EP4677142A1

EP4677142A1 - Elektrochemischer zellenstapel

Info

Publication number: EP4677142A1
Application number: EP24707686.2A
Authority: EP
Inventors: Matthias Frank; Yuan Yao; Josef Hauck; Timo Woehner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-03-03
Filing date: 2024-02-16
Publication date: 2026-01-14
Also published as: WO2024183850A1; JP2026504204A; CN120659909A; KR20250154491A

Abstract

Ein elektrochemischer Zellenstapel (1) umfasst mehrere Zellen (2), welche durch Bipolarplatten (5, 5') voneinander getrennt sind, wobei jede Zelle (2) aus zwei Halbzellen (3, 4) gebildet ist, zwischen welchen eine von einem Trägerrahmen (7) umgebene Membran (6) angeordnet ist, und wobei sich in jeder Halbzelle (3, 4) eine poröse Transportlage (10, 11) befindet. Der Trägerrahmen (7) beschreibt eine gestufte Form mit zwei aneinander angrenzenden Querschnittsbereichen (12, 13), wobei ein Rand (18) der Membran (6) in einer durch die Querschnittsbereiche (12, 13) gebildeten Stufe (17) liegt und sich die poröse Transportlage (10) einer Halbzelle (3) bis in die Stufe (17) hinein erstreckt, und wobei der Trägerrahmen (7) mindestens eine an den Trägerrahmen (7) angespritzte Dichtungsanordnung (15) aus einem elektrisch isolierenden Dichtmaterial umfasst, wobei die Dichtungsanordnung (15) drei Dichtbereiche (19, 20, 21) mit jeweils mindestens einer Dichtlippe (22, 22') umfasst, nämlich einen ersten Dichtbereich (19) und einen zweiten Dichtbereiche (20), welche dem der Membran (6) zugewandten schmaleren der beiden Querschnittsbereiche (12, 13) zuzurechnen sind und jeweils genau eine Bipolarplatte (5, 5') kontaktieren, sowie einen dritten Dichtbereich (21), welcher sich auf einer der Stufe (17) abgewandten Seite des Trägerrahmens (7) befindet und an eine zur Mediendurchleitung vorgesehene Öffnung (9) des Trägerrahmens (7) grenzt und hierbei beide Bipolarplatten (5, 5'), an denen der erste und der zweite Dichtbereich (19, 20) anliegen, kontaktiert.

Description

Elektrochemischer Zellenstapel

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Zellenstapel umfassend eine Vielzahl elektrochemischer Zellen, welche durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind, wobei jede elektrochemische Zelle aus zwei Halbzellen gebildet ist, zwischen welchen eine von einem Trägerrahmen umgebene Membran angeordnet ist, und wobei sich in jeder Halbzelle eine poröse Transportlage befindet. Der elektrochemische Zellenstapel ist insbesondere in Form eines Stapels an Elektrolysezellen zur Wasserstoffherstellung ausgebildet.

Ein Elektrolysezellenstapel ist beispielsweise aus der WO 2018/078157 A1 bekannt. Der bekannte Elektrolysezellenstapel, das heißt Elektrolyseur, umfasst eine Mehrzahl in Stapelform angeordneter Bipolarplatten, wobei sich zwischen den Bipolarplatten unter anderem Membranen und poröse T ransportschichten, die allgemein auch als poröse Transportlagen (PTL) bezeichnet werden, befinden. Nach der WO 2018/078157 A1 weisen die Bipolarplatten jeweils eine Schicht aus Ir, Ru, Rh, Os, deren Oxiden oder Mischungen hiervon auf. Diese Schicht soll innerhalb der elektrochemischen Anlage als Korrosionsschutzschicht fungieren.

Die DE 10 2021 203 983 A1 offenbart eine Einzelzellenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel. Hierbei umfasst eine gerahmte Membranelektrodenanordnung einen elektrochemisch aktiven Bereich aus zwei Gasdiffusionslagen und einer katalysatorbeschichteten Membran, welche mit einem Rahmen verklebt sind. Ferner umfasst die Anordnung nach der DE 10 2021 203 983 A1 eine Bipolarplatte, welche Strömungsverteil- und -leitelemente in einem mit dem elektrochemisch aktiven Bereich korrespondierenden Strömungsbereich aufweist. In einem den Strömungsbereich umgebenden Randbereich der Bipolarplatte ist auf wenigstens einer der Oberflächen der Bipolarplatte eine Dichtnut zur Aufnahme einer Dichtung zwischen dem Rahmen und der Bipolarplatte ausgebildet.

Eine weitere Membranbaugruppe, welche innerhalb eines Brennstoffzellenstapels einen Anodenraum von einem Kathodenraum trennt, ist in der DE 10 2009 039 905 A1 beschrieben. Die Membran der Anordnung nach der DE 102009039 905 A1 weist eine langgestreckte rechteckige Form auf, wobei sich an beiden Schmalseiten der rechteckigen Membran jeweils mehrere allgemein auch als Ports bezeichnete Kanäle zur Durchleitung von Arbeitsgasen, das heißt Betriebsmedien, befinden. Die Membran ist einer MEA-Platte zuzurechnen, welche von einem Montagehilfsabschnitt umgeben ist, der als formstabiler Trägerrahmen ausgebildet ist. Innerhalb eines Verbindungsabschnitts, welcher die MEA-Platte mit dem Trägerrahmen verbindet, befindet sich unter anderem eine als Dichtungsraupe ausgebildete Dichtung.

Eine in der DE 10 2008 028 117 A1 offenbarte Anordnung für eine Brennstoffzelle umfasst eine Bipolarplatte in Form eines flächigen Bauteils, an welchem ein Dichtelement formschlüssig befestigt ist. Das Dichtelement ist hierbei im Wesentlichen U-förmig ausgebildet.

Weitere Gestaltungsmöglichkeiten von Dichtungen in stapelförmigen Anordnungen elektrochemischer Zellen gehen zum Beispiel aus den Dokumenten EP 3 039 734 B1 , DE 10 2006 058 335 A1 , DE 11 2015 002 427 T5 und WO 2021/104812A1 hervor.

