WO2023285553A1 - VERSCHWEIßTER ELEKTROCHEMISCHER REAKTOR UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG - Google Patents

VERSCHWEIßTER ELEKTROCHEMISCHER REAKTOR UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG Download PDF

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Lukas Wilhelm
Jens Burfeind
Christian DÖTSCH
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention relates to an electrochemical reactor, in particular a fuel cell, electrolyser, redox flow battery, accumulator or battery, with a cell stack composed of a plurality of cells each separated by at least one bipolar plate and stacked in a stacking direction, the cells each having two electrodes, one between the two electrodes, providing an electrolyte separator, wherein the electrodes and the separator of the cells are each accommodated in an interior space of at least one cell frame and wherein the at least one bipolar plates and the at least one cell frame each have at least one thermoplastic.
  • the invention also relates to a method for producing an electrochemical reactor, in particular a fuel cell, electrolyzer, redox flow battery, accumulator or battery, in which at least two electrodes and a separator providing an electrolyte are introduced into an interior space of at least one cell frame having at least one thermoplastic material and in which at least one bipolar plate having at least one thermoplastic material is provided on the sides of the electrodes pointing away from the separator.
  • Redox reactions take place in the electrochemical reactors, and these reactions can be driven by an externally applied voltage difference, as is the case, for example, when charging an accumulator or a redox flow battery and when operating an electrolyzer .
  • an electric current is used to start a chemical reaction in the form of electrolysis to produce a product such as hydrogen accomplished.
  • the redox reactions taking place in the electrochemical reactor can also be used to generate an electrical voltage. This is the case, for example, with a battery, when discharging a redox flow battery or an accumulator, and when operating a fuel cell.
  • the electrochemical reactors of the type mentioned are generally made up of a plurality of electrochemical cells, in each of which the corresponding redox reaction takes place.
  • the individual cells of an accumulator are often arranged in a row or stacked on top of one another. In this context, one therefore also speaks of a cell stack.
  • cell stacks allow the provision of a greater voltage or a greater product flow of the product to be manufactured in a simple manner.
  • Corresponding cell stacks and their uses have been known for a long time and from a wide variety of applications, which is why they do not have to be discussed in detail.
  • the individual electrochemical cells are composed of half-cells comprising electrodes which are separated from one another by a separator.
  • the electrodes and separator of a cell are integrated into an interior space provided by at least one cell frame.
  • a cell can also have several cell frames, for example one cell frame per half-cell of the electrochemical cell.
  • the electrodes, the at least one cell frame and the separator are provided at least substantially parallel to one another. This results in a layering that extends in a so-called stacking direction.
  • the cell frames and the bipolar plates can be formed from very different materials, although in some cases cell frames and bipolar plates that comprise at least one thermoplastic material can be considered for reasons of cost and production.
  • the bipolar plates often have another one in addition to the thermoplastic material electrically conductive filler, for example in the form of fine particles, such as graphite.
  • the separator has an electrolyte, it being possible for the separator to have an open-pored, porous structure in which a liquid electrolyte can be accommodated or through which an electrolyte flows.
  • the former is the case with non-perfused batteries, while the latter is typically the case with perfused redox flow batteries.
  • the separator between the two electrodes of a cell can be constructed in two parts, with the two parts of the separator being separated by a membrane, for example made of a polymer, which allows electrolyte to pass from one part of the separator prevented in the other part of the separator, but allows a transfer of charge carriers in the form of ions.
  • the two parts of the separator and the membrane can be regarded as a common separator. In the case of the present invention, this is at most conditionally important.
  • the individual cells are separated from one another by inert, electrically non-conductive materials and are only electrically connected to one another by lines.
  • the cells are separated from one another by electrically conductive bipolar plates.
  • an anode and a cathode of adjacent cells are regularly located on the opposite sides of the bipolar plates.
  • the anode and the cathode are typically each in direct electrically conductive contact with the at least one bipolar plate arranged between them.
  • the separator itself can provide the electrolyte, such as is the case in a polymer electrolyte fuel cell.
  • the separator is divided in two, with a hydrogen-containing gas flowing through one part of the separator and an oxygen-containing gas flowing through the other part of the separator.
  • the passage of gases from part of the Separator in the other part of the separator is prevented by a membrane, which, however, allows the transfer of charge carriers.
  • the entirety of the two parts of the separator and the membrane can be understood as the separator between the electrodes.
  • the precise structure of the separator is at most of limited importance in connection with the invention.
  • the membrane is made of a solid polymer. In other fuel cells, however, other membranes can also be provided or membranes can be dispensed with entirely.
  • electrochemical reactors in the form of fuel cells cannot do without a fluid.
  • heating wires can be inserted into the cell stack or laser beam and ultrasonic welding processes can be used.
  • This is associated with a very high production cost.
  • the present invention is therefore based on the object of designing and developing the electrochemical reactor and the method of the type mentioned at the outset and explained in more detail above in such a way that electrochemical reactors can be manufactured more simply and cost-effectively.
  • the at least one cell frame of at least one cell is liquid-tight and circumferentially at least essentially perpendicular to the stacking direction with at least two bipolar plates adjoining the at least one cell frame on both sides in the stacking direction is thermally welded.
  • a circumferential weld seam is provided by the welding, specifically in a plane at least essentially perpendicular to the stacking direction of the at least one cell frame and the at least two bipolar plates.
  • this circumferential welding between the at least one cell frame and the at least two bipolar plates ensures a liquid-tight or gas-tight closure of at least one cell. If the cell is one through which a fluid flows for the intended operation or to which a fluid is supplied for the intended operation, the liquid tightness referred to is to be understood in relation to the corresponding welding and not necessarily to the cell as such . In other words, unwanted leakage should be avoided. However, this should not block a desired inflow and/or outflow of at least one fluid.
  • the at least one fluid can be a working fluid or an electrolyte.
  • this cell frame is preferably circumferential with the two bipolar plates be welded. If several cell frames are provided between adjacent bipolar plates, each of the bipolar plates is welded to another cell frame all around. In addition, it makes sense if the adjacent cell frames of a cell are also welded together. However, this is not absolutely necessary. Likewise, it is not absolutely necessary for the bipolar plates to be welded to two cell frames of adjacent cells on opposite sides of the bipolar plates. However, this is preferred under certain circumstances, as is the welding of two bipolar plates between two adjacent cells, in which case the two bipolar plates can then in turn be welded to a cell frame of the adjacent cells.
  • the bipolar plates and the at least one cell frame are liquid-tight and each at least substantially perpendicular to the stacking direction of the electrodes, the bipolar plates and the separator are thermally welded circumferentially to form a cell.
  • At least two electrodes and a separator are initially introduced into an interior space provided by at least one cell frame of a cell.
  • the separator provides the electrolyte.
  • a bipolar plate is also provided in each case, the Bipolar plates as well as the at least one cell frame of the at least one cell have a thermoplastic material.
  • the at least one cell frame, the electrodes, the separator and the two bipolar plates are then at least essentially aligned with one another in mutually parallel planes.
  • the at least one cell frame, the electrodes, the separator and the two bipolar plates thus form a stacking direction which is at least essentially perpendicular to these parallel planes.
  • the bipolar plates are thermally welded to the at least one cell frame around this stacking direction or at least essentially in a plane perpendicular to the stacking direction. In the welded area, a cell with a liquid-tight connection between the bipolar plates and the at least one cell frame is thus obtained.
  • the cell frames of at least one module made up of a plurality of adjacent cells are welded in a liquid-tight manner and are each welded circumferentially at least essentially perpendicularly to the stacking direction.
  • At least one cell frame is provided several times between two adjacent bipolar plates, the bipolar plates being welded to the adjacent cell frames, each circumferentially in a plane aligned at least substantially perpendicular to the stacking direction.
  • the concept of plane is not necessarily to be understood in the sense of a completely plane surface.
  • the plane can also be understood as a layer with an appreciable extent in the stacking direction.
  • bipolar plates Since in an ideal configuration but actually at least essentially almost from can be spoken of as a plane in the mathematical sense, it is spoken of as a plane in the present case for the sake of simplicity and for better understanding.
  • the bipolar plates can also be connected to one another by thermal welding.
  • several cells can be connected easily, reliably and quickly to form a liquid-tight or gas-tight, ie leak-free, module made up of several cells that are adjacent to one another.
  • the cell frames of the entire cell stack consisting of several adjacent cells are thermally welded to adjacent bipolar plates in a liquid-tight manner and in each case at least essentially perpendicularly to the stacking direction.
  • two bipolar plates are repeatedly welded, each with at least one cell frame provided between them.
  • the corresponding bipolar plates can be welded on opposite sides to cell frames that are respectively adjacent there.
  • two bipolar plates can lie against each other.
  • these adjacent bipolar plates are preferably each connected to one another. In this way, the entire cell stack can be welded easily, quickly and reliably in a single process step in order to avoid unwanted leakage from the cell stack.
