle 1 die Umwandlungsprozesse statt , beispielsweise die Zerlegung von Wasser in Sauerstof f und Wasserstof f , wobei elektrischer Gleichstrom entsprech- ender Polarität zugeführt wird . Hierzu ist in dem Reaktionsbereich 7 eine nicht näher dargestellte ebenfalls flächige anodische Halbzelle sowie eine flächige kathodische Halbzelle unmittelbar benachbart zueinander angeordnet . Die Halbzellen sind beispielsweise durch eine Membran getrennt , um die Funktion zu gewährleisten . Bei einer PEM-Elektrolyse wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt und an einer protonendurchlässigen Membran ( engl . : „Proton-Exchange-Membrane" ; PEM) zu Wasserstof f und Sauerstof f gespalten . Das Wasser wird dabei an der Anode zu Sauerstof f oxidiert . Die Protonen passieren die protonendurchlässige Membran . Kathodenseitig wird Wasserstof f produziert . Das Wasser wird dabei in der Regel von einer Unterseite in den Anodenraum und/oder Kathodenraum gefördert . Bei einer Druckelektrolyse oder Hochdruckelektrolyse ist die Membran im Allgemeinen durch starke Druckkräfte belastet , sofern Di f ferenzdrucke zwischen der anodischen Halbzelle und der kathodi- schen Halbzelle zu verzeichnen sind . Um dies zu vermeiden ist es günstiger, den zentralen Reaktionsbereich 7 innerhalb des Zellrahmens 3 und des Zwischenraums 9 unter denselben hohen Betriebsdruck zu stellen, was eine Hochdruckauslegung der elektrochemischen Zelle 1 erfordert .
In FIG 2 ist eine Draufsicht der in FIG 1 dargestellten elektrochemischen Zelle 1 gezeigt . In radialer Richtung von innen nach außen betrachtet sind schalenförmig aufeinander folgend angeordnet zentral mittig der Reaktionsbereich 9 , der Zwischenraum 9 und der Zellrahmen 3 . Der Zwischenraum 9 umschließt den Reaktionsbereich 9 vollständig . Der Zwischenraum 9 weist eine vollständig umlaufende ringförmige und druckfeste Dichtung 13 auf , so dass der Zwischenraum 9 in einen inneren Zwischenraum 15 und einen äußeren Zwischenraum 17 funktional auf geteilt ist und gegeneinander abgedichtet . Die Dichtung kann beispielsweise ein O-Ring sein . Der Zellrahmen 3 weist ein erstes Material 5 auf , das als Metall entsprechender Wandstärke als Umfassungswand ausgeführt ist , um im Betrieb die hohen Druckkräfte P aufnehmen zu können . Das erste Material kann aber auch eine Keramik, eine Glas faser- keramik oder ein Verbundwerkstoff aus zwei oder mehreren verbundenen Materialien aufweisen oder daraus bestehen. In den inneren Zwischenraum ist ein zweites Material 11 eingebracht. Das zweite Material 11 ist ein elektrischer Isolator und weist einen geringen Diffusionskoeffizienten in Bezug auf einen schädigenden Fremdioneneintrag in den Reaktionsbereich 9 auf. Das zweite Material 11 besteht aus einem unverstärkten Kunststoff, wahlweise aus der Gruppe der Kunststoffe Polyamid, Polycarbonat, Polyethylen oder Polymethylen oder Polypropylen oder Mischungen daraus.
Das zweite Material 11 im inneren Zwischenraum 9 stellt dabei eine wirksame Diffusionsbarriere dar, deren Schichtdicke durch die Materialstärke des zweiten Materials 11 entsprechend den spezifischen Anforderungen und der Materialwahl von dem ersten Material 5 und dem zweiten Material 11 ausgelegt werden kann. Dabei sind Festkörper-Diffusionskoeffizienten des zweiten Materials 11 hinsichtlich der Diffusion von Ionen aus dem ersten Material 5 durch das zweite Material 11 von möglichst kleiner 1,0 bis 10,0-10~13 m2/s anzustreben, vorteilhafterweise sogar kleiner als 10,0-10~13 m2/s. Somit schirmt das zweite Material 11 im Zwischenraum 9 den Reaktionsbereich 7 vor Fremdioneneintrag aus dem metallischen Zellrahmen 3 ab. Andererseits ist das zweite Material 11 als solches schon so gewählt, dass dieses selbst nicht zu schädigender Diffusion in den zentralen Reaktionsbereich 7 hinein neigt .