Die EP 3 356 575 B1 offenbart eine Hoch- oder Differenzdruck-Elektrolysezelle, welche eine elektrochemische Zelle mit einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite aufweist. Der elektrochemischen Zelle sind zwei Strömungsfeldplatten sowie eine Membran zuzurechnen, welche zwischen den Strömungsfeldplatten angeordnet ist und eine erste Seite auf der Niederdruckseite und eine zweite Seite auf der Hochdruckseite aufweist. Ferner umfasst der Elektrolyseur nach der EP 3356575 B1 einen ersten porösen Träger, der zwischen der ersten Seite der Membran und der ersten Strömungsfeldplatte angeordnet und - verglichen mit anderen zwischen den Platten angeordneten Materialien - relativ inkompressibel ist. Eine erste Dichtung umgibt den ersten porösen Träger, wobei ein Spalt zwischen dem ersten porösen Träger und der Dichtung gebildet ist. Eine zweite Dichtung ist zwischen der zweiten Seite der Membran und der zweiten Strömungsfeldplatte angeordnet. Ferner umfasst die Vorrichtung nach der EP 3356 575 B1 einen auf der zweiten Seite der Membran angeordneten zweiten porösen Träger, welcher stärker als der erste poröse Träger komprimierbar ist. Der Elektrolyseur nach der EP 3 356 575 B1 soll bei einer Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der

Niederdruckseite von mindestens 40 bar betreibbar sein.

Die DE 10 2022 101 106 A1 beschreibt eine Elektrolysezelle mit einem Zellrahmen aus isolierendem Kunststoff zwischen zwei Bipolarplatten. Zwischen dem Zellrahmen und jeder Bipolarplatte ist wenigstens ein Dichtelement in Form einer Flachdichtung vorgesehen. Die Flachdichtung ist mittels eines 2K-Spritzgießprozesses in den Zellrahmen integriert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungs- und dichtungstechnischen Aspekten weiterentwickelten elektrochemischen Zellenstapel, beispielsweise in Form eines Stapels an Elektrolysezellen zur Wasserstoffgewinnung, anzugeben, wobei der Zellenstapel auch unter einem hohen Differenzdruck zwischen Kathodenseite und Anodenseite betreibbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrochemischen Zellenstapel, insbesondere einen Stapel an Elektrolysezellen zur Wasserstoffherstellung, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Der Zellenstapel umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption eine Vielzahl elektrochemischer Zellen, welche durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind, wobei jede elektrochemische Zelle aus zwei Halbzellen gebildet ist, zwischen welchen eine von einem Trägerrahmen umgebene Membran angeordnet ist, und wobei sich in jeder Halbzelle eine für Betriebsmedien des elektrochemischen Systems durchlässige poröse Transportlage befindet.

Erfindungsgemäß beschreibt der Trägerrahmen im Querschnitt eine gestufte Form, wobei zwei aneinander grenzende, beispielsweise jeweils rechteckige, unterschiedlich breite Querschnittsbereiche des Trägerrahmens existieren. Allgemein wird auch von aneinander angrenzenden, unterschiedlich breiten Bereichen gesprochen. Die Breite dieser voneinander unterscheidbaren Bereiche ist dabei in der Ebene, in welcher der Trägerrahmen ebenso wie die Membran liegt, zu messen. Ein Rand der Membran liegt in einer durch die beiden Querschnittsbereiche gebildeten Stufe auf dem Trägerrahmen auf.

Die poröse Transportlage einer der beiden Halbzellen der elektrochemischen Zelle ist als Druckkraft übertragendes Element ausgebildet und erstreckt sich, ausgehend von dem vom Trägerrahmen umschlossenen Aktivfeld der elektrochemischen Zelle, bis in die genannte Stufe hinein, das heißt über den inneren Rand des Trägerrahmens hinaus. Bei den betrachteten Druckkräften handelt es sich um Kräfte, die in Normalrichtung zu den zueinander parallelen Ebenen, in welchen die Trägerrahmen sowie die Bipolarplatten angeordnet sind, wirken.

Der Trägerrahmen umfasst mindestens eine an den Trägerrahmen angespritzte Dichtungsanordnung aus einem elektrisch isolierenden Dichtmaterial, wobei die Dichtungsanordnung mindestens drei Dichtbereiche mit jeweils mindestens einer Dichtlippe, nämlich einen ersten Dichtbereich und einen zweiten dünnen Dichtbereich, welche dem der Membran zugewandten schmaleren Querschnittsbereich zuzurechnen sind. Die Dicke sämtlicher Dichtbereiche ist in der genannten Normalrichtung zu messen, das heißt orthogonal zu der Richtung, in welcher die Breite der verschiedenen Querschnittsbereiche des Trägerrahmens zu messen ist. Jeder der beiden genannten Dichtbereiche kontaktiert genau eine Bipolarplatte. Weiterhin existiert ein dritter Dichtbereich, welcher sich auf einer der Stufe abgewandten Seite des Trägerrahmens, das heißt auf der äußeren Seite des Trägerrahmens, befindet und an eine zur Mediendurchleitung vorgesehene Öffnung des Trägerrahmens, das heißt an einen Port, grenzt und hierbei beide Bipolarplatten, an denen der erste und der zweite Dichtbereich anliegen, kontaktiert.