  • a reliable and liquid-tight connection between the respective cell frames and respective bipolar plates can also be obtained if the respective cell frames and the respective bipolar plates have at least one common plastic. If the bipolar plates have at least one plastic that is also provided in the at least one cell frame, there is an intimate cohesive contact between at least the at least one identical plastic of the respective at least one cell frame and the respective bipolar plates.
  • the bipolar plates are easily accessible from the outside.
  • the individual voltages of the individual cells in the cell stack can be recorded and monitored. Irrespective of this, the heat dissipation from the cell stack can also be improved if necessary. This is especially true when the edges of the bipolar plates are thermally connected to cooling elements.
  • the lateral surface of the cell stack can be formed at least in sections by the respective cell frames thermally welded to the respective bipolar plates. The risk of unwanted leakage is then further reduced because the bipolar plates can then be surrounded by the adjacent cell frames.
  • the same effect can be achieved in that the cell frames protrude in relation to the bipolar plates to which the cell frames are welded.
  • the cell frames protrude outwards in particular peripherally to the bipolar plates and/or the cell frames in relation to the bipolar plates.
  • the circumferential weld seam provided by thermal welding between the cell frames and the bipolar plates has a thickness perpendicular to the stacking direction of less than 3 mm, less than 2 mm or less than 1 mm.
  • the weld seam can have an extent that corresponds at least essentially to the extent of the cell, the module of a cell stack, or the cell stack itself.
  • At least two electrodes and a separator providing an electrolyte are repeatedly introduced into an interior space of at least one cell frame, the cell frame having at least one thermoplastic material.
  • the foundations for the construction of several electrochemical cells are laid.
  • bipolar plates are provided on the respective sides of the electrodes pointing away from the separator, with at least one bipolar plate being provided on each of the sides. This attaching of the bipolar plates is performed multiple times to equip the multiple cells with bipolar plates.
  • these multiple bipolar plates also each have at least one thermoplastic material.
  • the respective bipolar plates and the respective cell frame with each other liquid-tight and welded circumferentially at least substantially perpendicular to the stacking direction of the electrodes, the bipolar plates and the separator.
  • a module comprising a plurality of cells that follow one another in the stacking direction is produced, specifically by thermal welding of bipolar plates and cell frames.
  • bipolar plates belonging to adjacent cells adjoin one another, bipolar plates can also be thermally welded to one another.
  • the biolar plates can also be stacked with the cell frames in such a way that a bipolar plate is always welded to at least one cell frame, but the bipolar plates are not welded to one another.
  • Each cell is then preferably leak-free.
  • a cooling plate for cooling the cell stack can be provided between at least two modules of the cell stack produced in this way.
  • the cooling plate can preferably have cooling ribs and/or a cooling medium can flow through it in order to dissipate heat from the cell stack.
  • the cooling plate can simultaneously serve as a bipolar plate and/or be welded to at least one adjacent bipolar plate.
  • the modules of a cell stack and, if necessary, any cooling plates that are also provided can be thermally welded to one another to form a common cell stack. In this way, the production of the cell stack is simplified and the production costs are reduced.
  • a cell stack of a plurality of separate cells and/or of at least one module may alternatively or additionally be positioned between opposing end plates to complete the electrochemical reactor. Included a conductor plate can preferably be provided between the end plates and the adjoining cells or the at least one adjoining module. An external circuit can then be connected to these conductor plates in order to apply an external voltage to the electrochemical reactor or to tap a voltage at the electrochemical reactor and feed it to a consumer.
  • end plates are welded to the respective adjoining cells or modules, preferably via the collector plates, there is no need to brace the electrochemical reactor and the components of the electrochemical reactor are not loaded with the corresponding clamping forces. This is not only useful for the longevity of the cell stack, but also for reducing the manufacturing costs.
  • At least one thermal welding process is carried out by way of thermal contact sealing with at least one heated thermal contact sealing tool. This is simple and at the same time very reliable. The production costs can be further reduced if the welding is carried out, in particular in a single work step, by simultaneous, circumferential contact with the at least one thermal contact sealing tool.
  • thermoplastic of the cell frames welded to the bipolar plates and the thermoplastic of the bipolar plates welded to the cell frames are at least partially melted together during thermal welding, a particularly reliable and durable connection can be provided between the bipolar plates and the cell frames.
  • thermoplastic of the cell frames welded to the bipolar plates and the thermoplastic of the bipolar plates welded to the cell frames are at least partially melted together during thermal welding, a particularly reliable and durable connection can be provided between the bipolar plates and the cell frames.
  • at least one plastic of the at least one cell frame is also contained in the bipolar plates. The identical plastic then connects reliably to form a material connection between the at least one cell frame and the bipolar plates.
  • FIG. 1 shows an electrochemical reactor according to the invention in a schematic sectional view transverse to the stacking direction of the cells of the accumulator
  • FIG. 1 shows an electrochemical reactor 1 with a bipolar structure in a sectional view from the side.
  • the accumulator 1 comprises a stack (cell stack Z) of individual cells 2 which are arranged next to one another in a stacking direction R.
  • Bipolar plates 3 , 4 are provided between the individual cells 2 , which on one side bear against a negative electrode 5 of a cell 2 and on the opposite side bear against a positive electrode 6 of an adjacent cell 2 .
  • a bipolar plate 4 can be designed as a cooling plate which has cooling ribs for dissipating heat generated in the accumulator 1 .
  • the bipolar plates 4 in the form of cooling plates can also be dispensed with.
  • An end plate 7, 8 with internal, electrically conductive collector plates 9 is provided at each of the two opposite ends of the electrochemical reactor 1, with a negative electrode 5 lying on the collector plate 9 of the left-hand end plate 7 and a positive electrode on the collector plate 9 of the right-hand end plate 8 Electrode 6 is present.
  • the conductor plates 9 are connected to electrical lines, not shown, via which the electrochemical reactor 1 can be discharged and recharged, for example, depending on its type.
  • Each cell 2 comprises two electrodes 5.6 which are separated from one another by a separator 10 arranged between the electrodes 5.6.
  • the separator 10 provides an electrolyte 11 which, depending on the electrochemical reactor 1 , can be accommodated as a separate liquid and/or gaseous phase in the separator 10 or can form a component of the separator 10 .
  • cell frames 12 are arranged around the electrodes 5, 6 and the separator 10, which in the section of the electrochemical reactor 1 shown on the left have been thermally welded to the adjacent bipolar plates 3, 4 to form a liquid-tight or gas-tight cell 2.
  • the cell frames 12 thus form an interior space for accommodating the electrodes 5, 6 and the separator 10.
  • At least one liquid electrolyte 11 and/or at least one liquid and/or gaseous working medium must be supplied to the cells 2.
  • the material connection provided by thermal welding between the cell frames 12 and the bipolar plates 3.4 is designed to be liquid-tight or gas-tight in order to avoid accidental leakage.
  • At least one liquid electrolyte 11 and/or at least one liquid and/or gaseous working medium can then be supplied to the cells 2 in a different way. This is known and described from the prior art for the respective types of electrochemical reactors 1, so that it does not need to be discussed further.
  • the cells 2 are stacked one on top of the other in such a way that the bipolar plates 3, 4 of adjacent cells 2 rest against one another.
  • two bipolar plates 3 , 4 are provided between two cell frames 12 .
  • the cells 2, ie the adjacent bipolar plates 3, 4, of the section of the electrochemical reactor 1 shown on the left can be welded to one another, for example, or clamped together by an external clamping device, not shown. In case of Tensioning it is sufficient if the cells 2 or the adjacent bipolar plates 3.4 are in contact with one another. An additional connection between the cells 2 is then unnecessary. Welding of the cells 2 would still be preferred in principle, because then the outer clamping device can be omitted.
  • the cells 2 can be welded to one another, for example, by welding the adjacent cell frames 12 and/or the adjacent bipolar plates 3, 4 of the adjacent cells 2 to one another.
  • the cells 2 are stacked and connected to one another in a different manner.
  • the sections of the electrochemical reactor 1 shown on the left and right can be combined with one another in a single electrochemical reactor 1 .
  • the electrochemical reactor 1 is constructed either as shown on the left or as shown on the right.
  • the cells 2 are constructed in principle as in the section of the electrochemical reactor 1 shown on the left.
  • only one bipolar plate 3 is provided between the adjacent cell frames 12 of the adjacent cells 2 , which has been welded circumferentially to the two cell frames 12 adjacent to the bipolar plate 3 .
  • two adjacent bipolar plates 3 are provided, which respectively close off adjacent cells 2 of the adjacent modules M.
  • a bipolar plate 4 is provided in the form of a cooling plate between two modules M, with the bipolar plate 4 in the form of a cooling plate then being placed between two other terminal bipolar plates 3 of the adjacent modules M or as one of the terminal bipolar plates 3.4 of the adjacent modules M can be provided.
  • the modules M formed in this way can, if required, be stacked in sequence to form a cell stack Z of the electrochemical reactor 1, with at least two bipolar plates 3, 4 being able to come into contact with one another between two modules M in each case.
