WO2025233183A1 - Elektrochemische vorrichtung - Google Patents

Elektrochemische vorrichtung

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WO2025233183A1
WO2025233183A1 PCT/EP2025/061758 EP2025061758W WO2025233183A1 WO 2025233183 A1 WO2025233183 A1 WO 2025233183A1 EP 2025061758 W EP2025061758 W EP 2025061758W WO 2025233183 A1 WO2025233183 A1 WO 2025233183A1
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WO
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electrochemical
electrochemical device
plastic material
clamping
frame
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Application number
PCT/EP2025/061758
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian Albrecht
Gerd Traxler
Eugen Kübler
Armin Ehni
Thomas Wolf
Christian SEHL
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ElringKlinger AG
Original Assignee
ElringKlinger AG
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Publication date
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
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    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
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    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical device comprising several electrochemical units which follow one another along a stacking direction, wherein each electrochemical unit comprises at least one media separator and at least one frame in which the media separator is held in the assembled state of the electrochemical device, and wherein the electrochemical units are clamped together by means of a clamping device of the electrochemical device, wherein the clamping device comprises several clamping elements which extend substantially parallel to the stacking direction.
  • Such an electrochemical device can in particular be a device in which a chemical reaction (such as in an electrolyzer) or an energy transfer (such as in a redox flow storage device) takes place with the help of an electric current.
  • a chemical reaction such as in an electrolyzer
  • an energy transfer such as in a redox flow storage device
  • the electrochemical device can be designed in particular as an electrolyzer or as a redox flow storage device.
  • An electrolyzer can, for example, be designed as an alkaline water electrolyzer.
  • each of the electrochemical units or cells of the electrochemical device comprises a cathode and an anode, with a cathode-side fluid chamber and an anode-side fluid chamber separated from each other by a membrane.
  • the cathode-side fluid chamber and the anode-side fluid chamber each contain a mixture of water and potassium hydroxide, the so-called electrolyte. If the voltage applied between the cathode and the anode is higher than the sum of the electrochemical Given the decomposition potential for water and the overvoltage required to overcome the electrical resistance of the circuit, an electric current flows through the electrochemical unit. At the cathode, water molecules are converted into hydrogen gas molecules, forming a hydroxide ion.
  • the hydrogen molecules form bubbles of hydrogen gas that detach from the electrode surface. From a lower edge to an upper edge of the electrode surface, the gas content in the mixture of water and potassium hydroxide solution increases continuously. This mixture, along with the hydrogen gas, is discharged from the electrochemical units. Outside the electrochemical units, the hydrogen gas is separated from the potassium hydroxide solution by means of a hydrogen gas separator.
  • the hydroxide ions formed at the cathode during the reaction are transported across the membrane from the cathode to the anode due to the voltage difference between the electrodes of the electrochemical unit.
  • the hydroxide ions recombine with hydrogen atoms from the water to form water.
  • Oxygen atoms remain, which combine to form oxygen molecules and create oxygen gas bubbles rising from the electrode.
  • These gas bubbles, along with the potassium hydroxide solution, are carried out of the electrochemical units and separated outside the units by an oxygen gas separator.
  • electrochemical units are electrically and process-technically combined to form an electrolysis block.
  • the electrochemical units in the electrolysis block are separated from each other by bipolar plates.
  • the media in the electrochemical units are thus separated from each other by membranes and by bipolar plates, so that both the membrane and the bipolar plates can be regarded as media separators of the electrochemical device.
  • the clamping device by which the electrochemical units of the electrochemical device are clamped together comprises clamping rods as clamping elements. These clamping rods clamp two end plates of the electrochemical device together and thus generate the required surface pressure with which the frames of the electrochemical units bear against each other outside the electrolysis block, which is formed from the stack of electrochemical units arranged successively along the stacking direction. In particular, these clamping rods are located outside the frames of the electrochemical units.
  • the end plates Since the tension rods act on the end plates near their outer circumference, the end plates must be designed to be correspondingly massive in order to avoid or at least reduce deflection of these end plates.
  • the clamping of the electrochemical units together by means of a clamping device which includes clamping rods arranged outside the electrochemical units therefore leads to an overdimensioning of both the end plates of the electrochemical device and the clamping rods, since the clamping rods have a large distance from the longitudinal center axis of the stack of electrochemical units and a large distance from the force application surfaces on which the frames of the electrochemical units abut each other. It can be assumed that the significant expansion of renewable energy use will lead to water electrolysis, as a component of so-called "power-to-gas" plants, becoming increasingly important for the production of synthesis gas. The economic viability and suitability for mass production of the components of such electrolyzers, particularly the electrolysis unit itself, are therefore increasingly coming into focus.
  • the present invention is based on the objective of creating an electrochemical device of the type mentioned at the outset in which the components of the clamping device, in particular the clamping elements and the end plates of the stack of electrochemical units, can be dimensioned smaller without impairing the suitability of the clamping device for generating the sealing forces required for adequate sealing of the electrolysis block between the frames of the electrochemical units.
  • the present invention is therefore based on the concept of integrating at least one of the clamping elements, preferably all clamping elements, of the clamping device into the electrolysis block formed from the electrochemical units of the electrochemical device, in order to enable the frames of the electrochemical units to be clamped closer to each other in the areas where operating media of the electrochemical device are guided in and/or through the electrochemical units. Furthermore, the integration of at least one clamping element into the electrolysis block makes it possible to absorb compressive forces acting in the radial direction of a longitudinal central axis of the electrochemical device by means of the clamping elements, and thus to at least partially relieve the material from which the frames of the electrochemical units are formed from this radially acting pressure.
  • the integration of at least one clamping element, preferably all clamping elements, into the frames of the electrochemical units serves to support the material of the frames, preferably one or more plastic materials, in the radial force absorption.
  • the plastic material or materials of the frames of the electrochemical units are provided with at least one through-opening through which one of the clamping elements of the clamping device extends in the assembled state of the electrochemical device.
  • the frames of the electrochemical units expand relative to the clamping elements of the clamping device in the radial direction of the electrochemical device, so that the material, preferably one or more plastic materials, of the frames of the electrochemical units can be supported in the radial direction on the clamping elements of the clamping device.
  • both the end plates of the stack of electrochemical units and the frames of the electrochemical units of the electrochemical device can be designed more compactly and manufactured with less material.
  • the clamping elements of the clamping device serve, in addition to generating the necessary surface pressure between the end faces on which the frames of the electrochemical elements are attached. in the assembled state of the electrochemical device, they lie against each other, also to support the pressure forces acting in the radial direction of the electrochemical device.
  • the clamping elements of the clamping device are arranged closer to the area of the electrochemical units in which and/or through which operating media of the electrochemical device are guided under high pressure (for example, under an overpressure of 30 bar relative to ambient pressure), the end plates of the stack of electrochemical units can be made smaller than in the prior art.
  • the integration of the clamping elements into the frames of the electrochemical devices may eliminate the need for an additional clamping ring in the frame of the electrochemical device.
  • the clamping elements of the electrochemical device are preferably made of a metallic material, for example, a steel material.
  • the frames of the electrochemical units have a clamping element passage opening for each of the clamping elements of the clamping device, through which the respective clamping element extends in the assembled state of the electrochemical device.
  • the clamping elements each comprise a clamping rod, preferably in the form of a threaded rod, or a clamping screw.
  • at least one frame of an electrochemical unit has at least two clamping element through-openings, which are arranged at different distances from a longitudinal central axis of the frame.
  • the longitudinal center axis of the frame preferably coincides with a longitudinal center axis of the electrochemical device in the assembled state of the electrochemical device.
  • At least one frame of an electrochemical unit has at least two clamping element through-openings which are arranged at the same distance from a longitudinal center axis of the frame.