Die mindestens drei Dichtbereiche stellen integrale Bestandteile des Trägerrahmens dar und sind, vom Aktivfeld der elektrochemischen Zelle aus betrachtet, von innen nach außen gestaffelt, wobei der erste Dichtbereich die Kathodenseite der elektrochemischen Zelle abschließt und die innerste, das heißt am geringsten von der Mitte des Aktivfeldes entfernte, Dichtung darstellt. Das Aktivfeld weist dementsprechend katho- denseitig einen kleineren Grundriss als anodenseitig auf. Auf dem ersten Dichtbereich liegt die Membran der elektrochemischen Zelle auf. Im Unterschied zu nicht beanspruchten Lösungen stützt sich die Membran an dieser Stelle nicht an einer weiteren Dichtung ab. Vielmehr befindet sich auf derjenigen Seite der Membran, welche dem kathodenseitigen ersten Dichtbereich direkt gegenüberliegt, ein Volumenabschnitt der anodenseitigen porösen Transportlage. Dieser Volumenabschnitt ist dem bereits erwähnten, zur Übertragung von Druckkräften geeigneten Element zuzurechnen. Von diesem Element, welches in Form einer porösen Transportlage vorliegt, sind die Druckkräfte weiter in die angrenzende Bipolarplatte übertragbar.

Ebenso wie die Membran erstreckt sich auch die zur Übertragung von Druckkräften ausgebildete anodenseitige poröse Transportlage bis in die Stufe hinein, welche von den beiden unterschiedlich breiten Querschnittsbereichen des Trägerrahmens gebildet ist. Ein streifenförmiger Randbereich der Membran ist damit in einem Bereich angeordnet, der kaum mehr für elektrochemische Reaktionen nutzbar ist. Die mechanische Unterstützung des Randbereichs der Membran durch einen in gleicher weise streifenförmigen Bereich des Trägerrahmens trägt maßgeblich dazu bei, dass an der entsprechenden Stelle keine Undichtigkeiten auftreten können, etwa dadurch, dass die Membran an ihrem Rand in einen Spalt gedrückt wird. Vielmehr wird der streifenförmige Randbereich der Membran auch durch den anodenseitig herrschenden Druck gegen die Stufe gedrückt.

Das Aktivfeld der elektrochemischen Zelle wird anodenseitig durch den weiter außen liegenden zweiten Dichtbereich begrenzt. Die anodenseitige poröse Transportlage kann sich bis zu diesem zweiten Dichtbereich erstrecken, wobei dieser zweite Dichtbereich zusammen mit weiteren Volumenabschnitten des Trägerrahmens zusätzlich zur Transportlage zur Übertragung von Druckkräften, welche zwischen den Bipolarplatten wirken, genutzt werden kann.

Der dritte Dichtbereich umschließt die äußere Kante des Trägerrahmens auf der, der Stufe abgewandten Seite. Der dritte Bereich weist mindestens zwei Dichtlippen auf, welche gegen die im Querschnitt des Trägerrahmens oberhalb und die unterhalb des Trägerrahmens angeordnete Bipolarplatte anlaufen. Das Dichtmaterial ist aus einem elastomeren Werkstoff gebildet, der insbesondere bei einer Temperatur von 23°C ± 2 K eine Shore-A-Härte von 70-90 ShA aufweist. Die Shore-A-Härte wird angegeben bei Elastomeren, nach Messung mit einer Nadel mit abgestumpfter Spitze. Die Stirnfläche des Kegelstumpfs hat einen Durchmesser von 0,79 Millimetern, der Öffnungswinkel beträgt 35°. Auflagegewicht: 1 kg, Haltezeit: 15 s. Die Materialdicke sollte mindestens 6 mm betragen.

Als zur Bildung der verschiedenen Dichtbereiche geeignete Dichtmaterialien sind beispielhaft FKM (als Abkürzung verwendet für Fluorkautschuk-Mischung oder Fluorkarbon-Kautschuk) und EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) zu nennen. Zur Anbringung des Dichtmaterials sind bekannte Technologien wie Spritzguss und EdgeBonding geeignet.

Grundsätzlich ist die mindestens erforderliche Dichtungsüberdeckung, das heißt hier die Höhe einer Dichtlippe über dem restlichen Dichtbereich, eine Funktion bzw. das Resultat aus Materialhärte, Design, der Toleranzkette sowie den Systemanforderungen, also dem abzudichtenden Druck in einer Halbzelle. Die Dichtungsüberdeckung ist prinzipiell ein Vielfaches der Höhe etwaiger vorhandener Stützstrukturen, siehe unten.

Vorzugsweise weisen sowohl der erste Dichtbereich als auch der dritte Dichtbereich an ihren dem Trägerrahmen abgewandten Enden jeweils mindestens zwei parallel zur Ebene der Membran verlaufende ringförmige Dichtlippen auf und der zweite Dichtbereich mindestens eine parallel zur Ebene der Membran ringförmig verlaufende Dichtlippe auf. Mögliche Ausbildungen der Dichtlippen sind in den Figuren 12 und 13 dargestellt.

Ein Dichtbereich wird bevorzugt - im Querschnitt durch die Rahmenanordnung gesehen- nahezu so hoch wie breit ausgebildet. Der Dichtbereich ähnelt damit einem O- Ring. Die Dichtfunktion des zweiten Dichtbereichs beruht primär auf einer axialen Ver- pressung der Dichtlippe(n). Die Dichtfunktion des ersten und dritten Dichtbereichs beruht primär auf einer axialen Verpressung der Dichtlippen und einer der durch das abzudichtende Medium beaufschlagten, primär horizontal auf den Dichtbereich Wirkendende Druckaktivierung, welche aufgrund der vorzugsweise geringen Kompressibilität des Dichtmaterials zu einer zusätzlichen axialen Dichtkraft an den Dichtlippen führt.

Die verschiedenen Dichtbereiche sind allgemein aus vorzugsweise inkompressiblen Substanzen, insbesondere Elastomeren, aufgebaut. Hierdurch entstehen Wechselwirkungen zwischen in verschiedenen Richtungen wirkenden Belastungen, beispielsweise horizontalen, in der Ebene des Trägerrahmens auftretenden Kräften und vertikalen, in Längsrichtung des Stacks, das heißt Zellenstapels, wirkenden Kräften. Durch solche Wechselwirkungen wird die Dichtwirkung des Trägerrahmens verstärkt. Insgesamt stellt der Trägerrahmen ein hochintegriertes Bauteil dar, welches in ein kompaktes, montagefreundliches, robustes Zellendesign eingebettet ist. Aufgrund der Integration verschiedener Funktionen in den Trägerrahmen und die damit minimierte Anzahl einzelner Bauteile ist die Thematik von Montagetoleranzen zu einem großen Teil prinzipbedingt eliminiert.