  • the outer bipolar plates 3 of the outer modules M can then come into contact with conductor plates 9, to which the end plates 7.8 of the accumulator 1 are then connected.
  • the modules M of an electrochemical reactor 1 can, as has already been described for the cells 2, be held against one another by mechanical bracing via an external clamping device. However, it can also be provided that the adjacent bipolar plates 3, 4 and/or the adjacent cell frames 12 of the adjacent modules M are thermally welded to one another. If required, the entire cell stack Z of an electrochemical reactor 1 can also be formed from such a module M. It is then not necessary to stack several modules M one on top of the other. However, it may then be necessary to design one module M with a larger number of cells 2 .
  • the cells 2 have a single cell frame 12 .
  • the cells 2 it is also conceivable for the cells 2 to have a plurality of cell frames 12 arranged next to one another in the stacking direction R.
  • each half-cell can be associated with a different cell frame 12 .
  • the several cell frames 12 of the respective cells 2 can be in direct contact with one another.
  • this is not mandatory either.
  • the cell frame 12 can be spaced apart from one another by the separator 3.4.
  • Adjacent pairs of a bipolar plate 3, 4 and a cell frame 12 can therefore be welded if required.
  • a bipolar plate 3.4 can also be welded to two adjacent cell frames 12 or both to an adjacent cell frame 12 and to an adjacent bipolar plate 3.4 on the opposite side.
  • the separators 10 are shown as one component. Depending on the type of electrochemical reactor 1, however, the separators 10 can have separate parts which are associated with the opposite electrodes 5, 6 and, if necessary, are additionally separated from one another by a semipermeable membrane.
  • FIGS. 2A-C The steps of a possible way of producing a module M of a cell stack Z are shown schematically in FIGS. 2A-C.
  • the electrodes 5, 6, the bipolar plates 3, the separators 10 and the cell frames 12 are stacked in the stacking direction R.
  • the electrodes 5 , 6 and the separators 10 are accommodated in an interior space 13 of the respective cell frame 12 .
  • the cell frames 12 project outwards circumferentially in relation to the bipolar plates 3 provided between the cell frames 12 . This would not be absolutely necessary, but in principle it can reduce the risk of short circuits between the individual cells 2 or bipolar plates 3 . This is because the bipolar plates 3 are then separated from one another by the cell frames.
  • FIG. 2B four heated plates 14 of a thermal contact sealing tool 15 are moved up to the stack of a module M of a cell stack Z from the outside and brought into contact with the stack.
  • the peripheral edges of the cell frame 12 and the bipolar plates 3 melt or soften at least partially and form a material bond by way of the thermal contact seal. Otherwise there could be leaks, i.e. a transfer of electrolyte from one cell to an adjacent cell, which can lead, for example, to an electrolyte imbalance or even to drying out of individual cells.
  • the cell frames 12 and the bipolar plates 3 of the module M are welded to one another by a weld seam 16 of a cell stack Z.
  • the weld seam 16 is a few millimeters thick and extends all around and at least essentially over the entire length of the module M in the stacking direction R. In other words, the lateral surface 17 of the module M is melted or softened at least essentially over its entire height and then solidified again.
  • FIGS. 3A-C The steps of another possible way of producing a module M of a cell stack Z are shown schematically in FIGS. 3A-C.
  • the main difference between the method according to FIGS. 2A-C is that the heated plates 14 of the heat contact sealing tool 15 are not flat, but have ribs 18 instead.
  • the distance between the ribs 18 corresponds at least essentially to the distance between the bipolar plates 3, which are spaced apart by at least one cell frame 12.

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Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein elektrochemischer Reaktor (1), insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox-Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, mit einem Zellstack (Z) aus einer Mehrzahl von jeweils über wenigstens eine Bipolarplatte (3,4) getrennten und in einer Stapelrichtung (R) gestapelten Zellen (2), wobei die Zellen (2) jeweils zwei Elektroden (5,6), einen zwischen den beiden Elektroden (5,6) angeordneten, einen Elektrolyt (11) bereitstellenden Separator (10) aufweisen, wobei die Elektroden (5,6) und der Separator (10) der Zellen (2) jeweils in einem Innenraum (13) wenigstens eines Zellrahmens (12) aufgenommen sind und wobei die wenigstens einen Bipolarplatten (3,4) und die wenigstens einen Zellrahmen (12) jeweils wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Um eine einfachere und kostengünstigere Fertigung zu ermöglichen ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Zellrahmen (12) wenigstens einer Zelle (2) flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung (R) umlaufend mit wenigstens zwei in der Stapelrichtung (R) zu beiden Seiten an den wenigstens einen Zellrahmen (12) angrenzenden Bipolarplatten (3,4) thermisch verschweißt ist.

Description

Verschweißter elektrochemischer Reaktor und Verfahren zu dessen
Herstellung
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Reaktor, insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox-Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, mit einem Zellstack aus einer Mehrzahl von jeweils über wenigstens eine Bipolarplatte getrennten und in einer Stapelrichtung gestapelten Zellen, wobei die Zellen jeweils zwei Elektroden, einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten, einen Elektrolyt bereitstellenden Separator aufweisen, wobei die Elektroden und der Separator der Zellen jeweils in einem Innenraum wenigstens eines Zellrahmens aufgenommen sind und wobei die wenigstens einen Bipolarplatten und die wenigstens einen Zellrahmen jeweils wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors, insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox- Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, bei dem wenigstens zwei Elektroden und ein einen Elektrolyt bereitstellender Separator in einen Innenraum wenigstens eines wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Zellrahmens eingebracht werden und bei dem an den von dem Separator wegweisenden Seiten der Elektroden jeweils wenigstens eine wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisende Bipolarplatte vorgesehen wird.
Elektrochemische Reaktoren sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt ln den elektrochemischen Reaktoren laufen Redoxreaktionen ab, wobei diese Reaktionen durch eine von außen angelegte Spannungsdifferenz getrieben werden können, wie dies etwa beim Laden eines Akkumulators oder einer Redox-Flow- Batterie sowie beim Betrieb eines Elektrolyseurs der Fall ist. ln einem Elektrolyseur wird mit Hilfe eines elektrischen Stromes eine chemische Reaktion in Form einer Elektrolyse zur Erzeugung eines Produkts etwa in Form von Wasserstoff durchgeführt. Alternativ können die in dem elektrochemischen Reaktor ablaufenden Redoxreaktionen aber auch zum Erzeugen einer elektrischen Spannung genutzt werden. Dies ist beispielsweise bei einer Batterie, beim Entladen einer Redox-Flow- Batterie oder eines Akkumulators sowie beim Betrieb einer Brennstoffzelle der Fall.
Die elektrochemischen Reaktoren der genannten Art sind in der Regel aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen aufgebaut, in denen jeweils die entsprechende Redoxreaktion abläuft. Die einzelnen Zellen eines Akkumulators sind oft in einer Reihe angeordnet oder aufeinandergestapelt. Man spricht in diesem Zusammenhang daher auch von einem Zellstack. Zellstacks erlauben je nach Anwendung in einfacher Weise die Bereitstellung einer größeren Spannung oder eines größeren Produktstroms des herzustellenden Produkts. Entsprechende Zellstacks und deren Nutzungen sind seit langer Zeit und aus den unterschiedlichsten Anwendungen bekannt, weshalb hierauf nicht im Einzelnen eingegangen werden muss.
Die einzelnen elektrochemischen Zellen setzen sich aus Halbzellen zusammen, die Elektroden umfassen, welche durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die Elektroden und der Separator einer Zelle sind in einen Innenraum integriert, der von wenigstens einem Zellrahmen bereitgestellt wird. Bedarfsweise kann eine Zelle auch mehrere Zellrahmen aufweisen, etwa einen Zellrahmen pro Halbzelle der elektrochemischen Zelle. Die Elektroden, der wenigstens eine Zellrahmen und der Separator werden wenigstens im Wesentlichen parallel zueinander vorgesehen. Es ergibt sich mithin eine Schichtung, die sich in einer sogenannten Stapelrichtung erstreckt. Zudem können die Zellrahmen und die Bipolarplatten zwar aus sehr unterschiedlichen Materialien gebildet werden, wobei allerdings aus Kosten- und Fertigungsgründen in einigen Fällen Zellrahmen und Bipolarplatten in Frage kommen, die wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff umfassen. Um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Biopolarplatten bereitstellen zu können, weisen die Bipolarplatten zusätzlich zu dem thermoplastischen Kunststoff vielfach noch einen elektrisch leitenden Füllstoff, etwa in Form feiner Partikel, wie beispielsweise Graphit auf.