  • the frames on which the media separators are held in the assembled state of the electrochemical device are, according to the state of the art, made of metallic alloys in alkaline electrolyzers, which is less suitable for mass production.
  • Frames suitable for mass production could, for example, be made from a plastic material.
  • the cost-effectiveness of frames made from a plastic material increases with the number of frames produced.
  • At least one frame of an electrochemical unit comprises a media guidance area that comes into contact with at least one operating medium of the electrochemical device during operation, and a stabilization area that does not come into contact with any operating medium of the electrochemical device during operation, wherein the media guidance area comprises a first plastic material and the stabilization area a second plastic material, wherein the first plastic material and the second plastic material are different from each other, wherein the first plastic material has a higher chemical resistance to at least one of the operating media with which the media guidance area comes into contact during operation of the electrochemical device than the second plastic material, and wherein the second plastic material has higher strength and higher stiffness and/or has a higher creep resistance than the first plastic material.
  • the various plastic material comprises a media guidance area that comes into contact with at least one operating medium of the electrochemical device during operation, and a stabilization area that does not come into contact with any operating medium of the electrochemical device during operation, wherein the media guidance area comprises a first plastic material and the stabilization area a second plastic material, wherein the first plastic material and the second
  • the media guidance area can be encased in a stabilization area made of mechanically high-strength, but less chemically resistant, plastic material.
  • the stabilization area is able to absorb the strains generated by the pressure loads acting on the frame at a very low creep modulus.
  • At least two different plastic materials are combined with each other, with each plastic material being used in such a way that it optimally supports the function to be fulfilled by the respective component of the frame.
  • an internal media guidance area of the frame i.e., located closer to the central longitudinal axis of the electrochemical device, is surrounded by a mechanically high-strength stabilizing area capable of absorbing pressure loads.
  • the media guidance area is overmolded with the stabilization area.
  • the stabilizing area can include a fiber-reinforced plastic material.
  • the media guidance area is preferably designed such that the boundary surfaces of the passage openings, at which the media guidance area comes into contact with one of the operating media of the electrochemical device during operation, are as small as possible.
  • the two-component frame of the electrochemical device is distinguished from corresponding frames made of metal by lower manufacturing and material costs.
  • the media guidance area which comprises the first plastic material and is preferably formed substantially from the first plastic material, exhibits a lower water absorption from the operating media of the electrochemical device and a high chemical resistance to the operating media of the electrochemical device.
  • the stabilization area which comprises the second plastic material and is preferably formed substantially from the second plastic material, exhibits high mechanical strength, high stiffness and high creep resistance to absorb the compressive forces acting during operation of the electrochemical device in the radial direction and in the axial direction of a longitudinal center axis of the stack of electrochemical units over the entire lifetime of the electrochemical device.
  • At least one clamping element through-opening is arranged in the stabilization area of the frame.
  • the first plastic material can, for example, include a polyphenylene sulfone (PPSU) material, a polysulfone (PSU) material, a polyethersulfone (PES or PESU) material, a polyphenylene sulfide (PPS) material and/or a polyphthalamide (PPA) material.
  • PPSU polyphenylene sulfone
  • PSU polysulfone
  • PES or PESU polyethersulfone
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PPA polyphthalamide
  • the first plastic material is essentially made entirely from a polyphenylene sulfone (PPSU) material, a polysulfone (PSU) material, a polyethersulfone (PES or PESU) material, a polyphenylene sulfide (PPS) material, or a polyphthalamide (PPA) material.
  • PPSU polyphenylene sulfone
  • PSU polysulfone
  • PES or PESU polyethersulfone
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PPA polyphthalamide
  • the second plastic material preferably comprises a polyamide (PA) material and/or a polypropylene (PP) material.
  • the second plastic material is formed essentially entirely from a polyamide (PA) material or from a polypropylene (PP) material.
  • PA polyamide
  • PP polypropylene
  • this polyamide (PA) material preferably comprises a polycaprolactam (PA6) material and/or a polyamide 66 (PA66) material.
  • the polyamide(PA) material contained in the second plastic material is formed essentially entirely from a polycaprolactam(PA6) material or from a polyamide-66(PA66) material.
  • the mechanical stiffness of the stabilization area is preferably characterized by the modulus of elasticity (E-modulus) of the material from which the stabilization area is formed.
  • the modulus of elasticity of the material in the stabilization area is preferably at least 5 GPa, in particular at least 10 GPa, especially preferably at least 15 GPa, for example at least 20 GPa.
  • the mechanical strength of the stabilization area can be characterized, for example, by the tensile stress and/or the elongation at break of the material from which the stabilization area is formed.
  • the tensile strength of the material in the stabilization area is preferably at least 50 MPa, in particular at least 100 MPa, especially preferably at least 150 MPa, for example at least 200 MPa.
  • the elongation at break of the material from which the stabilization area is formed is preferably at least 1%, particularly at least 2%, most preferably at least 3%, and advantageously at least 4%, for example at least 5%.
  • the creep resistance of the stabilization area can be characterized, for example, by the tensile creep modulus of the material from which the stabilization area is formed.
  • the tensile creep modulus is defined as the ratio between the tensile stress and the deformation due to tensile strain under long-term loading (within the scope of this application and the attached claims, a loading period of 1000 hours is assumed).
  • the tensile creep modulus of the material from which the stabilization area is formed is preferably at least 1000 MPa, in particular at least 2000 MPa, particularly preferably at least 3000 MPa, advantageously at least 4000 MPa, for example at least 5000 MPa. If the stabilization area is essentially entirely composed of the second plastic material, then the values given above for the modulus of elasticity (E-modulus), the tensile stress, the elongation at break and the tensile creep modulus apply to the second plastic material.
  • E-modulus modulus of elasticity
  • the second plastic material may include fibers, preferably glass fibers.
  • the proportion of fibers in the second plastic material is preferably at least 20% by weight, particularly preferably at least 30% by weight.
  • the fibers (especially glass fibers) contained in the second plastic material can include short fibers, long fibers and/or continuous fibers.
  • Short fibers are defined as those with a fiber length of up to 1 mm. Preferably, these short fibers have a fiber length of at least 0.1 mm.
  • Long fibers have a fiber length of more than 1 mm up to 50 mm.
  • Continuous fibers have a fiber length of more than 50 mm.
  • the fibers, in particular glass fibers, in the second plastic material have at least partially a fiber length of more than 1 mm.
  • all fibers, especially glass fibers, of the second plastic material have a fiber length of more than 1 mm.
  • the fibers, in particular glass fibers, in the second plastic material comprise continuous fibers.
  • the second plastic material comprises continuous fibers wound around at least one fixed point.
  • the continuous fibers impregnated with a matrix are wound around at least one fixed point before the continuous fibers are overmolded with the other components of the second plastic material.
  • Continuous fiber bundles in a thermoplastic matrix can, for example, be wound as a circle with a defined radius.
  • the structure, wound from continuous fibers, is placed into an injection mold before the cavity of the injection mold is filled with the remaining components of the second plastic material.
  • the first plastic material prefferably includes fibers, preferably glass fibers.
  • the proportion of fibers in the first plastic material is preferably at most 20% by weight, particularly preferably at most 10% by weight.
  • a polyphenylene sulfide (PPS) material with a fiber content, preferably glass fiber content, of approximately 20 wt% can be used as the first plastic material.
  • the fibers contained in the first plastic material can have the same properties as the fibers contained in the second plastic material, which have been described above.
  • the media guidance area and/or the stabilization area of the frame is produced by an injection molding process.
  • the media guidance area and/or the stabilization area of the frame includes ribs and recesses bounded by the ribs.