Der in der Draufsicht die mindestens drei gegeneinander versetzten Dichtbereiche aufweisende Trägerrahmen eignet sich beispielsweise für die Verwendung in einem Elektrolyseur, welche mit einer Druckdifferenz zwischen der Kathoden- und der Anodenseite in der Größen von 100 bar betrieben wird. Ein besonderer Vorteil liegt in dieser Anwendung darin, dass gesonderte Apparaturen zur Verdichtung des Wasserstoffs, um diesen in ein Leitungsnetz einspeisen oder direkt einem Verbraucher zuführen zu können, zu einem wesentlichen Anteil oder sogar vollständig entfallen können.

Abgesehen von den Dichtbereichen sind grundsätzlich metallische oder nichtmetallische Werkstoffe zur Fertigung des Trägerrahmens geeignet. Sofern ein Kern des Trägerrahmens aus Metall gefertigt ist, kann eine auf dem Kern befindliche Substanz für eine elektrische Isolation zwischen den beiden Bipolarplatten, welche den Trägerrahmen zwischen sich einschließen, sorgen. Es hat sich bewährt, wenn mindestens ein elektrisch isolierender Bereich vorhanden ist, der den dritten Dichtbereich mit dem zweiten Dichtbereich und/oder den zweiten Dichtbereich mit den ersten Dichtbereich verbindet. Dabei besitzt der mindestens eine elektrisch isolierende Bereich keinerlei Dichtfunktion, sondern dient lediglich einer elektrischen Isolation. Derartiges kann auf der Anodenseite, der Kathodenseite oder beiden Seiten des Trägerrahmens erforderlich sein.

Der mindestens eine elektrisch isolierende Bereich ist bevorzugt aus dem elektrisch isolierenden Dichtmaterial gebildet, aus welchem die Dichtungsanordnung hergestellt ist. Der elektrisch isolierende Bereich kann im Zuge der Bildung der Dichtungsanordnung mit gebildet werden. Dieser elektrisch isolierende Bereich kann sowohl bei einem Trägerrahmen mit metallischem Kern als auch bei einem komplett aus nichtmetallischen Werkstoffen gefertigten Trägerrahmen verwirklicht sein. Bevorzugt wird der mindestens eine elektrisch isolierende Bereich aber auf einem Trägerrahmen aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet, um Kosten zu reduzieren.

Gemäß einer möglichen Weiterbildung wird eine elastische Abstützung im elektrisch isolierenden Bereich, welcher bevorzugt wesentlich breiter als jeder der Dichtbereiche ist, durch elastische Stützstrukturen, wie beispielsweise elastische Noppen, Stege, Rillen oder auch Druckfedern unterstützt. Die Stützstrukturen können aus beliebigen metallischen und/oder nichtmetallischen Werkstoffen gefertigt sein.

Die elastische Nachgiebigkeit der Stützstrukturen kann insbesondere für eine Montage mit einem sogenannten SoftStop genutzt werden. Hierbei geht man davon aus, dass der Trägerrahmen einschließlich des elektrisch isolierenden Bereichs eine weichere Feder darstellt als die im Aktivfeld vorliegende Anordnung, welche zusätzlich zur Membran insbesondere die porösen Transportlagen in beiden Halbzellen umfasst.

Ein HardStop-Konzept ist dagegen mit einem Trägerrahmen realisierbar, welcher keinen elektrisch isolierenden Bereich aus einem elastischen Material wie dem Dichtmaterial aufweist. In einem solchen Fall können die benachbarten Bipolarplatten unmittelbar auf dem kaum nachgiebigen Kem des Trägerrahmens aufliegen, sofern der Kern aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist. Ansonsten kann eine elektrische Isolation durch eine elektrisch isolierende Beschichtung, welche sich auf mindestens einer an einer Bipolarplatte anliegenden Seite des Trägerrahmens befindet, als elektrisch isolierender Bereich hergestellt sein. Als elektrisch isolierende Beschichtungen eigenen sich hierbei beispielsweise keramische Beschichtungen, wie aus AI2O3 und/oder Si O2, oder auch polymere Beschichtungen.

Sofern ein Kernelement des Trägerrahmens als Metallteil, insbesondere Blechteil, ausgebildet ist, kommt eine ein- oder mehrlagige Gestaltung dieses Kernelements in Betracht. Im Fall einer zweilagigen Ausführung kann eine der beiden Blechlagen des Kernelements im Bereich ihrer Stirnseite die Stufe mit einer darunter angeordneten, längeren Blechlage bilden. Die Blechlagen können zum Beispiel durch Schweißung miteinander verbunden sein.

Bei einer Fertigung des Trägerrahmens aus Blech, insbesondere Stahlblech, bietet eine dreidimensionale Strukturierung des Blechs Vorteile hinsichtlich der mechanischen Stabilität bei gleichzeitig sparsamem Matenaleinsatz. Beispielsweise beschreibt der aus Blech durch umformende Verfahren gefertigte Metallkern des Trägerrahmens einen dreidimensional umgeformten Querschnitt. Hierbei können in das Blech eingebrachte Sicken insbesondere in Längsrichtung des Rahmens verlaufen. Nach der Formung des Blechs, welches das Kernelement des Trägerrahmens darstellt, kann das Blech in einem einzigen Arbeitsschritt mit einem Elastomer, welches sämtliche Dichtbereiche bildet, umspritzt werden. Gleichzeitig können elektrisch isolierende Bereiche angespritzt werden.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung liegt der erste Dichtbereich zwischen einer der beiden Bipolarplatten, die den Trägerrahmen sandwichartig umschließen, und einer geschichteten Anordnung, die zur Aufnahme von Druckkräften vorgesehen ist. Die genannte Anordnung ist aus der Membran der elektrochemischen Zelle, der Druckkraft übertragenden porösen Transportlage der anodenseitigen Halbzelle, der zweiten Bipolarplatte und einem Kühlfeldrahmen, welcher mechanisch stärker als umgebende Elemente belastbar ist, gebildet. Trotz geringer Höhe der elektrochemischen Zellen ist damit ein stabiler Aufbau des gesamten Zellenstapels mit hochwirksamen Abdichtungen sowohl innerhalb der Zellen als auch nach außen realisierbar.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 ausschnittsweise ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Zellenstapels im Querschnitt gesehen,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Anordnung nach Figur 1 ,