Der Separator weist dabei einen Elektrolyten auf, wobei der Separator eine offenporig poröse Struktur aufweisen kann, in der ein flüssiger Elektrolyt aufgenommen sein kann oder durch die ein Elektrolyt hindurchströmt. Ersteres ist etwa bei nicht durchströmten Batterien der Fall, während letzteres typischerweise bei durchströmten Redox-Flow-Batterien der Fall ist. Im Falle von Redox-Flow-Batterien kann der Separator zwischen den beiden Elektroden einer Zelle zweiteilig aufgebaut sein, wobei die beiden Teile des Separators durch eine Membran, etwa aus einem Polymer, getrennt sein können, die einen Übertritt von Elektrolyt von einem Teil des Separators in den anderen Teil des Separators verhindert, einen Übertritt von Ladungsträgern in Form von Ionen jedoch ermöglicht. Vereinfacht können in einem solchen Fall die beiden Teile des Separators und die Membran als ein gemeinsamer Separator angesehen werden. Hierauf kommt es bei der vorliegenden Erfindung nämlich allenfalls bedingt an.
Bei Zellstacks mit einem monopolaren Aufbau sind die einzelnen Zellen über inerte, elektrisch nicht leitende Materialen voneinander getrennt und lediglich über Leitungen elektrisch miteinander verbunden. Bei Akkumulatoren mit einem bipolaren Aufbau werden die Zellen über elektrisch leitende Bipolarplatten voneinander getrennt. Dabei befinden sich regelmäßig auf den gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatten jeweils eine Anode und eine Kathode angrenzender Zellen. Zudem sind die Anode und die Kathode typischerweise jeweils in direktem elektrisch leitenden Kontakt mit der wenigstens einen dazwischen angeordneten Bipolarplatte.
In einigen Fällen kann der Separator selbst den Elektrolyten bereitstellen, wie dies etwa im Falle einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle der Fall ist. In solchen Brennstoffzellen ist der Separator zweigeteilt, wobei ein Teil des Separators von einem wasserstoffhaltigen Gas und der andere Teil des Separators von einem sauerstoffhaltigen Gas durchströmt wird. Der Übergang der Gase von einem Teil des Separators in den anderen Teil des Separators wird von einer Membran verhindert, die jedoch den Übergang von Ladungsträgern erlaubt. Auch hier kann die Gesamtheit der beiden Teile des Separators und der Membran als der Separator zwischen den Elektroden verstanden werden. Auf den genauen Aufbau des Separators kommt es im Zusammenhang mit der Erfindung allenfalls bedingt an. Im Falle einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle besteht die Membran aus einem Feststoffpolymer. Es können bei anderen Brennstoffzellen aber auch andere Membrane vorgesehen oder ganz auf Membrane verzichtet werden.
Aber auch elektrochemische Reaktoren in Form von Brennstoffzellen kommen nicht ohne ein Fluid aus. Hierbei handelt es sich um Arbeitsfluide in Form von durch den Separator im Anodenraum und den Separator im Kathodenraum strömenden Wasserstoff bzw. Sauerstoff enthaltende Gase. Folglich ist bei den elektrochemischen Reaktoren darauf zu achten, dass es während des Betriebs zu keinem unerwünschten Austreten von Fluid, also beispielsweise einer Leckage, kommt. Dabei ist es zunächst einmal unerheblich, ob es sich bei dem Fluid um ein Elektrolyt oder um ein Arbeitsfluid handelt.
Vor diesem Hintergrund muss bei der Herstellung eines entsprechenden elektrochemischen Reaktors für dessen Dichtheit Sorge getragen werden. Dies lässt sich erreichen, indem der Zellstack zwischen zwei Endplatten verspannt wird. Dabei werden die Zellen und/oder die Einzelteile der Zellen gegeneinander gepresst, wobei zischen den Zellen und/oder den Einzelteilen der Zellen Dichtungen vorgesehen sein können. Dies ist einerseits aufwendig und andererseits müssen die Zellen und/oder die Einzelteile der Zellen hohen mechanischen Kräften standhalten. Um dies zu vermeiden, ist bereits vorgeschlagen worden, die Zellen und/oder Einzelteile von Zellen miteinander zu verschweißen, um kleinere und effizientere Zellstacks bereitstellen zu können. Zum Verschweißen bestimmter Komponenten der Zellstacks können Heizdrähte in den Zellstack eingebracht oder Laserstrahl- und Ultraschallschweißverfahren genutzt werden. Dies ist aber mit einem recht hohen Fertigungsaufwand verbunden. Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den elektrochemischen Reaktor und das Verfahren jeweils der eingangs genannten und zuvor näher erläuterten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass elektrochemische Reaktoren einfacher und kostengünstiger gefertigt werden können.
Diese Aufgabe ist bei einem elektrochemischen Reaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der wenigstens eine Zellrahmen wenigstens einer Zelle flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung umlaufend mit wenigstens zwei in der Stapelrichtung zu beiden Seiten an den wenigstens einen Zellrahmen angrenzenden Bipolarplatten thermisch verschweißt ist.
Es ist also vorgesehen, die Bipolarplatten wenigstens einer Zelle mit wenigstens einem Zellrahmen der wenigstens einen Zelle thermisch zu verschweißen. Dabei wird durch das Verschweißen eine umlaufende Schweißnaht vorgesehen, und zwar in einer Ebene wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung des wenigstens einen Zellrahmens und der wenigstens zwei Bipolarplatten. Zudem sorgt diese umlaufende Verschweißung zwischen dem wenigstens einen Zellrahmen und den wenigstens zwei Bipolarplatten zu einem flüssigkeitsdichten bzw. gasdichten Verschluss wenigstens einer Zelle. Wenn es sich bei der Zelle um eine solche handelt, die zum bestimmungsgemäßen Betrieb von einem Fluid durchströmt wird oder der zum bestimmungsgemäßen Betrieb ein Fluid zugeführt wird, ist die angesprochene Flüssigkeitsdichtheit in Bezug auf die entsprechende Verschweißung und nicht zwingend auf die Zelle als solche zu verstehen. Mit anderen Worten, es sollen unerwünschte Leckagen vermieden werden. Ein gewünschter Zustrom und/oder Abfluss von wenigstens einem Fluid sollte dadurch aber nicht blockiert werden. Bei dem wenigstens einen Fluid kann es sich um ein Arbeitsfluid oder Elektrolyt handeln.
Wenn zwischen benachbarten Bipolarplatten nur ein Zellrahmen vorgesehen ist, wird dieser Zellrahmen vorzugsweise mit den beiden Bipolarplatten umlaufend verschweißt sein. Wenn zwischen benachbarten Bipolarplatten mehrere Zellrahmen vorgesehen sind, ist jede der Bipolarplatten umlaufend mit einem anderen Zellrahmen verschweißt. Zudem bietet es sich dann an, wenn auch die aneinandergrenzenden Zellrahmen einer Zelle miteinander verschweißt sind. Zwingend erforderlich ist dies jedoch nicht. Ebenso ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Biopolarplatten auf gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatten mit zwei Zellrahmen benachbarter Zellen verschweißt sind. Bevorzugt ist dies aber unter Umständen ebenso wie das Verschweißen zweier Bipolarplatten zwischen zwei angrenzenden Zellen, wobei die beiden Bipolarplatten dann wiederum mit jeweils einem Zellrahmen der benachbarten Zellen verschweißt sein können.
Die genannte Aufgabe ist ferner nach Anspruch 8 gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors, insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox- Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
- bei dem wenigstens zwei Elektroden und ein einen Elektrolyt bereitstellender Separator in einen Innenraum wenigstens eines wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Zellrahmens eingebracht werden,
- bei dem an den von dem Separator wegweisenden Seiten der Elektroden jeweils wenigstens eine wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisende Bipolarplatte vorgesehen wird und
- bei dem die Bipolarplatten und der wenigstens eine Zellrahmen flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung der Elektroden, der Biopolarplatten und des Separators umlaufend zu einer Zelle thermisch verschweißt werden.
Verfahrensmäßig werden zunächst wenigstens zwei Elektroden und ein Separator in einem von wenigstens einem Zellrahmen einer Zelle bereitgestellten Innenraum eingebracht. Dabei stellt auch hier der Separator den Elektrolyt bereit. Zu beiden voneinander wegeweisenden Seiten der Elektroden, also den Außenseiten der Zelle zugewandt, wird zudem jeweils eine Bipolarplatte vorgesehen, wobei die Bipolarplatten ebenso wie der wenigstens eine Zellrahmen der wenigstens einen Zelle einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Der wenigstens eine Zellrahmen, die Elektroden, der Separator und die beiden Bipolarplatten sind dann wenigstens im Wesentlichen in zueinander parallelen Ebenen zueinander ausgerichtet. Der wenigstens eine Zellrahmen, die Elektroden, der Separator und die beiden Bipolarplatten bilden so eine Stapelrichtung, die wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu diesen parallelen Ebenen ausgerichtet ist. Umlaufend um diese Stapelrichtung oder wenigstens im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Stapelrichtung werden die Bipolarplatten mit dem wenigstens einen Zellrahmen thermisch verschweißt ln dem verschweißten Bereich wird somit eine Zelle mit einer flüssigkeitsdichten Verbindung zwischen den Bipolarplatten und dem wenigstens einen Zellrahmen erhalten.