  • the media guidance area of the frame can be provided with recesses in those areas where it does not come into contact with the operating media of the electrochemical device, which further reduces the material usage and can lead to a homogeneous wall thickness distribution, which can improve manufacturability - especially in an injection molding process - by reducing distortions occurring during production.
  • material can also be saved in the stabilization area by providing recesses limited by ribs, and manufacturability – especially in an injection molding process – can be improved by a more homogeneous wall thickness distribution, which leads to less distortion.
  • a skeletal structure can be formed in the media guidance area or in the stabilization area, which leads to a particularly high material efficiency with regard to the sealing functions to be performed by the media guidance area or with regard to the pressure absorption functions to be performed by the stabilization area in the radial and axial direction of the electrochemical device.
  • the media guidance area of the frame is preferably provided with at least one passage opening for an operating medium of the electrochemical device.
  • Such an operating medium can in particular be an electrolyte, for example an aqueous solution of an alkali hydroxide, in particular a potassium hydroxide, or a gas produced by electrochemical reaction in the electrochemical device, for example a hydrogen gas or an oxygen gas.
  • an electrolyte for example an aqueous solution of an alkali hydroxide, in particular a potassium hydroxide, or a gas produced by electrochemical reaction in the electrochemical device, for example a hydrogen gas or an oxygen gas.
  • At least one of the openings for a working medium can be designed as an elongated hole extending along a circumferential direction of the frame.
  • passage openings for operating media of the electrochemical device which are provided in the media guidance area, are each designed as an elongated hole extending along a circumferential direction of the frame.
  • the openings for the operating media of the electrochemical device preferably consist of supply channels and discharge channels for the operating media of the electrochemical device, which extend parallel to a longitudinal central axis of the electrochemical device through the electrochemical units of the electrochemical device.
  • the media guidance area of the frame of an electrochemical device preferably comprises a central passage opening, for example having a circular cross-section, which for example provides an anode-side fluid chamber or a cathode-side
  • the fluid space of the respective electrochemical unit is accommodated, wherein the anode-side fluid space or the cathode-side fluid space in the assembled state of the electrochemical device is limited on one side by a bipolar plate and on the other side by a membrane of the electrochemical unit or an adjacent electrochemical unit.
  • the stabilizing area of the frame includes a clamping ring embedded in the second plastic material.
  • Such a clamping ring can, for example, be wound from continuous fibers, especially continuous glass fibers.
  • such a clamping ring can also be omitted because, in the electrochemical device according to the invention, compressive forces acting in the radial direction are already at least partially absorbed by at least one of the clamping elements of the clamping device of the electrochemical device.
  • At least one of the clamping elements, preferably all clamping elements, of the clamping device of the electrochemical device absorbs a radially outwardly directed compressive force from the frame of each electrochemical unit of the electrochemical device during operation of the electrochemical device.
  • the electrochemical device according to the invention is particularly suitable as an electrolyzer, especially as an alkaline electrolyzer, or as a redox flow storage device.
  • Fig. 1 shows a schematic perspective view of an electrochemical device, for example an electrolyzer, comprising several electrochemical units, for example electrolysis units, arranged one after the other along a stacking direction, wherein each electrochemical unit comprises at least one media separator, preferably two media separators, for example a membrane and a bipolar plate, and at least one frame on which the at least one media separator is held in the assembled state of the electrochemical device, wherein the frame comprises a media guidance area which comes into contact with at least one operating medium of the electrochemical device during operation, and a stabilization area which does not come into contact with any operating medium of the electrochemical device during operation, wherein the media guidance area comprises a first plastic material and the stabilization area comprises a second plastic material, wherein the first plastic material and the second plastic material are different from each other, wherein the first plastic material has a higher chemical resistance to at least one of the operating media with which the media guidance area comes into contact during operation of the electrochemical device than the second plastic material and/or wherein the second plastic material has
  • Fig. 3 shows a top view of a frame of one of the electrochemical units of the electrochemical device from Figs. 1 and 2, with the viewing direction along the stacking direction;
  • Fig. 4 shows a longitudinal section through the frame from Fig. 3 along a connecting channel between a fluid chamber of the electrochemical unit and a medium channel of the electrochemical device, along line 4-4 in Fig. 3.
  • An electrochemical device shown in Figs. 1 to 4 and designated as a whole by 100 is, for example, designed as an electrolyzer, in particular as an alkaline electrolyzer.
  • the electrochemical device 100 comprises a stack 102 of several electrochemical units 104, which follow one another along a stacking direction 106 of the electrochemical device 100.
  • the stack 102 of electrochemical units 104 is arranged between two end plates 108.
  • the electrochemical device 100 comprises a clamping device 110 by means of which the two end plates 108 and the intermediate stack 102 of electrochemical units 104 can be clamped.
  • the clamping device 110 comprises several clamping elements 112, which extend essentially parallel to the stacking direction 106 and follow one another along the circumferential direction of the end plates 108.
  • Each of the clamping elements 112 can each include a clamping rod 114.
  • Each of the tension rods 114 can, for example, be designed as a threaded rod 116 which is provided with an external thread 118.
  • a clamping nut 120 is provided at each end region of a clamping rod 114, wherein each clamping nut 120 is assigned to one of the end plates 108 and is arranged on the side of the respective end plate 108 facing away from the other end plate 108'.
  • Each of the clamping nuts 120 has an internal thread which engages in the external thread 118 of the respective associated clamping rod 114.
  • each of the clamping elements 112 is provided with an insulating sleeve 122, which is made of an electrically insulating material and prevents contact between the clamping element 112 in question and one of the end plates 108.
  • At least one spring element 124 is arranged, which is under elastic preload and thereby holds the adjacent clamping nut 120' at a distance from the end plate 108' assigned to it.
  • This elastic preload ...
  • Preload of at least one spring element 124 pulls the clamping nut 120 assigned to the other end plate 108 against the other end plate 108 (however, the insulating sleeve 122 prevents direct contact between this other clamping nut 120 and the other end plate 108).
  • the at least one spring element 124 which elastically clamps a clamping element 112, can, for example, be designed as a disc spring 126.
  • Each of the electrochemical units 104 of the electrochemical device 100 comprises two frames 128 and 128', a membrane 130 held between the two frames 128 and 128', and a bipolar plate 132 held between one of the frames 128' and a frame 128' of an adjacent electrochemical unit 104.
  • the bipolar plate 132 can be provided with an anode on one side and a cathode on the other side.
  • the membrane 130 and the bipolar plate 132 each form a media separator 133 of an electrochemical unit, which separates an anode-side fluid space 136a and a cathode-side fluid space 136b from each other and is held on at least one frame 128 of an electrochemical unit 104.
  • One of the frames 128 of an electrochemical unit 104 is shown in Fig. 3 in a top view along the stacking direction 106.
  • the frame 128 comprises a media guidance area 134, which surrounds a fluid space 136 (for example, a cathode-side fluid space 136b) of the electrochemical unit 104, and a stabilization area 138, which surrounds the media guidance area 134 and forms an outer boundary of the frame 128 towards an environment 140 of the electrochemical device 100.
  • a fluid space 136 for example, a cathode-side fluid space 136b
  • stabilization area 138 which surrounds the media guidance area 134 and forms an outer boundary of the frame 128 towards an environment 140 of the electrochemical device 100.
  • the media guidance area 134 of the frame 128 rests against the media guidance area 134 of an adjacent frame 128' via sealing elements 135 (see Fig. 4).
  • the media guidance area 134 of the frame 128 rests on a bipolar plate 132 via sealing elements 137 and the media guidance area 134 of the frame 128' rests on a membrane 130 via sealing elements 137'.