Fig. 3 einen Trägerrahmen des Zellenstapels nach Figur 1 in Draufsicht,

Fig. 4 - 10 Ausschnitte weiterer elektrochemischer Zellenstapel im Querschnitt gesehen,

Fig. 11 einen weiteren Ausschnitt aus einem elektrochemischer Zellenstapel im Querschnitt gesehen, und

Fig. 12 - 13 mögliche Dichtlippen für die Dichtbereiche im Querschnitt gesehen.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Bei einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten elektrochemischen Zellenstapel handelt es sich um einen Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff. Der Zellenstapel 1 umfasst eine Vielzahl elektrochemischer Zellen 2, das heißt Elektrolysezellen, welche jeweils aus einer ersten Halbzelle 3 und einer zweiten Halbzelle 4 aufgebaut sind. Bipolarplatten 5, 5' trennen eine Halbzelle 3 einer ersten elektrochemischen Zelle 2 von einer Halbzelle 4 einer weiteren elektrochemischen Zelle 2. Die beiden Halbzellen 3, 4 einer jeden elektrochemischen Zelle 2 sind durch eine Membran 6 voneinander getrennt. Die Membran 6 befindet sich in einem Trägerrahmen 7, welcher sandwichartig zwischen zwei zueinander parallelen Bipolarplatten 5, 5' positioniert ist. Der Grundriss des Trägerrahmens 7 geht aus Figur 3 hervor. Der Trägerrahmen 7 umschließt ein Aktivfeld 8 der Elektrolysezelle 2. Außerhalb des Aktivfelds 8 angeordnete Öffnungen 9, durch welche Betriebsmedien des Zellenstapels 1 geleitet werden, werden allgemein als Ports bezeichnet. Innerhalb der Elektrolysezellen 2 strömen die Betriebsmedien unter anderem durch poröse Transportlagen 10, 11 , welche sich in den Halbzellen 3, 4 befinden. Wie aus sämtlichen Figuren mit Ausnahme der Figur 3 hervorgeht, sind die beiden Halbzellen 3, 4 unterschiedlich breit. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird in den vorliegenden Fällen die anodenseitige Halbzelle 3 als obere Halbzelle und die kathodenseitige Halbzelle 4 als untere Halbzelle bezeichnet. Die anodenseitige poröse Transportlage 10 überragt in allen Fällen die kathodenseitige poröse Transportlage 11. Dementsprechend weist der Trägerrahmen 7, welcher das Aktivfeld 8 umschließt, im Querschnitt eine gestufte Form auf.

Der in den Ausführungsbeispielen betrachtete Abschnitt des Trägerrahmens 7 grenzt einerseits an einen Port 9 und andererseits an beide Halbzellen 3, 4 ein und derselben elektrochemischen Zelle 2. In dem genannten Abschnitt existieren zwei voneinander unterscheidbare, unterschiedlich breite Querschnittsbereiche 12, 13. Der Trägerrahmen 7 umfasst ein ein- oder mehrteiliges Kernelement 14, welches Raum in mindestens einem der Querschnittsbereiche 12, 13 einnimmt, sowie eine insgesamt mit 15 bezeichnete Dichtungsanordnung. Die Dichtungsanordnung 15 ist ebenso wie das Kernelement 14 einem Rahmenabschnitt 16 zuzurechnen.

Die in der Ebene des Trägerrahmens 7 zu messende Breite des Rahmenabschnitts 16 ist mit BR bezeichnet. Die in allen Fällen geringere Breite des Kernelements 14 trägt die Bezeichnung BK. Die mit HR bezeichnete Höhe des Trägerrahmens 7 gibt zusammen mit weiteren Elementen des Zellenstapels 1 den Abstand zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 5, 5' vor. Die Summe aus der Dicke des Querschnittsbereichs 13 und der Dicke des elektrisch isolierenden Bereichs 27ergibt hier die Höhe HR des Rahmenabschnitts 16. Auch in diesen Fällen beziehen sich die Angaben „unten“ und „oben“ lediglich auf die Figuren und implizieren keine Aussage über die tatsächliche Einbaulage der Komponenten 5, 5', 6, 16 im Zellenstapel 1. Zwischen dem Querschnittsbereich 12 und dem Querschnittsbereich 13 ist auf derjenigen Seite des Rahmenabschnitts 16, welche dem Aktivfeld 8 zugewandt ist, eine Stufe 17 gebildet. Ein mit 18 bezeichneter Rand der Membran 6 liegt in dieser Stufe 17, wobei er wegen des Vorhandenseins der Dichtungsanordnung 15 vom Kernelement 14 zumindest geringfügig beabstandet bleibt. Die Dichtungsanordnung 15 umfasst drei voneinander unterscheidbare Dichtbereiche 19, 20, 21 . Hierbei sind ein erster Dichtbereich 19 und ein zweiter Dichtbereich 20 von dritten Dichtbereich 21 unterscheidbar. Die Dicke des ersten Dichtbereichs 19 und des zweiten Dichtbereichs 20 entspricht jeweils der Höhe einer Halbzelle 3, 4. Der dritte Dichtbereich 21 füllt die gesamte Zellenhöhe aus. Während der letztgenannte dritte Dichtbereich 21 zum Port 9 hin abdichtet, dichten die beiden Dichtbereiche 19, 20 das Aktivfeld 8 ab. Sämtliche Dichtbereiche 19, 20, 21 stellen integrale Bestandteile des Trägerrahmens 7 dar. In den Ausführungsbeispielen weist jeder Dichtbereich 19, 20, 21 mindestens eine Dichtlippe 22 auf. Die im Schnittbild dargestellten Dichtlippen 22 verlaufen dabei in der Draufsicht auf die Membrane 6 jeweils ringförmig.