Nachfolgend werden der elektrochemische Reaktor und das Verfahren zu seiner Herstellung zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen und der besseren Verständlichkeit halber gemeinsam beschrieben, ohne jeweils im Einzelnen zwischen dem Reaktor und dem Verfahren zu unterscheiden. Für den Fachmann ergibt sich aus dem jeweiligen Kontext jedoch, welches Merkmal in Bezug auf den Reaktor und das Verfahren jeweils besonders bevorzugt sein wird.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des elektrochemischen Reaktors sind die Zellrahmen wenigstens eines Moduls aus mehreren aneinander angrenzenden Zellen flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung umlaufend verschweißt. Es ist dabei mehrfach zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten wenigstens ein Zellrahmen vorgesehen, wobei die Bipolarplatten mit den angrenzenden Zellrahmen verschweißt werden, und zwar jeweils umlaufend in einer wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichteten Ebene. Hierbei ist der Begriff der Ebene aber nicht zwingend im Sinne einer vollständig ebenen Fläche zu verstehen. Die Ebene kann auch als eine Schicht mit einer nennenswerten Ausdehnung in der Stapelrichtung verstanden werden. Da in einer idealen Ausgestaltung aber tatsächlich wenigstens im Wesentlichen nahezu von einer Ebene im mathematischen Sinne gesprochen werden kann, wird vorliegend der Einfachheit halber und zum besseren Verständnis von einer Ebene gesprochen. Sofern zwei Bipolarplatten aneinandergrenzen, ohne dass zwischen den beiden Bipolarplatten ein Zellrahmen vorgesehen ist, können auch die Bipolarplatten durch das thermische Verschweißen miteinander verbunden werden. Auf die genannte Weise können mehrere Zellen einfach, zuverlässig und schnell zu einem flüssigkeitsdichten bzw. gasdichten, also leckagefreien, Modul aus mehreren aneinander angrenzenden Zellen verbunden werden.
Besonders zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang, hinsichtlich des Fertigungsaufwands, wenn die Zellrahmen des gesamten Zellstacks aus mehreren aneinander angrenzenden Zellen flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung umlaufend thermisch mit angrenzenden Bipolarplatten verschweißt sind. Dann sind wiederholt zwei Bipolarplatten jeweils mit wenigstens einem dazwischen vorgesehenen Zellrahmen verschweißt. Die entsprechenden Bipolarplatten können dabei auf einander gegenüberliegenden Seiten mit dort jeweils angrenzenden Zellrahmen verschweißt sein. Es können im Verbindungsbereich zweier Zellen jeweils zwei Bipolarplatten aneinander anliegen. Dann werden diese aneinander anliegenden Bipolarplatten vorzugsweise jeweils miteinander verbunden. Auf diese Weise kann einfach, schnell und zuverlässig der gesamte Zellstack in einem einzigen Verfahrensschritt verschweißt werden, um so eine unerwünschte Leckage des Zellstacks zu vermeiden.
Unabhängig davon, ob die Zellrahmen und Bipolarplatten einzelner Zellen, einzelner Module von Zellstacks oder ganzer Zellstacks miteinander verschweißt sind, bietet es sich an, wenn die jeweiligen Zellrahmen und die jeweiligen Bipolarplatten durch Wärmekontaktsiegeln umlaufend miteinander thermisch verschweißt sind. Dies ist sehr einfach, sowie schnell und zuverlässig möglich. Aus diesen Gründen bietet es sich dann weiter an, wenn die jeweiligen Zellrahmen und die jeweiligen Bipolarplatten durch einen gleichzeitigen, umlaufenden Kontakt mit wenigstens einem Wärmekontaktsiegelwerkzeug umlaufend miteinander thermisch verschweißt sind. Andernfalls müssen unterschiedliche Seiten der jeweiligen Zellrahmen und jeweiligen Bipolarplatten nacheinander durch dasselbe Wärmekontaktsiegelwerkzeug oder unterschiedliche Wärmekontaktsiegelwerkzeuge verschweißt werden, um eine umlaufende Verschweißung der jeweiligen Zellrahmen und jeweiligen Bipolarplatten bereitstellen zu können. Es sind dann also mehrere Verschweißschritte erforderlich. Dies entfällt vorteilhafterweise bei einer gleichzeitigen umlaufenden Verschweißung der jeweiligen Zellrahmen und jeweiligen Bipolarplatten.
Um eine zuverlässige und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den jeweiligen Zellrahmen und jeweiligen Bipolarplatten zu erhalten, ist es besonders zweckmäßig, wenn die jeweiligen Zellrahmen und die jeweiligen Bipolarplatten beim Verschweißen miteinander jeweils wenigstens teilweise aufgeschmolzen worden sind. Die angrenzenden Bipolarplatten und Zellrahmen gehen so eine innige stoffschlüssige Verbindung ein.
Eine zuverlässige und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den jeweiligen Zellrahmen und jeweiligen Bipolarplatten kann alternativ oder zusätzlich auch erhalten werden, wenn die jeweiligen Zellrahmen und die jeweiligen Bipolarplatten wenigstens einen gemeinsamen Kunststoff aufweisen. Wenn die Bipolarplatten wenigstens einen Kunststoff aufweisen, der auch in dem wenigstens einen Zellrahmen vorgesehen ist, kommt es zu einem innigen stoffschlüssigen Kontakt wenigstens des wenigstens einen gleichen Kunststoffs des jeweiligen wenigstens einen Zellrahmens und der jeweiligen Bipolarplatten.
Wenn wenigstens die mit den angrenzenden Zellrahmen verschweißten Bipolarplatten mit ihren umlaufenden Rändern bis an die Mantelfläche das Zellstacks heranreichen, sind die Bipolarplatten einfach von außen zugänglich. Auf diese Weise können beispielsweise die Einzelspannungen der einzelnen Zellen des Zellstacks erfasst und überwacht werden. Unabhängig davon kann so auch bedarfsweise die Wärmeabfuhr aus dem Zellstack verbessert werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Ränder der Bipolarplatten thermisch mit Kühlelementen verbunden sind. Alternativ kann die Mantelfläche des Zellstacks wenigstens abschnittsweise durch die mit den jeweiligen Bipolarplatten thermisch verschweißten jeweiligen Zellrahmen gebildet sein. Dann wird die Gefahr einer unerwünschten Leckage weiter vermindert, weil die Bipolarplatten dann umlaufend von den angrenzenden Zellrahmen umschlossen sein können. Derselbe Effekt lässt sich alternativ oder zusätzlich dadurch erreichen, dass die Zellrahmen gegenüber den Bipolarplatten vorstehen, mit denen die Zellrahmen verschweißt sind. Dabei stehen die Zellrahmen der Einfachheit halber insbesondere umlaufend zu den Bipolarplatten und/oder den Zellrahmen gegenüber den Bipolarplatten nach außen vor.
Um möglichst kleine und effiziente Zellstacks bereitstellen zu können, bietet es sich an, wenn die umlaufende, durch das thermische Verschweißen bereitgestellte Schweißnaht zwischen den Zellrahmen und den Bipolarplatten eine Dicke senkrecht zur Stapelrichtung von weniger als 3 mm, weniger als 2 mm oder weniger als 1 mm aufweist. In der Stapelrichtung kann die Schweißnaht eine Erstreckung aufweisen, die wenigstens im Wesentlichen der Erstreckung der Zelle, des Moduls eines Zellstacks oder des Zellstacks selbst entspricht.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden jeweils mehrfach wenigstens zwei Elektroden und ein einen Elektrolyt bereitstellender Separator in einen Innenraum wenigstens eines Zellrahmens eingebracht, wobei der Zellrahmen wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweist. Dabei werden die Grundlagen für den Aufbau von mehreren elektrochemischen Zellen gelegt. Zum Vervollständigen der Zellen werden jeweils an den jeweils von dem Separator wegweisenden Seiten der Elektroden Bipolarplatten vorgesehen, wobei an jeder der Seiten wenigstens eine Bipolarplatte vorgesehen wird. Dieses Anbringen der Bipolarplatten wird mehrfach durchgeführt, um die mehreren Zellen mit Bipolarplatten auszurüsten. Zudem weisen auch diese mehreren Bipolarplatten jeweils wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff auf. Anschließend werden bei diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens die jeweiligen Bipolarplatten und die jeweiligen Zellrahmen untereinander flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung der Elektroden, der Biopolarplatten und des Separators umlaufend verschweißt. Auf diese Weise wird ein Modul umfassend eine Mehrzahl von in der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Zellen erzeugt, und zwar durch thermisches Verschweißen von Bipolarplatten und Zellrahmen. Für den Fall, dass bei benachbarten Zellen jeweils zu angrenzenden Zellen gehörende Bipolarplatten aneinander angrenzen, können auch Bipolarplatten untereinander thermisch verschweißt werden. Die Biolarplatten können aber auch so mit den Zellrahmen gestapelt werden, dass eine Bipolarplatte stets mit wenigstens einem Zellrahmen, die Bipolarplatten aber nicht miteinander verschweißt werden. Jede Zelle für sich ist dann vorzugsweise leckagefrei.