In radialer Richtung auswärts der Dichtung 13 betrachtet, ist im Ausführungsbeispiel der äußere Zwischenraum 17, der zwischen dem inneren Zwischenraum 15 und dem Zellrahmen 3 angeordnet .
Dieser ist gegenüber dem inneren Zwischenraum (15) durch die Dichtung (13) abgedichtet. Der äußere Zwischenraum (17) umschließt dabei den inneren Zwischenraum (15) vollständig. In den äußeren Zwischenraum (17) ist ein verstärkter Kunststoff, insbesondere ein glasfaserverstärkter Kunststoff eingebracht, wobei der äußere Zwischenraum ( 17 ) vollständig mit einem verstärkten Kunststof f gefüllt ist , so dass der verstärkte Kunststof f an den Zellrahmen ( 3 ) bündig angrenzt . Hierdurch ist eine gute Weiterleitung der radialen Druckkräfte P erreicht . Der Zellrahmen ( 3 ) weist eine runde oder elliptische Form auf , so dass im Betrieb die Druckkräfte P infolge eines hohen Betriebsdrucks im Reaktionsbereich ( 7 ) über den Zwischenraum ( 9 ) in radialer Richtung an den Zellrahmen ( 3 ) weiterleitbar sind, so dass dort eine Kraftwandlung in besser beherrschbare Zugkräfte bewirkt ist . Dies ist eine besonders günstige Formgebung für die Hochdruckanwendung der elektrochemischen Zelle 1 .
Durch den materialangepassten Schalenaufbau bzw . Mehrschichtaufbau und die funktionale Trennung des Zwischenraums 9 und des Zellrahmens 3 wird nicht nur der Eintrag von Fremdionen in den Reaktionsbereich 7 ef fektiv vermieden, sondern auch eine wirksame Aufnahme der Druckkräfte P besonders vorteilhaft herbeigeführt . Im Betrieb werden die sehr hohen Innendruckkräfte P von dem zweiten Material ( 11 ) im inneren Zwischenraum 15 an ein weiteres Material im äußeren Zwischenraum 17 in radialer Richtung nach außen geleitet . Das weitere Material muss nur die Druckkräfte P aufnehmen bzw . diese Druckkräfte P weiterleiten an den Zellrahmen 3 , ohne in Medienkontakt mit den Prozessmedien im Reaktionsbereich 7 zu gelangen . Der Reaktionsbereich 7 ist dadurch vor Fremdionenbeladung wirksam geschützt und zugleich von Di f ferenzdruckkräften entlastet .
In FIG 3 ist in stark vereinfachter Darstellung in einem Ausschnitt eine Seitenansicht eines Zellenstapels 19 mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen 1 gezeigt . Dabei sind in dem Zellenstapel 19 eine Anzahl von entlang der axialen Stapelrichtung X aufeinander folgend angeordneten elektrochemischen Zellen la, 1b, 1c, Id, le übereinandergestapelt und fest miteinander verbunden . Hierbei sind j eweils benachbart aufeinanderfolgend angeordnete elektrochemische Zellen la, 1b, 1c, Id, le unmittelbar durch mechanische Pressung verpresst und dadurch zugleich elektrisch miteinander kontaktiert . Der Zellrahmen 3 weist ein Metallseil auf , das um das Material im Zwischenraum 9 in mehreren Windungen gewickelt ist . Dabei berührt und umschließt das Metallseil das Material im Zwischenraum 9 vollumfänglich und innig, so dass eine effektive Kraftaufnahme und Kraftwandlung der radialen Druckkräfte in Zugkräfte durch das Metallseil bewirkt ist . Aus Darstellungsgründen sind die Windungen des Metallseils hier mit einem Abstand gezeigt . Es ist aber möglich und sehr vorteilhaft , wenn das Metallseil in einem durchgängigen Strang eng und bündig um das Material im Zwischenraum 9 gewickelt ist , so dass Windung an Windung ohne Abstand aneinander anliegt . Es ist auch möglich, dass - analog zu einer elektrischen Spule - mehrere Lagen oder Wicklungen Metallseil übereinander liegen . Dies ist an die Größe der durch den Zellrahmen 3 auf zunehmenden Druckkräfte P durch den Zellrahmen flexibel anpassbar . Die Enden des Metallseils sind verspannt , um eine Vorspannung einzustellen, so dass das Material im Zwischenraum 9 eng umschlungen und gepresst ist . Dadurch ist eine gute Kraftübertragung und Kraftwandung bewirkt . Die Ausgestaltung als Metallseil hat den Vorteil , dass Metallseile gut Zugkräfte aufnehmen können . Weiterhin ist dies zu Service- und Inspektions zwecken gut lösbar, so dass bei entsprechendem Bedarf ein einfacher Zugang zu den weiteren Komponenten der elektrochemischen Zelle 1 möglich ist .