In allen skizzierten Anordnungen weist der erste Dichtbereich 19 zwei Dichtlippen 22 auf, welche auf der unteren Bipolarplatte 5' aufliegen, sowie zwei weitere Dichtlippen 22, auf welchen die Membran 6 aufliegt. Die insgesamt vier Dichtlippen 22 sind der beim Betrieb des Zellenstapels 1 wirkenden Druckbeaufschlagung entgegengerichtet, was die Dichtwirkung mit zunehmendem Druck verstärkt. Damit trägt die Form der Dichtlippen 22 zum Effekt einer Selbstabdichtung bei.

Die oberhalb der Membran 6 befindliche poröse Transportlage 10 stellt ein kraftübertragendes Element dar, welches zusammen mit dem ersten Dichtbereich 19 Kräfte F, das heißt Druckkräfte, zwischen den parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten 5, 5' überträgt. Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 2 ist eine Krafteinwirkung auf einen Kühlfeldrahmen 23 veranschaulicht, welcher in eine mit 25 bezeichnete Prägestruktur der Bipolarplatte 5 eingefügt ist. Längliche beziehungsweise kreisrunde Prägeelemente der Prägestruktur 25 sind mit 24, 26 bezeichnet. Der zweite Dichtbereich 20 weist in den Ausführungsbeispielen lediglich eine einzige, an der Bipolarplatte 5 anliegende Dichtlippe 22 auf. Vom Aktivfeld 8 aus gesehen, ist der zweite Dichtbereich 20 gegenüber dem ersten Dichtbereich 19 nach außen, das heißt in Richtung zum Port 9, versetzt. Der unmittelbar an den Port 9 grenzende dritte Dichtbereich 21 weist in den skizzierten Beispielen genau zwei Dichtlippen 22 auf, wobei jede dieser Dichtlippen 22 eine der Bipolarplatten 5, 5' kontaktiert, zwischen welchen der Trägerrahmen 7 angeordnet ist.

In den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 , 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9 existiert darüber hinaus ein elektrisch isolierender Bereich 27, welcher den zweiten Dichtbereich 20 mit dem dritten Dichtbereich 21 verbindet und an der oberen der in den Darstellungen erkennbaren Bipolarplatte 5 anliegt. Somit erstrecken sich die Dichtbereiche 20, 21 und der elektrisch isolierende Bereich 27 in diesen Fällen über den gesamten Querschnittsbereich 13.

Gemäß den Figuren 1 , 2, 4, 5, 7, 8, 9 ist ein weiterer elektrisch isolierender Bereich 27' vorhanden, der den zweiten Dichtbereich 20 mit dem ersten Dichtbereich 19 verbindet.

Die elektrisch isolierenden Bereiche 27, 27' sind gemäß den Figuren 1 , 2, 4, 5, 7, 8, 9 aus dem elektrisch isolierenden Dichtmaterial gebildet, mit welchem die Dichtbereiche 19, 20, 21 gebildet sind.

Gemäß Figur 6 ist ein elektrisch isolierender Bereich 27 aus einer elektrisch isolierenden Beschichtung 31 , welche nicht dem Dichtmaterial entspricht, gebildet.

Dem gesamten Trägerrahmen 7 wird damit eine elastische Nachgiebigkeit in Normalrichtung der Ebene, in welcher der Trägerrahmen 7 liegt, verliehen.

Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 ist das Kernelement 14 des Trägerrahmens 7 aus Kunststoff gefertigt. Die Dichtungsanordnung 15 ist stoffschlüssig mit dem Kernelement 14 verbunden, sodass der Trägerrahmen 7, welcher das Kernelement 14 und die Dichtungsanordnung 15 umfasst, eine nicht zur Demontage vorgesehene Baueinheit bildet. Eine solche Baueinheit aus Kernelement 14 und Dichtungsanordnung 15 ist auch in der Bauform nach Figur 4 gegeben, wobei in diesem Fall das Kernelement 14 als profiliertes Blech ausgebildet ist, an welches die Dichtungsanordnung 15 angespritzt ist. Was die Form der einzelnen Dichtbereiche 19, 20, 21 und die Anzahl der Dichtlippen 22 betrifft, existierten keine prinzipiellen Unterschiede zwischen der Ausführungsform nach Figur 4 und der Ausführungsform nach Figur 1. Im Fall von Figur 4 liegt das als Blech ausgeführte Kernelement 14 in mehreren streifenförmigen Bereichen auf der unteren Bipolarplatte 5' auf. An der in der Anordnung nach Figur 4 linken Seite des Kernelements 14, das heißt derjenigen Seite, welche dem Port 9 zugewandt ist, ist durch das Kernelement 14 eine Randleiste 28 gebildet, welche aus der Ebene, die einerseits durch die untere Bipolarplatte 5' und andererseits durch die Unterseite des Kernelement 14 tangiert wird, herausragt und sich annähernd über die gesamte Höhe HR des Trägerrahmens 7 erstreckt. Auf der gegenüberliegenden, inneren Seite des Kernelements 14 läuft dieses in Form eines flachen Bandes 29 aus, an welches in Richtung zum Aktivfeld 8 der erste Dichtbereich 19 anschließt.

Der Trägerrahmen 7 nach Figur 5 unterscheidet sich vom Trägerrahmen 7 nach den Figuren 1 und 2 dadurch, dass sich im elektrisch isolierenden Bereich 27 mehrere elastische Stützelemente 30, hier als Schraubenfedern angedeutete Druckfedern, befinden, die Kräfte F, wie in Figur 5 durch Pfeile veranschaulicht, zwischen der Bipolarplatte 5 und dem Trägerrahmen 7 übertragen. Das Kernelement 14 ist im Fall von Figur 5, ebenso wie im Fall von Figur 1 , aus Kunststoff gefertigt.