Zur Vervollständigung des elektrochemischen Reaktors können einfach und flexibel mehrere derart hergestellte Module zu einem Zellstack gestapelt und zwischen gegenüberliegende Endplatten positioniert werden. Alternativ oder zusätzlich kann zwischen wenigstens zweier derart hergestellter Module des Zellstacks eine Kühlplatte zur Kühlung des Zellstacks vorgesehen werden. Die Kühlplatte kann dabei bevorzugt Kühlrippen auf weisen und/oder von einem Kühlmedium durchströmt werden, um Wärme aus dem Zellstack abzuführen. Die Kühlplatte kann gleichzeitig als Bipolarplatte dienen und/oder mit wenigstens einer angrenzenden Bipolarplatte verschweißt sein.
Um ein Verspannen von Modulen entbehrlich werden zu lassen, können die Module eines Zellstacks und bedarfsweise noch etwaig vorgesehene Kühlplatten untereinander zu einem gemeinsamen Zellstack thermisch verschweißt werden. Auf diese Weise wird die Herstellung des Zellstacks vereinfacht und werden die Herstellungskosten gesenkt.
Ein Zellstack aus einer Mehrzahl separater Zellen und/oder aus wenigstens einem Modul kann alternativ oder zusätzlich zwischen gegenüberliegende Endplatten positioniert werden, um den elektrochemischen Reaktor zu vervollständigen. Dabei können bevorzugt zwischen den Endplatten und den angrenzenden Zellen oder dem wenigstens einen angrenzenden Modul jeweils eine Ableiterplatte vorgesehen werden. An diese Ableiterplatten kann dann ein äußerer Stromkreis angeschlossen werden, um an den elektrochemischen Reaktor eine äußere Spannung anzulegen oder an dem elektrochemischen Reaktor eine Spannung abzugreifen und einem Verbraucher zuzuführen.
Wenn die Endplatten, vorzugsweise über die Ableiterplatten, mit den jeweils angrenzenden Zellen oder Modulen verschweißt werden, kann eine Verspannung des elektrochemischen Reaktors entfallen und werden die Bauteile des elektrochemischen Reaktors nicht mit den entsprechenden Klemmkräften belastet. Dies ist nicht nur dienlich für die Langlebigkeit des Zellstacks, sondern auch für eine Reduzierung der H erstellungskosten.
Besonders bevorzugt ist es, wenn wenigstens ein Vorgang des thermischen Verschweißens im Wege des Wärmekontaktsiegels mit wenigstens einem beheizten Wärmekontaktsiegelwerkzeug durchgeführt wird. Dies ist einfach und zugleich sehr zuverlässig. Dabei können die Herstellungskosten weiter gesenkt werden, wenn das Verschweißen, insbesondere in einem einzigen Arbeitsschritt, durch einen gleichzeitigen, umlaufenden Kontakt mit dem wenigstens einen Wärmekontaktsiegelwerkzeug durchgeführt wird.
Wenn der thermoplastische Kunststoff der mit den Bipolarplatten verschweißten Zellrahmen und der thermoplastische Kunststoff der mit den Zellrahmen verschweißten Bipolarplatten beim thermischen Verschweißen miteinander wenigstens teilweise aufgeschmolzen werden, kann eine besonders zuverlässige und langlebige Verbindung zwischen den Bipolarplatten und den Zellrahmen bereitgestellt werden. Dies gilt alternativ oder zusätzlich auch, wenn wenigstens ein Kunststoff des wenigstens einen Zellrahmens auch in den Bipolarplatten enthalten ist. Der identische Kunststoff verbindet sich dann zuverlässig zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem wenigstens einen Zellrahmen und den Bipolarplatten. Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert ln der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Reaktor in einer schematischen Schnittansicht quer zur Stapelrichtung der Zellen des Akkumulators,
Fig. 2A-C ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors in einer schematischen Schnittansicht und
Fig. 3A-C ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors in einer schematischen Schnittansicht ln der Fig. 1 ist ein elektrochemischer Reaktor 1 mit einem bipolaren Aufbau in einer Schnittansicht von der Seite dargestellt. Dabei umfasst der Akkumulator 1 einen Stapel (Zellstack Z) von einzelnen Zellen 2, die in einer Stapelrichtung R nebeneinander angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Zellen 2 sind jeweils Bipolarplatten 3,4 vorgesehen, die an einer Seite an einer negativen Elektrode 5 einer Zelle 2 anliegen und an der gegenüberliegenden Seite an einer positiven Elektrode 6 einer angrenzenden Zelle 2 anliegen. Dabei kann eine Bipolarplatte 4 bedarfsweise als eine Kühlplatte ausgebildet sein, welche Kühlrippen zum Abführen von im Akkumulator 1 entstehender Wärme aufweist. Auf die Bipolarplatten 4 in Form von Kühlplatten kann bedarfsweise aber auch verzichtet werden. An den beiden gegenüberliegenden Enden des elektrochemischen Reaktors 1 ist jeweils eine Endplatte 7,8 mit innenliegenden, elektrisch leitfähigen Ableiterplatten 9 vorgesehen, wobei an der Ableiterplatte 9 der linken Endplatte 7 eine negative Elektrode 5 anliegt und an der Ableiterplatte 9 der rechten Endplatte 8 eine positive Elektrode 6 anliegt. Die Ableiterplatten 9 sind an nicht dargestellte elektrische Leitungen angeschlossen, über die der elektrochemische Reaktor 1 je nach seiner Art beispielsweise entladen und wieder geladen werden kann. Eine jede Zelle 2 umfasst zwei Elektroden 5,6 die über einen zwischen den Elektroden 5,6 angeordneten Separator 10 voneinander getrennt sind. Der Separator 10 stellt einen Elektrolyten 11 bereit, der je nach dem elektrochemischen Reaktor 1 als separate flüssige und/oder gasförmige Phase in dem Separator 10 aufgenommen sein kann oder einen Bestandteil des Separators 10 bilden kann. Zudem sind um die Elektroden 5,6 und den Separator 10 herum Zellrahmen 12 angeordnet, die bei dem links dargestellten Abschnitt des elektrochemischen Reaktors 1 mit den jeweils angrenzenden Bipolarplatten 3,4 thermisch zu einer flüssigkeitsdichten bzw. gasdichten Zelle 2 verschweißt worden sind. Die Zellrahmen 12 bilden somit einen Innenraum zur Aufnahme der Elektroden 5,6 und des Separators 10.
Ja nach der Art des elektrochemischen Reaktors 1 müssen den Zellen 2 wenigstens ein flüssiger Elektrolyt 11 und/oder wenigstens ein flüssiges und/oder gasförmiges Arbeitsmedium zugeführt werden ln einem solchen Fall versteht es sich, dass die durch thermisches Verschweißen bereitgestellte stoffschlüssige Verbindung zwischen den Zellrahmen 12 und den Bipolarplatten 3,4 flüssigkeitsdicht oder gasdicht ausgeführt ist, um eine unbeabsichtigte Leckage zu vermeiden. Den Zellen 2 kann dann aber auf andere Weise wenigstens ein flüssiger Elektrolyt 11 und/oder wenigstens ein flüssiges und/oder gasförmiges Arbeitsmedium zugeführt werden. Dies ist aus dem Stand der Technik für die jeweiligen Arten der elektrochemischen Reaktoren 1 bekannt und beschrieben, so dass hierauf nicht weiter eingegangen werden braucht.
Bei dem links dargestellten Abschnitt des elektrochemischen Reaktors 1 sind die Zellen 2 so aufeinander gestapelt, dass die Bipolarplatten 3,4 angrenzender Zellen 2 aneinander anliegen. Mit anderen Worten sind zwischen zwei Zellrahmen 12 jeweils zwei Bipolarplatten 3,4 vorgesehen. Die Zellen 2, also die angrenzenden Bipolarplatten 3,4, des links dargestellten Abschnitts des elektrochemischen Reaktors 1 können beispielsweise jeweils miteinander verschweißt sein oder durch eine nicht dargestellte, äußere Klemmvorrichtung miteinander verspannt sein. Im Falle des Verspannens reicht es aus, wenn die Zellen 2 bzw. die angrenzenden Bipolarplatten 3,4 aneinander anliegen. Eine zusätzliche Verbindung der Zellen 2 untereinander ist dann entbehrlich. Ein Verschweißen der Zellen 2 wäre hierbei trotzdem grundsätzlich bevorzugt, weil dann die äußere Klemmvorrichtung entfallen kann. Das Verschweißen der Zellen 2 untereinander kann beispielsweise erfolgen, indem die angrenzenden Zellrahmen 12 und/oder die angrenzenden Bipolarplatten 3,4 der angrenzenden Zellen 2 miteinander verschweißt werden.
Bei dem rechts dargestellten Abschnitt des elektrochemischen Reaktors 1 sind die Zellen 2 auf eine andere Weise miteinander gestapelt und miteinander verbunden. Dabei können die links und rechts dargestellten Abschnitte des elektrochemischen Reaktors 1 in einem einzigen elektrochemischen Reaktor 1 miteinander kombiniert werden. Regelmäßig wird es aber bevorzugt sein, wenn der elektrochemische Reaktor 1 entweder wie links dargestellt oder wie rechts dargestellt aufgebaut ist.