  • the media guidance area 134 of the frame 128 is provided with several passage openings 142, which penetrate the media guidance area 134 and thus the frame 128 along the stacking direction 106.
  • the passage openings 142 can, for example, be designed as elongated holes 143, which extend along the circumferential direction of the frame 128.
  • Each of the passage openings 142 of the media guidance area 134 is connected via a connecting channel 152 (see, for example, Fig. 4) to an anode-side fluid space 136a or to a cathode-side fluid space 136b of an electrochemical unit 104, wherein the anode-side fluid space 136a and the cathode-side fluid space 136b of each electrochemical unit 104 are separated from each other by the membrane 130 of the respective electrochemical unit 104.
  • the second frame 128' of an electrochemical unit 104 comprises a media guidance area 134, which surrounds an anode-side fluid space 136a of the electrochemical unit 104.
  • the passage openings 142 into the media guidance area 134 of the frames 128, 128' together form media channels 154, which penetrate the stack 102 of electrochemical units 104 along the stack direction 106 and also one of the end plates 108 in order to supply the electrochemical units 104 with an operating medium or to discharge an operating medium from the electrochemical units 104.
  • the electrochemical units 104 of the alkaline electrolyzer are supplied with, for example, a 30% aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) via an anode-side supply medium channel 154a and via a cathode-side supply medium channel 154b.
  • KOH potassium hydroxide
  • the anode-side supply medium channel 154a is formed by the anode-side supply openings 144 of the medium guidance areas 134 of the electrochemical units 104, while the cathode-side supply medium channel 154b is formed by the cathode-side supply openings 146 of the media guidance areas 134 of the electrochemical units 104.
  • the anode-side supply medium channel 154a is in fluid communication via a (not shown) connecting channel with each anode-side fluid space 136a of the electrochemical units 104, while the cathode-side supply medium channel 154b is in fluid communication via a (also not shown) connecting channel with a cathode-side fluid space 136b of the electrochemical units 104.
  • the anode-side fluid space 136a of each electrochemical unit 104 is in fluid communication with an anode-side discharge medium channel 154a via a (not shown) connecting channel.
  • a 30% aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) together with oxygen which has been formed by the electrochemical reactions in the respective electrochemical unit 104, passes through this connecting channel from the anode-side fluid space 136a of the respective electrochemical unit 104 into the anode-side discharge medium channel 154a.
  • KOH potassium hydroxide
  • an anodic gas separator (not shown) of the electrochemical device 100, the oxygen is separated from this mixture and fed to an oxygen collection container.
  • the cathode-side fluid chamber 136b of each electrochemical unit 104 is connected via a connecting channel 152 (shown in Fig. 4) to a cathode-side discharge medium channel 154d, so that during operation of the alkaline electrolyzer a mixture of 30% aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) and hydrogen, which has been formed by the electrochemical reactions in the respective electrochemical unit 104, can be discharged from the cathode-side fluid chamber 136b of the electrochemical unit 104 into the cathode-side discharge medium channel 154d via this connecting channel 152.
  • KOH potassium hydroxide
  • the hydrogen can be separated by means of a (not shown) cathodic gas separator of the electrochemical device 100 and fed into a hydrogen collection container.
  • electrochemical reactions take place at the electrodes of the electrochemical units 104, which lead to the formation of gaseous hydrogen and gaseous oxygen.
  • the following reaction takes place at the cathode of each electrochemical unit 104:
  • the hydroxide ions produced during the cathode reaction migrate through the membrane 130 of the electrochemical unit 104 from the cathode-side fluid space 136b to the anode-side fluid space 136a, where the hydroxide ions are then consumed in the anode reaction.
  • the gaseous hydrogen produced during the cathode reaction passes from the cathode-side fluid chamber 136b through the connecting channel into the cathode-side discharge medium channel 154d.
  • the gaseous oxygen produced during the anode reaction passes from the anode-side fluid chamber 136a through a connecting channel into the anode-side discharge medium channel 154c.
  • each frame 128 of one of the electrochemical units 104 comes into contact with the aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) in the area of the anode-side supply passage opening 144, in the area of the cathode-side supply passage opening 146, in the area of the anode-side discharge passage opening 148 and in the area of the cathode-side discharge passage opening 150 as well as in the area of the boundary of the central anode-side fluid space 136a or the central cathode-side fluid space 136b.
  • KOH potassium hydroxide
  • each of the electrochemical units 104 comes into contact with the gaseous oxygen formed by the electrochemical reactions in the operation of the electrochemical device 100 in the area of the boundary of the central anode-side fluid space 136a, in the area of the connecting channel between the anodic fluid space 136a and the anode-side discharge opening 148 and in the area of the anode-side discharge opening 148.
  • each electrochemical unit 104 comes into contact with the gaseous hydrogen formed during the electrochemical reactions in the area of the boundary of the central cathode-side fluid space 136b, in the area of the connecting channel 152 between the cathode-side fluid space 136b and the cathode-side discharge opening 150, and in the area of the cathode-side discharge opening 150.
  • each frame 128, 128' of an electrochemical unit 104 is therefore preferably formed from a first plastic material which has a high chemical resistance to the operating media of the electrochemical device 100, i.e. to the aqueous solution of potassium hydroxide (KOH), to gaseous oxygen and to gaseous hydrogen.
  • KOH potassium hydroxide
  • the first plastic material may include a polyphenylene sulfone (PPSU) material, a polysulfone (PSU) material, a polyethersulfone (PES or PESU) material, a polyphenylene sulfide (PPS) material and/or a polyphthalamide (PPA) material.
  • PPSU polyphenylene sulfone
  • PSU polysulfone
  • PES or PESU polyethersulfone
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PPA polyphthalamide
  • the first plastic material comprises a polyphenylene sulfone (PPSU) material, a polysulfone (PSU) material, a polyethersulfone (PES or PESU) material, a polyphenylene sulfide (PPS) material or a polyphthalamide (PPA) material as its main component, that is, as the component with the highest weight percentage.
  • PPSU polyphenylene sulfone
  • PSU polysulfone
  • PES or PESU polyethersulfone
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PPA polyphthalamide
  • the first plastic material is essentially made entirely from a polyphenylene sulfone (PPSU) material, a polysulfone (PSU) material, a polyethersulfone (PES or PESU) material, a polyphenylene sulfide (PPS) material, or a polyphthalamide (PPA) material.
  • PPSU polyphenylene sulfone
  • PSU polysulfone
  • PES or PESU polyethersulfone
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PPA polyphthalamide
  • each frame 128 of an electrochemical unit 104 has no openings through which an operating medium of the electrochemical device 100 flows during operation of the electrochemical device 100.
  • the stabilization area 138 only has clamping element passage openings 156, which extend through the stabilization area 138 in the axial direction of the respective frame 128, 128' parallel to the stacking direction 106.
  • the number of clamping element passage openings 156 preferably corresponds to the number of clamping elements 112 of the clamping device 110 of the electrochemical device 100.
  • one of the clamping elements 112 for example in the form of a clamping rod 114, extends through each of the clamping element passage openings 156.
  • the clamping element passage openings 156 of the stabilization area 138 follow one another along the circumferential direction of the frame 128.
  • the clamping element through-openings 156 can all have the same distance from the central longitudinal axis 158 of the frame 128. Alternatively, it can also be provided that the clamping element passage openings 156 have different distances from the central longitudinal axis 158 of the frame 128.
  • the clamping element passage openings 156a which are arranged adjacent to the passage openings 142 of the media guidance area 134 of the frame 128, have a greater distance from the longitudinal center axis 158 of the frame 128 than the clamping element passage openings 156b, which are arranged in areas of the frame 128 that are not adjacent to any of the passage openings 142 of the media guidance area 134.