Im Ausführungsbeispiel nach Figur 6 ist das Kernelement 14 aus Metall gefertigt und damit als elektrischer Leiter ausgebildet. Zur Herstellung einer elektrischen Isolation zwischen den zueinander parallelen Bipolarplatten 5, 5', die den Trägerrahmen 7 sand- wichartig zwischen sich einschließen, befindet sich auf der Oberseite des Trägerrahmens 7, das heißt auf dem Querschnittsbereich 13, ein elektrisch isolierender Bereich 27 in Form einer elektrisch isolierenden Beschichtung 31 . Eine elastische Verformbarkeit des Trägerrahmens 7 in Normalrichtung der Bipolarplatten 5, 5' ist im Fall von Figur 6 in weit geringerem Maße gegeben als in den Fällen der Figuren 1 , 4 und 5. Dementsprechend wird im Fall von Figur 6 von einem sogenannten HardStop-Konzept gesprochen.

Im Fall von Figur 7 weist der Trägerrahmen 7 die gleiche äußere Form wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 auf. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist im Fall von Figur 7 der Querschnittsbereich 13 durch einen Teil des Kernelements 14 und den elektrisch isolierenden Bereich 27 gebildet. Das Kernelement 14 befindet sich weiterhin auch im Querschnittsbereich 12. Damit ist in der Ausführungsform nach Figur 7 ein ausgeprägtes SoftStop-Konzept realisiert.

Im Ausführungsbeispiel nach Figur 8 ist das Kernelement 14, ebenso wie im Fall von Figur 4, aus Metall gefertigt. Hierbei ist ein umformtechnisch hergestelltes Zahnprofil des Kernelements 14 gegeben, wobei an der Unterseite des Profils in dessen Längsrichtung verlaufende Nuten 32, das heißt Sicken, und an der Oberseite des Profils im Querschnitt rechteckige Zähne 33 erkennbar sind. In Anpassung an den Querschnitt des Kernelements 14 weist der vierte Dichtbereich 27 eine von außen nicht erkennbare Zahnstruktur 34 auf, durch welche eine besonders stabile Bindung zwischen dem Kernelement 14 und der Dichtungsanordnung 15 gegeben ist.

Auch im Ausführungsbeispiel nach Figur 9 liegt ein metallisches Kernelement 14 vor, wobei dieses hier aus zwei ungleich breiten, miteinander verschweißten Blechstreifen 35, 36 gebildet ist. Die gesamte Querschnittsform des Kernelements 14 des Trägerrahmens 7 nach Figur 9 entspricht der Ausführungsform nach Figur 1 .

Im Ausführungsbeispiel nach Figur 10 füllt das aus Kunststoff gefertigte Kernelement 14 die gesamte Höhe HR zwischen den beiden Bipolarplatten 5 aus. Die Dichtungsanordnung 15 umfasst in diesem Fall lediglich die beiden miteinander verbundenen Dichtbereiche 19, 20 und den hiervon getrennten Dichtbereich 21.

Gemäß Figur 11 ist ein Kernelement 14 und eine Dichtungsanordnung 15 vorhanden, wobei in diesem Fall das Kernelement 14 als profiliertes Blech ausgebildet ist, an welches die Dichtungsanordnung 15 angespritzt ist. Was die Form der einzelnen Dichtbereiche 19, 20, 21 und die Anzahl der Dichtlippen 22 betrifft, existierten keine prinzipiellen Unterschiede zwischen der Ausführungsform nach Figur 4 und der Ausführungsform nach Figur 1 . Gleiche Bezugszeichen wie in diesen Figuren kennzeichnen gleiche Elemente. Lediglich das Kernelement 14 ist im Querschnittsbereich 13 filigraner ausgebildet und bildet mit dem Querschnittsbereich 12 aufgrund der Umformung des Blechs eine Stufe 17 aus. Der elektrisch isolierende Bereich 27 zwischen dem dritten Dichtbereich 21 und dem zweiten Dichtbereich 20 weist Stützstrukturen 30 auf, welche die Bipolarplatte 5 abstützen. Der weitere elektrisch isolierende Bereich 27' zwischen dem zweiten Dichtbereich 20 und dem ersten Dichtbereich 19 ist wie der elektrisch isolierende Bereich 27 aus Dichtmaterial gebildet und einstückig sowie gleichzeitig mit der Dichtungsanordnung 15 an das Kernelement 14 angespritzt worden. Die Rahmenanordnung 16 ist besonders kostengünstig und schnell herstllbar.

Die Figur 12 zeigt mögliche Ausführungen von Dichtlippen 22 im dritten Bereich 21 , welcher an eine Stirnseite eines nur teilweise dargestellten Kernelementes 14 angespritzt ist. Hier sind von links nach rechts gesehen dargestellt: zwei Dichtlippen 22 mit jeweils dreieckiger Grundform; vier Dichtlippen 22 mit jeweils dreieckiger Grundform; zwei Dichtlippen 22 mit jeweils rundlicher Grundform; vier Dichtlippen 22 mit jeweils stufenartiger, abgeflachter Grundform; vier Dichtlippen 22, zwei mit jeweils dreieckiger Grundform, zwei mit rundlicher Grundform.

Dabei sind derartige Grundformen beliebig kombinierbar und die Anzahl der Dichtlippen 22 variierbar'. Die für den dritten Dichtbereich 21 dargestellten Dichtlippen-Ausführun- gen sind auch für den ersten Dichtbereich 19 einsetzbar.