Alternativ oder zusätzlich kann eine Ausstattung des Zellrahmens 3 mittels eines Spannbands (Umfassungsband) oder eines verschweißten Bands erfolgen, um die gewünschte innige Umfassung und den Einschluss des Materials im Zwischenraum 9 und eine vorbestimmte Pressung zu erreichen . Es ist auch möglich, einen lösbaren Umfassungsring oder Spannring vorzusehen, der um das Material des Zwischenraums 9 gelegt wird . Zur Feinanpassung und Einstellung der Passung und Presskraft weist der Spannring eine Öf fnung auf , die über eine Schraubverbindung schließbar und einstellbar ist . Es wird dann korrelierend mit der Anzahl der Zellen im Zellenstapel 19 eine Viel zahl von Spannringen um das Material im Zwischenraum 9 in axialer Richtung X nebeneinandergelegt und individuell verspannt .
FIG 4 zeigt in einer Seitenansicht einen Zellenstapel 19 in einem Ausschnitt mit zwei elektrochemischen Zellen la, 1b . Die elektrochemischen Zellen la und 1b sind eng miteinander verpresst und entlang der axialen Richtung X angeordnet . Bezogen auf eine radiale Richtung senkrecht zur axialen Richtung X bildet der Zellrahmen 3 der j eweiligen Zelle la, 1b j eweils eine äußere Komponente 23 . Die äußere Komponente 23 weist das erste Material 5 auf . Im Zwischenraum 9 ist entsprechend eine innere Komponente 21 angeordnet . Die innere Komponente 21 weist das zweite Material 11 auf . Der Zellrahmen 3 und das an den Zellrahmen 3 angrenzende erste Material 5 im Zwischenraum weisen j eweils eine Fase 25 auf , so dass ein mechanischer Toleranzausgleich und eine Stabilisierung erzielt ist . Die Fase 25 ist durch eine korrespondierende Abschrägung j eweils an der inneren Komponente 21 und an der äußeren Komponente 23 eingearbeitet . Hierdurch sind in Bezug auf die axiale Stapelrichtung X der Zellen la, 1b schräge und entsprechend glatte Gleitflächen für die innere Komponente 21 und die äußere Komponente 23 bereitgestellt . Dies erleichtert den Zusammenbau eines Zellenstapels 19 aus mehreren elektrochemischen Zellen la, 1b und deren sehr genaue Positionierung . Die Fase 25 sorgt für korrespondierende Gleit flächen, so dass eine axiale Gleitkraft G anwendbar ist , um die Zellen la, 1b zu verpressen und zu verspannen . Durch die Fase 25 können Fertigungstoleranzen bei der Viel zahl von Zellen la, 1b in einem Zellenstapel 19 ausgeglichen werden und eine Selbstpositionierung bzw . Selbstarretierung ist begünstigt . Zusätzlich zur Fase 25 kann - wie in FIG 4 gezeigt - ein weiterhin toleranzausgleichendes Spannelement 27 in axialer Richtung X vorgesehen sein, das die äußeren Komponenten 23 des Zellrahmen 3 miteinander verbindet . Dieses Spannelement 27 ist elastisch, beispielsweise aus Metall , und sorgt für eine Rückstellkraft und Positionierung im Zusammenspiel mit der Fase 25 . Das Spannelement kann eine Metallstange oder eine Metallseil sein, wahlweise auch mehrere über den Umfang des Zellenstapels gleichmäßig verteilt . Somit sind auch betriebsbedingte Toleranzen etwa durch thermomechanische Dehnungen infolge Druck- oder Temperaturänderungen einfach kompensierbar .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Zelle (1) für einen Hochdruckelektrolyseur, umfassend
- einen geschlossenen Zellrahmen (3) aus einem hochdruckfesten ersten Material (5) ,
- einen vollständig innerhalb des Zellrahmens (3) angeordneten elektrochemischen Reaktionsbereich (7) , der eine anodische Halbzelle und eine kathodische Halbzelle aufweist,
- einen Zwischenraum (9) , der den Reaktionsbereich (7) von dem Zellrahmen (3) räumlich trennt, und
- ein in den Zwischenraum (9) eingebrachtes zweites Material (11) , wobei das zweite Material (11) ein elektrischer Isolator ist und wobei das zweite Material (11) einen geringen Diffusionskoeffizienten in Bezug auf Fremdioneneintrag in den Reaktionsbereich (7) aufweist.
2. Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 1, bei der das zweite Material (11) den Reaktionsbereich (7) vollständig umschließt und gegenüber dem Zellrahmen (3) abdichtet.
3. Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Zwischenraum (9) vollständig mit dem zweiten Material (11) gefüllt ist, so dass das zweite Material (11) an den Zellrahmen (3) angrenzt.
4. Elektrochemische Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das zweite Material (11) einen unverstärkten Kunststoff aufweist, der insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe der Kunststoffe Polyamid, Polycarbonat, Polyethylen oder Polymethylen oder Polypropylen.
5. Elektrochemische Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Material (5) ein Metall, eine Keramik, eine Glasfaserkeramik oder ein Verbundwerkstoff aus zwei oder mehreren verbundenen Materialien aufweist.
6. Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der im Zwischenraum (9) eine Dichtung (13) vorgesehen ist, die das zweite Material (11) vollständig umschließt, so dass ein innerer Zwischenraum (15) enthaltend das zweite Material (11) sowie ein gegenüber dem inneren Zwischenraum (15) durch die Dichtung (13) abgedichteter äußerer Zwischenraum (17) gebildet ist, der den inneren Zwischenraum (15) vollständig umschließt .
7. Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 6, bei der in den äußeren Zwischenraum (17) ein verstärkter Kunststoff, insbesondere ein glasfaserverstärkter Kunststoff eingebracht ist.
8. Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei der der äußere Zwischenraum (17) vollständig mit einem verstärkten Kunststoff gefüllt ist, so dass der verstärkte Kunststoff an den Zellrahmen (3) bündig angrenzt.
9. Elektrochemische Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Zellrahmen (3) eine runde oder elliptische Form aufweist, so dass im Betrieb die Druckkräfte infolge eines hohen Betriebsdrucks im Reaktionsbereich (7) über den Zwischenraum (9) in radialer Richtung an den Zellrahmen (3) weiterleitbar sind, so dass dort eine Kraftwandlung in Zugkräfte bewirkt ist.
10. Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 9, bei der der Zellrahmen (3) eine lösbare oder einstellbare Schraubverbindung aufweist, so dass eine mechanische Anpassung zu den innerhalb des Zellrahmens (3) angeordneten Komponenten erzielbar ist.
11. Elektrochemische Zelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als eine Elektrolysezelle für die Wasserelektrolyse ausgebildet ist.
12. Zellenstapel (19) mit einer Anzahl von entlang einer axialen Stapelrichtung (X) aufeinander folgend angeordneten elektrochemischen Zellen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
13. Zellenstapel (19) nach Anspruch 12, bei dem die aufeinanderfolgend angeordneten elektrochemischen Zellen (1) unmittelbar, etwa durch mechanische Pressung, elektrisch miteinander kontaktiert sind.
14. Zellenstapel (19) nach Anspruch 12 oder 13, bei der der Zellrahmen (3) und das an den Zellrahmen (3) angrenzende Material im Zwischenraum (9) eine Fase aufweisen, so dass ein mechanischer Toleranzausgleich und eine Stabilisierung erzielt ist.
15. Zellenstapel (19) nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Zellrahmen (3) ein Metallseil aufweist, das um das angrenzende Material im Zwischenraum (9) in einem durchgängigen Strang gewickelt ist, oder ein Spannband oder ein verschweißtes Band aufweist.
16. Hochdruckelektrolyseur mit einem Zellenstapel (19) nach einem der Ansprüche 12 bis 15.
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