  • an internal pressure p prevails in the fluid-carrying areas of the electrochemical device 100, which is significantly higher than the external pressure in the environment 140 of the electrochemical device 100.
  • the internal pressure p in the fluid-carrying areas of the electrochemical units 104 is at least 20 barg, particularly preferably at least 30 barg (and is therefore at least 20 bar or at least 30 bar above the atmospheric pressure prevailing in the environment 140 of the electrochemical device 100).
  • this pressure presses the radially located areas of the frame 128 within the clamping element openings 156 against the clamping elements 112 of the electrochemical device 100 which penetrate these clamping element openings 156, so that the frame 128 expands under the operating load in the radial direction of the longitudinal center axis 158.
  • the clamping elements 112 thus serve, in addition to applying the necessary surface pressure in the axial direction of the electrochemical device 100, to support the radial compressive forces which occur in the electrochemical units 104.
  • the clamping elements 112, in particular the clamping rods 114, are preferably made of a metallic material, for example of a steel material.
  • the stabilization area 138 of each frame 128 of the electrochemical units 104 preferably comprises a second plastic material which has a higher strength, a higher stiffness and/or a higher creep resistance than the first plastic material which the media guidance area 134 of the frame 128 includes.
  • the second plastic material comprises a polyamide (PA) material and/or a polypropylene (PP) material.
  • PA polyamide
  • PP polypropylene
  • the second plastic material comprises a polyamide (PA) material or a polypropylene (PP) material as its main component, that is, as the component with the highest weight percentage.
  • PA polyamide
  • PP polypropylene
  • the second plastic material is essentially made entirely of a polyamide (PA) material or a polypropylene (PP) material.
  • the second plastic material comprises a polyamide (PA) material
  • this portion of the second plastic material comprises a polycaprolactam (PA6) material and/or a polyamide 66 (PA66) material.
  • PA6 polycaprolactam
  • PA66 polyamide 66
  • the polyamide (PA) material component of the second plastic material comprises a polycaprolactam (PA6) material or a polyamide-66 (PA66) material as the main component, that is, as the component with the highest weight percentage.
  • the polyamide (PA) material component of the second plastic material is essentially formed entirely from a polycaprolactam (PA6) material or from a polyamide 66 (PA66) material.
  • the mechanical stiffness of the stabilization area is preferably characterized by the modulus of elasticity (E-modulus) of the material from which the stabilization area is formed.
  • the modulus of elasticity of the material in the stabilization area is preferably at least 5 GPa, in particular at least 10 GPa, especially preferably at least 15 GPa, for example at least 20 GPa.
  • the mechanical strength of the stabilization area can be characterized, for example, by the tensile stress and/or the elongation at break of the material from which the stabilization area is formed.
  • the tensile strength of the material in the stabilization area is preferably at least 50 MPa, in particular at least 100 MPa, especially preferably at least 150 MPa, for example at least 200 MPa.
  • the elongation at break of the material from which the stabilization area is formed is preferably at least 1%, particularly at least 2%, most preferably at least 3%, and advantageously at least 4%, for example at least 5%.
  • the creep resistance of the stabilization area can be characterized, for example, by the tensile creep modulus of the material from which the stabilization area is formed.
  • the tensile creep modulus is defined as the ratio between the tensile stress and the deformation due to tensile strain under long-term loading (within the scope of this application and the attached claims, a loading period of 1000 hours is assumed).
  • the tensile creep modulus of the material from which the stabilization area is formed is preferably at least 1000 MPa, in particular at least 2000 MPa, particularly preferably at least 3000 MPa, advantageously at least 4000 MPa, for example at least 5000 MPa.
  • the stabilization area is essentially entirely composed of the second plastic material, then the values given above for the modulus of elasticity (E-modulus), the tensile stress, the elongation at break and the tensile creep modulus apply to the second plastic material.
  • E-modulus modulus of elasticity
  • the second plastic material includes glass fibers.
  • the proportion of glass fibers in the second plastic material is at least 20% by weight, and preferably at least 30% by weight.
  • the second plastic material besides the glass fibers, essentially contains only a polyamide (PA) material and/or a polypropylene (PP) material.
  • the glass fibers of the second plastic material can generally include short fibers (with a fiber length of 0.1 mm to 1 mm), long fibers (with a fiber length of more than 1 mm to 50 mm) and/or continuous fibers (with a fiber length of more than 50 mm).
  • the glass fibers of the second plastic material have at least a partial fiber length of more than 1 mm.
  • the glass fibers of the second plastic material comprise continuous fibers.
  • the second plastic material comprises continuous fibers wound around at least one fixed point.
  • the stabilization area 138 of a frame 128, 128' of an electrochemical unit 103 of the electrochemical device 100 can include a clamping ring 166 embedded in the second plastic material (see Fig. 4).
  • Such a clamping ring 166 can, for example, be wound from continuous glass fibers.
  • the glass fibers of the second plastic material can preferably be formed at least partially from a so-called "electric glass".
  • Such an “electric glass” is an aluminum borosilicate glass with a weight fraction of less than 2% alkali oxides.
  • the first plastic material prefferably includes glass fibers.
  • the proportion of glass fibers in the first plastic material is preferably at most 20% by weight, and particularly preferably at most 10% by weight.
  • a polyphenylene sulfide (PPS) material with a glass fiber content of approximately 20% by weight can be used as the first plastic material.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the media guidance area 134 and/or the stabilization area 138 of each frame 128 of an electrochemical unit 104 of the electrochemical device 100 is preferably produced by an injection molding process.
  • structures made of wound continuous glass fibers are placed into the cavity of an injection molding tool, whereupon the cavity of the injection molding tool is filled with the second plastic material in order to overmold the structures made of the continuous glass fibers with the second plastic material.
  • the media guidance area 134 can be injection molded onto the stabilization area 138 of the frame 128 from the first plastic material in a second injection molding process.
  • each frame 128, 128' of an electrochemical unit 104 is provided with recesses 160 in areas where there is no contact with an operating medium of the electrochemical device 100.
  • These recesses 160 are shown hatched in Figure 4 and can be provided in the media guidance area 134 and/or in the stabilization area 138 of the frame 128.
  • the recesses 160 are bounded by ribs 162, which together form a skeletal structure 164.
  • the frames 128, 128' of the electrochemical units 104 have a skeletal structure 164 formed by such ribs 162, this offers the advantage that a small amount of the first plastic material is required for the formation of the media guidance area 134 and/or a smaller amount of the second plastic material is required for the formation of the stabilization area 138.
  • a skeletal structure 164 formed by such recesses 160 has a uniform wall thickness, which facilitates the production of the skeletal structure 164 by an injection molding process.

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Abstract

Um eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere elektrochemische Einheiten, die längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei jede elektrochemische Einheit mindestens einen Medienseparator und mindestens einen Rahmen, an welchem der Medienseparator im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung gehalten ist, umfasst und wobei die elektrochemischen Einheiten mittels einer Spannvorrichtung der elektrochemischen Vorrichtung miteinander verspannt sind, wobei die Spannvorrichtung mehrere Spannelemente umfasst, welche sich im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung erstrecken, zu schaffen, bei welcher die Bestandteile der Spannvorrichtung, insbesondere die Spannelemente und die Endplatten des Stapels aus elektrochemischen Einheiten, kleiner dimensioniert werden können, ohne die Eignung der Spannvorrichtung zur Erzeugung der für eine ausreichende Abdichtung des Elektrolyseblocks erforderlichen Abdichtkräfte zwischen den Rahmen der elektrochemischen Einheiten zu beeinträchtigen, wird vorgeschlagen, dass die Rahmen der elektrochemischen Einheiten jeweils mindestens eine Spannelement-Durchtrittsöffnung aufweisen, durch welche jeweils eines der Spannelemente sich im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung hindurch erstreckt.