Figur 13 zeigt mögliche Ausführungen einer Dichtlippe 22' im zweiten Bereich 20, welcher im Bereich der Stufe 17 eines nur teilweise dargestellten Kernelementes 14 angespritzt ist. Hier sind von links nach rechts gesehen dargestellt: zwei Dichtlippen 22', eine mit rundlicher Grundform und eine mit dreieckiger Grundform; zwei Dichtlippen 22' mit jeweils stufenartiger, abgeflachter Grundform; eine Dichtlippe 22' mit rundlicher Grundform; zwei Dichtlippen 22' mit jeweils dreieckiger Grundform; eine Dichtlippe 22' mit dreieckiger Grundform. Dabei sind derartige Grundformen beliebig kombinierbar und die Anzahl der Dichtlippen 22' variierbar.

Bezuqszeichenliste elektrochemischer Zellenstapel elektrochemische Zelle, Elektrolysezelle

Halbzelle

Halbzelle , 5' Bipolarplatte

Membran

Trägerrahmen

Aktivfeld

Öffnung, Port 0 poröse Transportlage, anodenseitig 1 poröse Transportlage, kathodenseitig 2 Querschnittsbereich 3 Querschnittsbereich 4 Kernelement 5 Dichtungsanordnung aus Dichtmaterial 6 Rahmenabschnitt 7 Stufe 8 Rand der Membran 9 erster Dichtbereich am Aktivfeld mit Dichtlippen 22 0 zweiter Dichtbereich am Aktivfeld mit einseitiger Dichtlippe 22'1 dritter Dichtbereich, an den Port 9 grenzend 2 Dichtlippe 2' Dichtlippe 3 Kühlfeldrahmen 4 Prägeelement 5 Prägestruktur 6 Prägeelement 7, 27' Elektrisch isolierender Bereich (ohne Dichtfunktion) 8 Randleiste 9 Band 0 Stützstrukturen 31 elektrisch isolierende Beschichtung

32 Nut

33 Zahn

34 Zahnstruktur

35 Blechstreifen

36 Blechstreifen

BR Breite des Rahmenelementes

BK Breite des Kernelements

F Druckraft

HR Höhe des Trägerrahmens

Claims

Patentansprüche

1 . Elektrochemischer Zellenstapel (1 ), umfassend eine Vielzahl elektrochemischer Zellen (2), welche durch Bipolarplatten (5) voneinander getrennt sind, wobei jede elektrochemische Zelle (2) aus zwei Halbzellen (3, 4) gebildet ist, zwischen welchen eine von einem Trägerrahmen (7) umgebene Membran (6) angeordnet ist, und wobei sich in jeder Halbzelle (3, 4) eine poröse Transportlage (10, 11 ) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerrahmen (7) im Querschnitt gesehen eine gestufte Form mit mindestens zwei aneinander angrenzenden, unterschiedlich breiten Querschnittsbereichen (12, 13) beschreibt, wobei ein Rand (18) der Membran (6) in einer durch die beiden Querschnittsbereiche (12, 13) gebildeten Stufe (17) liegt und sich die poröse Transportlage (10) einer der beiden Halbzellen (3) als Druckkraft übertragendes Element bis in die Stufe (17) hinein erstreckt, und wobei der Trägerrahmen (7) mindestens eine an den Trägerrahmen (7) angespritzte Dichtungsanordnung (15) aus einem elektrisch isolierenden Dichtmaterial umfasst, wobei die Dichtungsanordnung (15) mindestens drei Dichtbereiche (19, 20, 21 ) mit jeweils mindestens einer Dichtlippe (22, 22')umfasst, nämlich einen ersten Dichtbereich (19) und einen zweiten Dichtbereich (20), welche dem der Membran (6) zugewandten schmaleren der beiden Querschnittsbereiche (12, 13) zuzurechnen sind und jeweils genau eine Bipolarplatte (5, 5') kontaktieren, sowie einen dritten Dichtbereich (21 ), welcher sich auf einer, der Stufe (17) abgewandten Seite des Trägerrahmens (7) befindet und an eine zur Mediendurchleitung vorgesehene Öffnung (9) des Trägerrahmens (7) grenzt und hierbei beide Bipolarplatten (5, 5'), an denen der erste und der zweite Dichtbereich (19, 20) anliegen, kontaktiert.

2. Zellenstapel (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrisch isolierender Bereich (27, 27') vorhanden ist, der den dritten Dichtbereich (21 ) mit dem zweiten Dichtbereich (20) und/oder den zweiten Dichtbereich (20) mit den ersten Dichtbereich (19) verbindet.

3. Zellenstapel (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrisch isolierende Bereich (27, 27') aus dem Dichtmaterial gebildet ist oder einer elektrisch isolierenden Beschichtung (31 ).

4. Zellenstapel (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch mehrere im mindestens einen elektrisch isolierenden Bereich (27, 27') angeordnete elastische Stützstrukturen (30).

5. Zellenstapel (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernelement (14) des Trägerrahmens (7) aus Kunststoff gefertigt ist.

6. Zellenstapel (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernelement (14) des Trägerrahmens (7) als Metal Iteil, insbesondere Blechteil, ausgebildet ist.

7. Zellenstapel (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerrahmen (7) zweilagig aus Blech aufgebaut ist.

8. Zellenstapel (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste Dichtbereich (19) als auch der dritte Dichtbereich (21 ) an ihren dem Trägerrahmen (7) abgewandten Enden jeweils mindestens zwei parallel zur Ebene der Membran (6) verlaufende ringförmige Dichtlippen (22) aufweisen und dass der zweite Dichtbereich (20) mindestens eine parallel zur Ebene der Membran (6) ringförmig verlaufende Dichtlippe (22') aufweist.

9. Zellenstapel (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerrahmen (7) ein Kernelement (14) in Form eines aus einem ebenen Blechstreifen dreidimensional umgeformten Metallteils aufweist.

10. Zellenstapel (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dichtbereich (19) zwischen einer der Bipolarplatten (5, 5') und einer geschichteten Anordnung liegt, die aus der Membran (6), der zur Übertragung von Druckkraft vorgesehenen porösen Transportlage (10), der weiteren Bipolarplatte (5) und einem Kühlfeldrahmen (23) gebildet ist.