Bei dem rechts dargestellten Abschnitt des elektrochemischen Reaktors 1 sind immer mehrere Zellen 2 des Akkumulators 1 in der Stapelrichtung R gestapelt und zu einem Modul M verbunden, das jeweils für sich flüssigkeitsdicht bzw. gasdicht verschlossen ist. Die entsprechende Dichtheit bezogen auf Flüssigkeiten oder Gase wird wie zuvor bereits diskutiert nicht zwingend als absolute Dichtheit der Module M in Bezug auf Flüssigkeiten oder Gase verstanden. Ob beispielsweise flüssige Elektrolyte 11 und/oder flüssige und/oder gasförmige Arbeitsfluide in die Zellen 2 und wieder heraus gelangen können, hängt von der Art des elektrochemischen Reaktors 1 ab. Es kommt aber trotzdem an den verschweißten Bereichen der Module M nicht zu einer unbeabsichtigten Leckage von Flüssigkeit oder Gasen.
Bei den einzelnen Modulen M sind die Zellen 2 prinzipiell wie in dem links dargestellten Abschnitt des elektrochemischen Reaktors 1 aufgebaut. Im Unterschied dazu ist aber zwischen den angrenzenden Zellrahmen 12 der angrenzenden Zellen 2 jeweils lediglich eine Bipolarplatte 3 vorgesehen, die jeweils mit den beiden an die Bipolarplatte 3 angrenzenden Zellrahmen 12 umlaufend verschweißt worden ist. Nur an den Stellen, an denen zwei Module M aufeinandergestapelt sind, sind zwei aneinandergrenzende Bipolarplatten 3 vorgesehen, die jeweils angrenzenden Zellen 2 der angrenzenden Module M abschließen. Es kann auch vorgesehen sein, dass in wenigstens einem Modul M zwischen zwei Zellen 2 des Moduls M eine Bipolarplatte 4 in Form einer Kühlplatte vorgesehen ist. Einfacher in der Herstellung kann es aber bedarfsweise sein, wenn eine Bipolarplatte 4 in Form einer Kühlplatte zwischen zwei Modulen M vorgesehen ist, wobei die Bipolarplatte 4 in Form einer Kühlplatte dann zwischen zwei andere endständige Bipolarplatten 3 der angrenzenden Module M oder als eine der endständigen Bipolarplatten 3,4 der angrenzenden Module M vorgesehen sein kann. Die so gebildeten Module M können bedarfsweise der Reihe nach zu einem Zellstack Z des elektrochemischen Reaktors 1 gestapelt werden, wobei zwischen zwei Modulen M jeweils wenigstens zwei Bipolarplatten 3,4 in Anlage aneinander gelangen können. Die äußeren Bipolarplatten 3 der äußeren Module M können dann an Ableiterplatten 9 in Anlage gelangen, an die sich dann die Endplatten 7,8 des Akkumulators 1 anschließen.
Die Module M eines elektrochemischen Reaktors 1 können, wie dies bereits für die Zellen 2 beschrieben worden ist, durch mechanisches Verspannen über eine äußere Klemmvorrichtung gegeneinander gehalten werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, die angrenzenden Bipolarplatten 3,4 und/oder die angrenzenden Zellrahmen 12 der angrenzenden Module M thermisch miteinander zu verschweißen. Bedarfsweise kann auch der gesamte Zellstack Z eines elektrochemischen Reaktors 1 aus einem solchen Modul M gebildet sein. Es ist dann nicht erforderlich, mehrere Module M aufeinanderzustapeln. Es kann dann allerdings erforderlich sein, das eine Modul M mit einer größeren Anzahl an Zellen 2 auszubilden.
Unabhängig davon, ob eine Zelle 2 ein Teil eines Moduls M bildet oder nicht, ist es bevorzugt aber nicht zwingend, wenn die Zellen 2 einen einzigen Zellrahmen 12 aufweisen. Denkbar ist es aber auch, dass die Zellen 2 eine Mehrzahl von in der Stapelrichtung R nebeneinander angeordneten Zellrahmen 12 aufweisen. Beispielsweise kann jede Halbzelle einem anderen Zellrahmen 12 zugeordnet sein. Die mehreren Zellrahmen 12 der jeweiligen Zellen 2 können dabei in direkter Anlage aneinander sein. Zwingend ist aber auch dies nicht. Beispielsweise können die Zellrahmen 12 über den Separator 3,4 voneinander beabstandet sein.
Es können also bedarfsweise angrenzende Paare einer Bipolarplatte 3,4 und eines Zellrahmens 12 verschweißt sein. Es kann aber auch eine Bipolarplatte 3,4 mit zwei angrenzenden Zellrahmen 12 oder sowohl mit einem angrenzenden Zellrahmen 12 als auch mit einer an der gegenüberliegenden Seite angrenzenden Bipolarplatte 3,4 verschweißt sein.
Der Einfachheit halber sind die Separatoren 10 als ein Bauteil dargestellt. Je nach der Art des elektrochemischen Reaktors 1 können die Separatoren 10 aber separate Teile aufweisen, die den gegenüberliegenden Elektroden 5,6 zugeordnet und bedarfsweise zusätzlich durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind.
In den Fig. 2A-C sind die Schritte einer möglichen Art der Herstellung eines Moduls M eines Zellstacks Z schematisch dargestellt. Zunächst werden in der Stapelrichtung R die Elektroden 5,6, die Bipolarplatten 3, die Separatoren 10 und die Zellrahmen 12 gestapelt. Dabei werden die Elektroden 5,6 und die Separatoren 10 in einem Innenraum 13 des jeweiligen Zellrahmens 12 aufgenommen. In dem in der Fig. 2A dargestellten Ausführungsbeispiel stehen die Zellrahmen 12 gegenüber den zwischen den Zellrahmen 12 vorgesehenen Bipolarplatten 3 umlaufend nach außen vor. Dies wäre nicht zwingend erforderlich, kann aber grundsätzlich die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Zellen 2 oder Bipolarplatten 3 verringern. Die Bipolarplatten 3 sind dann nämlich durch die Zellrahmen voneinander getrennt. Gleichzeitig in hohem Maße dichte Zellstacks Z erzielt werden. In einem solchen Falle sind die Bipolarplatten 3 aber nicht ohne Weiteres von außen zugänglich, um beispielsweise Potentialdifferenzen zwischen den Bipolarplatten 3 zu ermitteln, da die Bipolarplatten 3 von außen von den Zellrahmen 12 verdeckt sind. Nachdem die Einzelteile des Moduls M eines Zellstacks Z gestapelt worden sind, erfolgt ein Fügeprozess, bei dem die Zellrahmen 12 und die Bipolarplatten 3 umlaufend miteinander verschweißt werden.
Wie dies in der Fig. 2B dargestellt ist, werden von außen vier beheizte Platten 14 eines Wärmekontaktsiegelwerkzeugs 15 gleichzeitig an den Stapel eines Moduls M eines Zellstacks Z herangefahren und mit dem Stapel in Kontakt gebracht. Dabei schmelzen oder erweichen die umlaufenden Ränder der Zellrahmen 12 und der Bipolarplatten 3 wenigstens teilweise und gehen im Wege des Wärmekontaktsiegels eine stoffschlüssige Verbindung ein. Andernfalls könnte es zu Leckagen, also zu einem Übertritt von Elektrolyt von einer Zelle zu einer angrenzenden Zelle, kommen, was beispielsweise zu einem Elektrolytungleichgewicht oder gar zu einem Austrocknen von einzelnen Zellen führen kann. Nachdem die beheizten Platten 14 des Wärmekontaktsiegelwerkzeugs 15 wieder entfernt worden sind, sind die Zellrahmen 12 und die Bipolarplatten 3 des Moduls M durch eine Schweißnaht 16 eines Zellstacks Z miteinander verschweißt. Die Schweißnaht 16 ist dabei wenige Millimeter stark und erstreckt sich umlaufend und wenigstens im Wesentlichen über die gesamte Längs erstreckung des Moduls M in der Stapelrichtung R. Mit anderen Worten ist die Mantelfläche 17 des Moduls M wenigstens im Wesentlichen über dessen gesamte Höhe aufgeschmolzen oder erweicht und anschließend wieder erstarrt. ln den Fig. 3A-C sind die Schritte einer anderen möglichen Art der Herstellung eines Moduls M eines Zellstacks Z schematisch dargestellt. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Verfahren gemäß Fig. 2A-C liegt dabei darin, dass die beheizten Platten 14 des Wärmekontaktsiegelwerkzeugs 15 nicht eben sind, sondern stattdessen Rippen 18 aufweisen. Der Abstand der Rippen 18 entspricht dabei wenigstens im Wesentlichen dem Abstand der über wenigstens einen Zellrahmen 12 beabstandeten Bipolarplatten 3. Wie dies in der Fig. 3B dargestellt ist, werden die beheizten Platten 14 des Wärmekontaktsiegelwerkzeugs 15 im Wege des Wärmekontaktsiegeins umlaufend so in Kontakt mit dem Stapel aus Zellrahmen 12, Separatoren 10, Elektroden 5,6 und Bipolarplatten 3 gebracht, dass die Rippen 17 den Bipolarplatten 3 zugeordnet sind. Die Bipolarplatten 3 und die Zellrahmen 12 schmelzen dabei teilweise auf oder erweichen umlaufend, so dass die Bipolarplatten 3 mit den Zellrahmen 12 verschweißt werden und mithin eine stoffschlüssige Verbindung im Sinne einer Schweißnaht 16 bilden. Wie dies in der Fig. 3C dargestellt ist, reichen die Bipolarplatten 3 dabei allerdings anders als nach dem Verschweißen in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2C bis an die Mantelfläche 17 des Moduls M heran. Mithin kann von außen ein elektrischer Kontakt mit den Bipolarplatten 3 hergestellt werden, um etwa die jeweiligen Potentiale der Bipolarplatten 3 zu erfassen. Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, dass sich die Bipolarplatten 3 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2A-C soweit nach außen erstrecken, wie die Zellrahmen 12. Dann könnte ein Verschweißen mit ebenen beheizten Platten 14 des Wärmekontaktsiegel Werkzeugs 15 erfolgen, so dass die Bipolarplatten 3 von außen zugänglich bleiben.