Description

Elektrochemische Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, umfasst, wobei jede elektrochemische Einheit mindestens einen Medienseparator und mindestens einen Rahmen, in welchem der Medienseparator im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung gehalten ist, umfasst und wobei die elektrochemischen Einheiten mittels einer Spannvorrichtung der elektrochemischen Vorrichtung miteinander verspannt sind, wobei die Spannvorrichtung mehrere Spannelemente umfasst, welche sich im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung erstrecken.
Eine solche elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere eine Vorrichtung sein, in welcher mit Hilfe eines elektrischen Stromes eine chemische Reaktion (wie beispielsweise in einem Elektrolyseur) oder eine Energieübertragung (wie beispielsweise in einem Redox-Flow-Speicher) stattfindet.
Die elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere als ein Elektrolyseur oder als ein Redox-Flow-Speicher ausgebildet sein.
Ein Elektrolyseur kann beispielsweise als ein alkalischer Wasserelektrolyseur ausgebildet sein.
In diesem Fall umfasst jede der elektrochemischen Einheiten oder Zellen der elektrochemischen Vorrichtung eine Kathode und eine Anode, wobei ein katho- denseitiger Fluidraum und ein anodenseitiger Fluidraum durch eine Membran voneinander getrennt sind. Der kathodenseitige Fluidraum und der anodenseitige Fluidraum enthalten jeweils ein Gemisch aus Wasser und Kalilauge, den sogenannten Elektrolyten. Wenn die zwischen der Kathode und der Anode anliegende Spannung höher ist als die Summe aus dem elektrochemischen Zersetzungspotential für Wasser und der zur Überwindung der elektrischen Widerstände des Stromkreises erforderlichen Überspannung, so fließt ein elektrischer Strom durch die elektrochemische Einheit. Dabei wird an der Kathode aus Wassermolekülen ein Wasserstoff-Gasmolekül, unter Bildung eines Hydroxid-Ions, gebildet. Die Wasserstoffmoleküle bilden Blasen von Wasserstoffgas, die sich von der Elektrodenoberfläche ablösen. Von einem unteren Rand bis zu einem oberen Rand der Elektrodenfläche steigt der Gasanteil in dem Gemisch aus Wasser und Kalilauge kontinuierlich an. Dieses Gemisch wird zusammen mit dem Wasserstoffgas aus den elektrochemischen Einheiten ausgetragen, wobei außerhalb der elektrochemischen Einheiten das Wasserstoffgas mittels eines Wasserstoffgas-Separators aus der Kalilauge abgeschieden wird.
Die bei der Reaktion an der Kathode gebildeten Hydroxid-Ionen werden aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden der elektrochemischen Einheit durch die Membran hindurch von der Kathodenseite zur Anodenseite transportiert. An der Anodenoberfläche werden die Hydroxid-Ionen mit Wasserstoffatomen aus dem Wasser zu Wasser rekombiniert. Dabei bleiben Sauerstoffatome übrig, die sich zu Sauerstoffmolekülen zusammenschließen und von der Elektrode aufsteigende Sauerstoff-Gasblasen bilden. Diese Gasblasen werden zusammen mit der Kalilauge aus den elektrochemischen Einheiten ausgetragen und außerhalb der elektrochemischen Einheiten mittels eines Sauerstoff-Gasseparators abgeschieden .
Zur Erzielung einer großen Gas-Erzeugungsleistung werden viele elektrochemische Einheiten elektrisch und verfahrenstechnisch zu einem Elektrolyseblock zusammengesetzt.
Die im Elektrolyseblock aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten sind durch Bipolarplatten voneinander getrennt. Die Medien in den elektrochemischen Einheiten werden also durch Membranen und durch Bipolarplatten voneinander separiert, so dass sowohl die Membran als auch die Bipolarplatten als Medienseparatoren der elektrochemischen Vorrichtung angesehen werden können.
Bei bekannten alkalischen Elektrolyseuren umfasst die Spannvorrichtung, mittels welcher die elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung miteinander verspannt sind, als Spannelemente Spannstangen, welche zwei Endplatten der elektrochemischen Vorrichtung zueinander verspannen und somit die erforderliche Flächenpressung, mit welcher die Rahmen der elektrochemischen Einheiten aneinander anliegen, außerhalb des Elektrolyseblocks, welcher aus dem Stapel der längs der Stapelrichtung aufeinander folgenden elektrochemischen Einheiten gebildet ist, erzeugen. Insbesondere befinden sich diese Spannstangen außerhalb der Rahmen der elektrochemischen Einheiten.
Da die Spannstangen nahe des äußeren Umfangs der Endplatten an denselben angreifen, müssen die Endplatten entsprechend massiv ausgeführt werden, um eine Durchbiegung dieser Endplatten zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
Die Verspannung der elektrochemischen Einheiten miteinander mittels einer Spannvorrichtung, die außerhalb der elektrochemischen Einheiten angeordnete Spannstangen umfasst, führt daher zu einer Überdimensionierung sowohl der Endplatten der elektrochemischen Vorrichtung als auch der Spannstangen, da die Spannstangen einen großen Abstand von der Längsmittelachse des Stapels aus elektrochemischen Einheiten und einen großen Abstand von den Kraftangriffsflächen, an welchen die Rahmen der elektrochemischen Einheiten aneinander anliegen, aufweisen. Es ist davon auszugehen, dass durch den starken Ausbau der Nutzung von erneuerbaren Energien die Wasserelektrolyse als Bestandteil von sogenannten "Power-to-Gas"-Anlagen eine große Bedeutung zur Herstellung von Synthesegas erreichen wird. Die Wirtschaftlichkeit und Großserientauglichkeit der Bestandteile solcher Elektrolyseure, insbesondere des Elektrolyseblocks dieser Elektrolyseure, rückt daher zunehmend in den Fokus.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Bestandteile der Spannvorrichtung, insbesondere die Spannelemente und die Endplatten des Stapels aus elektrochemischen Einheiten, kleiner dimensioniert werden können, ohne die Eignung der Spannvorrichtung zur Erzeugung der für eine ausreichende Abdichtung des Elektrolyseblocks erforderlichen Abdichtkräfte zwischen den Rahmen der elektrochemischen Einheiten zu beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Rahmen der elektrochemischen Einheiten jeweils mindestens eine Spannelement-Durchtrittsöffnung aufweisen, durch welche jeweils eines der Spannelemente sich im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung hindurch erstreckt.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit das Konzept zugrunde, mindestens eines der Spannelemente, vorzugsweise alle Spannelemente, der Spannvorrichtung in den aus den elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung gebildeten Elektrolyseblock zu integrieren, um dadurch eine Verspannung der Rahmen der elektrochemischen Einheiten miteinander näher an den Bereichen zu ermöglichen, an welchen Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung in den elektrochemischen Einheiten und/oder durch die elektrochemischen Einheiten geführt werden. Darüber hinaus ermöglicht es die Integration mindestens eines Spannelements in den Elektrolyseblock, auch in Radialrichtung einer Längsmittelsachse der elektrochemischen Vorrichtung wirkende Druckkräfte mittels der Spannelemente aufzunehmen und somit das Material, aus welchem die Rahmen der elektrochemischen Einheiten gebildet sind, von diesem in der Radialrichtung wirkenden Druck zumindest teilweise zu entlasten.
Die Integration des mindestens einen Spannelements, vorzugsweise aller Spannelemente, in die Rahmen der elektrochemischen Einheiten dient zur Unterstützung des Materials der Rahmen, vorzugsweise eines oder mehrerer Kunststoffmaterialien, bei der radialen Kraftaufnahme.
Das Kunststoffmaterial oder die Kunststoffmaterialien der Rahmen der elektrochemischen Einheiten werden mit mindestens einer Durchtrittsöffnung versehen, durch welche jeweils eines der Spannelemente der Spannvorrichtung sich im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung hindurch erstreckt.
Im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung dehnen sich die Rahmen der elektrochemischen Einheiten relativ zu den Spannelementen der Spannvorrichtung in der Radialrichtung der elektrochemischen Vorrichtung aus, so dass sich das Material, vorzugsweise eines oder mehrere Kunststoffmaterialien, der Rahmen der elektrochemischen Einheiten in der Radialrichtung an den Spannelementen der Spannvorrichtung abstützen kann.
Sowohl die Endplatten des Stapels aus elektrochemischen Einheiten als auch die Rahmen der elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung können daher kompakter gestaltet und mit geringerem Materialeinsatz hergestellt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen die Spannelemente der Spannvorrichtung, zusätzlich zur Erzeugung der nötigen Flächenpressung zwischen den Stirnflächen, an denen die Rahmen der elektrochemischen Elemente im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung aneinander anliegen, auch zur Abstützung der in der Radialrichtung der elektrochemischen Vorrichtung wirkenden Druckkräfte.
Da die Spannelemente der Spannvorrichtung näher an dem Bereich der elektrochemischen Einheiten angeordnet sind, in welchem und/oder durch welchen Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung unter hohem Druck (beispielsweise unter einem Überdruck von 30 bar gegenüber dem Umgebungsdruck) geführt sind, können die Endplatten des Stapels aus elektrochemischen Einheiten kleiner ausgeführt werden als beim Stand der Technik.
Wenn die Rahmen der elektrochemischen Einheiten aus einem oder mehreren Kunststoffmaterialien gebildet sind, so kann durch die Integration der Spannelemente in die Rahmen der elektrochemischen Vorrichtungen unter Umständen auf das Vorsehen eines zusätzlichen Spannrings in den Rahmen der elektrochemischen Vorrichtung verzichtet werden.
Die Spannelemente der elektrochemischen Vorrichtung sind vorzugsweise aus einem metallischen Material, beispielsweise aus einem Stahlmaterial, gebildet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rahmen der elektrochemischen Einheiten für jedes der Spannelemente der Spannvorrichtung jeweils eine Spannelement-Durchtrittsöffnung aufweisen, durch welche das jeweils zugeordnete Spannelement sich im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung hindurch erstreckt.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Spannelemente jeweils eine Spannstange, vorzugsweise in Form einer Gewindestange, oder eine Spannschraube umfassen. Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Rahmen einer elektrochemischen Einheit mindestens zwei Spannelement-Durchtrittsöffnungen aufweist, welche in unterschiedlichen Abständen von einer Längsmittelsachse des Rahmens angeordnet sind.
Die Längsmittelachse des Rahmens fällt dabei vorzugsweise mit einer Längs- mittelachse der elektrochemischen Vorrichtung im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung zusammen.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Rahmen einer elektrochemischen Einheit mindestens zwei Spannelement- Durchtrittsöffnungen aufweist, welche in demselben Abstand von einer Längsmittelachse des Rahmens angeordnet sind.
Die Rahmen, an welchen die Medienseparatoren im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung gehalten sind, sind bei alkalischen Elektrolyseuren gemäß dem Stand der Technik aus metallischen Legierungen gebildet, was für die Anwendung in der Großserie weniger geeignet ist.
Großserientaugliche Rahmen könnten beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt werden. Die Wirtschaftlichkeit von Rahmen aus einem Kunststoffmaterial steigt mit zunehmender Anzahl der hergestellten Rahmen an.
Die in einem alkalischen Elektrolyseur herrschenden Betriebsbedingungen (Überdruck in der Größenordnung von 30 barg, eine Temperatur im Bereich von 90 °C, Kontakt mit einer Mischung aus demineralisiertem Wasser (Dl-Wasser) und 30 Gewichts-% Kaliumhydroxid (KOH)) erfordern den Einsatz von gegenüber diesen Betriebsbedingungen beständigen, jedoch hochpreisigen Kunststoffmaterialien. Neben des hohen Preises haben die chemisch beständigen Kunststoffmaterialien den weiteren Nachteil, dass sie häufig nur in beschränktem Umfang eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, um den in der elektrochemischen Vorrichtung herrschenden Druckbelastungen standhalten zu können. Daher müssen relativ hohe Wandstärken verwendet werden, um die auftretenden Druckkräfte in axialer und radialer Richtung aufnehmen zu können.
Um eine elektrochemische Vorrichtung zu schaffen, bei welcher die Rahmen der elektrochemischen Einheiten in großserientauglicher Weise herstellbar sind und dennoch eine ausreichende chemische Beständigkeit gegenüber den Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung und eine ausreichende mechanische Festigkeit zur Aufnahme der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung auftretenden Druckbelastungen in axialer Richtung und in radialer Richtung des Stapels aus elektrochemischen Einheiten aufweisen, ist es günstig, wenn mindestens ein Rahmen einer elektrochemischen Einheit einen Medienführungsbereich, der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung mit mindestens einem Betriebsmedium der elektrochemischen Vorrichtung in Kontakt kommt, und einen Stabilisierungsbereich, der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nicht mit einem Betriebsmedium der elektrochemischen Vorrichtung in Kontakt kommt, umfasst, wobei der Medienführungsbereich ein erstes Kunststoffmaterial und der Stabilisierungsbereich ein zweites Kunststoffmaterial umfasst, wobei das erste Kunststoffmaterial und das zweite Kunststoffmaterial voneinander verschieden sind, wobei das erste Kunststoffmaterial eine höhere chemische Beständigkeit gegenüber mindestens einem der Betriebsmedien, mit welchen der Medienführungsbereich im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung in Kontakt kommt, aufweist als das zweite Kunststoffmaterial und wobei das zweite Kunststoffmaterial eine höhere Festigkeit, eine höhere Steifigkeit und/oder eine höhere Kriechbeständigkeit aufweist als das erste Kunststoffmaterial. In diesem Fall werden die verschiedenen Funktionen des Rahmens einer elektrochemischen Einheit, nämlich einerseits die Medienführung und andererseits die Lastaufnahme, von zwei verschiedenen Komponenten des Rahmens erbracht, welche jeweils voneinander verschiedene Kunststoffmaterialien umfassen.
Hierdurch ist es möglich, dass ein hochpreisiges Kunststoffmaterial, das eine hohe chemische Beständigkeit und insbesondere eine geringe Wasseraufnahme aus den Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung aufweist, nur in dem Medienführungsbereich des Rahmens eingesetzt werden muss.
Der Medienführungsbereich kann mit einem Stabilisierungsbereich mit mechanisch hochfestem, aber weniger chemisch beständigem, Kunststoffmaterial ummantelt werden.
Der Stabilisierungsbereich ist dazu in der Lage, die durch die auf den Rahmen einwirkenden Druckbelastungen erzeugten Dehnungen bei einem sehr geringen Kriechmodul aufzunehmen.
In dem Rahmen der erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung werden somit mindestens zwei unterschiedliche Kunststoffmaterialien miteinander kombiniert, wobei jedes Kunststoffmaterial so eingesetzt wird, dass es die von der jeweiligen Komponente des Rahmens zu erfüllende Funktion optimal unterstützt.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein innenliegender, das heißt näher an der zentralen Längsmittelachse der elektrochemischen Vorrichtung liegender, Medienführungsbereich des Rahmens von einem mechanisch hochfesten, Drucklasten aufnehmenden Stabilisierungsbereich umgeben ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Medienführungsbereich mit dem Stabilisierungsbereich umspritzt wird. Der Stabilisierungsbereich kann ein faserverstärktes Kunststoffmaterial umfassen.