Bezugszeichenliste
1 elektrochemischer Reaktor
2 Zelle
3 Bipolarplatte
4 Bipolarplatte
5 Elektrode
6 Elektrode
7 Endplatte
8 Endplatte
9 Ableiterplatte
10 Separator
11 Elektrolyt
12 Zellrahmen
13 Innenraum
14 beheizte Platte
15 Wärmekontaktsiegelwerkzeug
16 Schweißnaht
17 Mantelfläche
18 Rippe
M Modul
R Stapelrichtung
Z Zellstack

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemischer Reaktor (1), insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox-Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, mit einem Zellstack (Z) aus einer Mehrzahl von jeweils über wenigstens eine Bipolarplatte (3,4) getrennten und in einer Stapelrichtung (R) gestapelten Zellen (2), wobei die Zellen (2) jeweils zwei Elektroden (5,6), einen zwischen den beiden Elektroden (5,6) angeordneten, einen Elektrolyt (11) bereitstellenden Separator (10) aufweisen, wobei die Elektroden (5,6) und der Separator (10) der Zellen (2) jeweils in einem Innenraum (13) wenigstens eines Zellrahmens (12) aufgenommen sind und wobei die wenigstens einen Bipolarplatten (3,4) und die wenigstens einen Zellrahmen (12) jeweils wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der wenigstens eine Zellrahmen (12) wenigstens einer Zelle (2) flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung (R) umlaufend mit wenigstens zwei in der Stapelrichtung (R) zu beiden Seiten an den wenigstens einen Zellrahmen (12) angrenzenden Bipolarplatten (3,4) thermisch verschweißt ist.
2. Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Zellrahmen (12) wenigstens eines Moduls (M) aus mehreren aneinander angrenzenden Zellen (2) flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung (R) umlaufend jeweils mit wenigstens zwei in der Stapelrichtung (R) zu beiden Seiten an die jeweiligen Zellrahmen (12) angrenzenden Bipolarplatten (3,4) thermisch verschweißt sind.
3. Elektrochemischer Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Zellrahmen (12) des gesamten Zellstacks (Z) aus mehreren aneinander angrenzenden Zellen (2) flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung (R) umlaufend jeweils mit wenigstens zwei in der Stapelrichtung (R) zu beiden Seiten an die jeweiligen Zellrahmen (12) angrenzenden Bipolarplatten (3,4) thermisch verschweißt sind.
4. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die jeweiligen Zellrahmen (12) und die jeweiligen Bipolarplatten (3,4) durch Wärmekontaktsiegeln umlaufend miteinander thermisch verschweißt sind und dass, vorzugsweise, die jeweiligen Zellrahmen (12) und die jeweiligen Bipolarplatten (3,4) durch einen gleichzeitigen, umlaufenden Kontakt mit wenigstens einem Wärmekontaktsiegelwerkzeug (15) umlaufend miteinander thermisch verschweißt sind.
5. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die jeweiligen Zellrahmen (12) und die jeweiligen Bipolarplatten (3,4) beim Verschweißen miteinander jeweils wenigstens teilweise aufgeschmolzen worden sind und/oder dass die jeweiligen Zellrahmen (12) und die jeweiligen Bipolarplatten (3,4) wenigstens einen gemeinsamen Kunststoff aufweisen.
6. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s wenigstens die mit Zellrahmen (12) verschweißten Bipolarplatten (3,4) mit ihren umlaufenden Rändern bis an die Mantelfläche (17) das Zellstacks (Z) heranreichen oder dass die Mantelfläche (17) des Zellstacks (Z) wenigstens abschnittsweise durch die mit den jeweiligen Bipolarplatten (3,4) thermisch verschweißten jeweiligen Zellrahmen (12) gebildet ist oder die Zellrahmen (12) umlaufend nach außen gegenüber den mit den Zellrahmen (12) verschweißten Bipolarplatten (3) vorstehen.
7. Elektrochemischer Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die umlaufende Schweißnaht (16) zwischen den Zellrahmen (12) und den Bipolarplatten (3,4) eine Dicke senkrecht zur Stapelrichtung von weniger als 3 mm, weniger als 2 mm oder weniger als 1 mm aufweist.
8. Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Reaktors (1), insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Redox- Flow-Batterie, Akkumulator oder Batterie, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem wenigstens zwei Elektroden (5,6) und ein einen Elektrolyt (11) bereitstellender Separator (10) in einen Innenraum (13) wenigstens eines wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Zellrahmens (12) eingebracht werden, bei dem an den von dem Separator (10) wegweisenden Seiten der Elektroden (5,6) jeweils wenigstens eine wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisende Bipolarplatte (3,4) vorgesehen wird und bei dem die Bipolarplatten (3,4) und der wenigstens eine Zellrahmen (12) flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung (R) der Elektroden (5,6), der Biopolarplatten (3,4) und des Separators (10) umlaufend zu einer Zelle (2) thermisch verschweißt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem jeweils mehrfach wenigstens zwei Elektroden (5,6) und ein einen Elektrolyt (11) bereitstellender Separator (10) in einen Innenraum (13) wenigstens eines wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Zellrahmens (12) eingebracht werden, bei dem jeweils mehrfach an den jeweils von dem Separator (10) wegweisenden Seiten der Elektroden (5,6) jeweils wenigstens eine wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisende Bipolarplatte (3,4) vorgesehen wird und bei dem die Bipolarplatten (3,4) und die Zellrahmen (12) untereinander flüssigkeitsdicht und jeweils wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung (R) der Elektroden (5,6), der Biopolarplatten (3,4) und des Separators (10) umlaufend zu einem Modul (M) aus mehreren aufeinandergestapelten Zellen (2) thermisch verschweißt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem mehrere Module (M) zu einem Zellstack (Z) gestapelt und zwischen gegenüberliegende Endplatten (7,8) positioniert werden und bei dem, vorzugsweise, zwischen wenigstens zwei Modulen (M) des Zellstacks (Z) eine Bipolarplatte (4) in Form einer Kühlplatte zur Kühlung des Zellstacks (Z) vorgesehen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Module (M) des Zellstacks, vorzugsweise über die wenigstens eine Kühlplatte, .untereinander zu einem Zellstack thermisch verschweißt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem ein Zellstack (12) aus einer Mehrzahl separater Zellen (2) und/oder aus wenigstens einem Modul (M) zwischen gegenüberliegende Endplatten positioniert (7,8) wird und bei dem, vorzugsweise, zwischen den Endplatten (7,8) und den angrenzenden Zellen (2) oder dem wenigstens einen angrenzenden Modul (M) jeweils eine Ableiterplatte (9) vorgesehen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Endplatten (7,8), vorzugsweise über die Ableiterplatten (9), mit den jeweils angrenzenden Zellen (2) oder Modulen (M) verschweißt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem der wenigstens eine Vorgang des thermischen Verschweißens im Wege des Wärmekontaktsiegeins mit wenigstens einem beheizten Wärmekontaktsiegelwerkzeug (15) durchgeführt wird und bei dem, vorzugsweise, das Verschweißen durch einen gleichzeitigen, umlaufenden
Kontakt mit dem wenigstens einen Wärmekontaktsiegelwerkzeug (15) durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem der thermoplastische Kunststoff der mit den Bipolarplatten (3,4) versschweißten Zellrahmen (12) und der thermoplastische Kunststoff der mit den Zellrahmen (12) verschweißten Bipolarplatten (3,4) beim thermischen Verschweißen miteinander wenigstens teilweise aufgeschmolzen werden.
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