Der Medienführungsbereich ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Begrenzungsflächen der Durchtrittsöffnungen, an welchen der Medienführungsbereich im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung mit einem der Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung in Kontakt kommt, so klein wie möglich sind.
Der Zwei-Komponenten-Rahmen der elektrochemischen Vorrichtung zeichnet sich gegenüber entsprechenden Rahmen, die aus Metall gefertigt sind, durch geringere Fertigungs- und Materialkosten aus.
Der Medienführungsbereich, der das erste Kunststoffmaterial umfasst und vorzugsweise im Wesentlichen aus dem ersten Kunststoffmaterial gebildet ist, weist eine geringere Wasseraufnahme aus den Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung und eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber den Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung auf.
Der Stabilisierungsbereich, welcher das zweite Kunststoffmaterial umfasst und vorzugsweise im Wesentlichen aus dem zweiten Kunststoffmaterial gebildet ist, weist eine hohe mechanische Festigkeit, eine hohe Steifigkeit und eine hohe Kriechbeständigkeit zur Aufnahme der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung in der Radialrichtung und in der Axialrichtung einer Längsmittel- achse des Stapels aus elektrochemischen Einheiten wirkenden Druckkräfte über die gesamte Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung hinweg auf.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens eine Spannelement-Durchtrittsöffnung in dem Stabilisierungsbereich des Rahmens angeordnet ist.
Besonders günstig ist es, wenn alle Spannelement-Durchtrittsöffnungen eines Rahmens in dem Stabilisierungsbereich des Rahmens angeordnet sind. Das erste Kunststoffmaterial kann beispielsweise ein Polyphenylensul- fon(PPSU)-Material, ein Polysulfon(PSU)-Material, ein Polyethersulfon(PES oder PESU)-Material, ein Polyphenylensulfid(PPS)-Material und/oder ein Poly- phtalamid(PPA)- Material umfassen.
Besonders günstig ist es, wenn das erste Kunststoffmaterial im Wesentlichen vollständig aus einem Polyphenylensulfon(PPSU)-Material, aus einem Poly- sulfon(PSU)-Material, aus einem Polyethersulfon(PES oder PESU)-Material, aus einem Polyphenylensulfid(PPS)-Material oder aus einem Polyphtalamid(PPA)- Material gebildet ist.
Das zweite Kunststoffmaterial umfasst vorzugsweise ein Polyamid(PA)-Material und/oder ein Polypropylen(PP)-Material.
Vorzugsweise ist das zweite Kunststoffmaterial im Wesentlichen vollständig aus einem Polyamid(PA)-Material oder aus einem Polypropylen(PP)-Material gebildet.
Wenn das zweite Kunststoffmaterial ein Polyamid(PA)-Material umfasst, so umfasst dieses Polyamid(PA)-Material vorzugsweise ein Polycaprolactam(PA6)- Material und/oder ein Polyamid-66(PA66)-Material.
Vorzugsweise ist in diesem Fall das in dem zweiten Kunststoffmaterial enthaltene Polyamid(PA)-Material im Wesentlichen vollständig aus einem Polycaprolactam(PA6)-Material oder aus einem Polyamid-66(PA66)-Material gebildet.
Die mechanische Steifigkeit des Stabilisierungsbereichs wird vorzugsweise durch das E-Modul (Elastizitätsmodul) des Materials, aus welchem der Stabilisierungsbereich gebildet ist, charakterisiert. Das E-Modul des Materials des Stabilisierungsbereichs beträgt vorzugsweise mindestens 5 GPa, insbesondere mindestens 10 GPa, besonders bevorzugt mindestens 15 GPa, beispielsweise mindestens 20 GPa.
Die mechanische Festigkeit des Stabilisierungsbereichs kann beispielsweise durch die Bruchspannung und/oder durch die Bruchdehnung des Materials, aus welchem der Stabilisierungsbereich gebildet ist, charakterisiert werden.
Dabei liegt vorzugsweise die Bruchspannung des Materials des Stabilisierungsbereichs bei mindestens 50 MPa, insbesondere bei mindestens 100 MPa, besonders bevorzugt bei mindestens 150 MPa, beispielsweise bei mindestens 200 MPa.
Die Bruchdehnung des Materials, aus welchem der Stabilisierungsbereich gebildet ist, liegt vorzugsweise bei mindestens 1 %, insbesondere bei mindestens 2 %, besonders bevorzugt bei mindestens 3 %, günstigerweise bei mindestens 4 %, beispielsweise bei mindestens 5 %.
Die Kriechbeständigkeit des Stabilisierungsbereichs kann beispielsweise durch das Zug-Kriechmodul des Materials, aus welchem der Stabilisierungsbereich gebildet ist, charakterisiert werden.
Dabei ist das Zug-Kriechmodul definiert als das Verhältnis zwischen der Zugspannung und der Verformung durch Zugdehnung bei einer langzeitigen Belastung (im Rahmen dieser Anmeldung und der beigefügten Ansprüche wird dabei von einer Belastungsdauer von 1000 Stunden ausgegangen).
Nach einer Belastungsdauer von 1000 Stunden beträgt das Zug-Kriechmodul des Materials, aus welchem der Stabilisierungsbereich gebildet ist, vorzugsweise mindestens 1000 MPa, insbesondere mindestens 2000 MPa, besonders bevorzugt mindestens 3000 MPa, günstigerweise mindestens 4000 MPa, beispielsweise mindestens 5000 MPa. Wenn der Stabilisierungsbereich im Wesentlichen vollständig aus dem zweiten Kunststoffmaterial gebildet ist, so gelten die vorstehend angegebenen Werte für das E-Modul (Elastizitätsmodul), die Bruchspannung, die Bruchdehnung und das Zug-Kriechmodul jeweils für das zweite Kunststoff material.
Zur Erhöhung der Festigkeit, der Steifigkeit und/oder der Kriechbeständigkeit des Materials des Stabilisierungsbereichs kann vorgesehen sein, dass das zweite Kunststoffmaterial Fasern, vorzugsweise Glasfasern, umfasst.
Dabei beträgt der Anteil der Fasern an dem zweiten Kunststoff material vorzugsweise mindestens 20 Gewichts-%, besonders bevorzugt mindestens 30 Gewichts-%.
Grundsätzlich können die in dem zweiten Kunststoffmaterial enthaltenen Fasern (insbesondere Glasfasern) Kurzfasern, Langfasern und/oder Endlosfasern umfassen.
Dabei gelten als Kurzfasern solche Fasern, welche eine Faserlänge von bis zu 1 mm aufweisen. Vorzugsweise weisen diese Kurzfasern eine Faserlänge von mindestens 0,1 mm auf.
Langfasern weisen eine Faserlänge von mehr als 1 mm bis zu 50 mm auf.
Endlosfasern weisen eine Faserlänge von mehr als 50 mm auf.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fasern, insbesondere Glasfasern, in dem zweiten Kunststoffmaterial zumindest teilweise eine Faserlänge von mehr als 1 mm aufweisen.
Besonders günstig ist, wenn alle Fasern, insbesondere Glasfasern, des zweiten Kunststoffmaterials eine Faserlänge von mehr als 1 mm aufweisen. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fasern, insbesondere Glasfasern, in dem zweiten Kunststoffmaterial Endlosfasern umfassen.
Für die Erhöhung der mechanischen Stabilität des Stabilisierungsbereichs hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn das zweite Kunststoffmaterial um mindestens einen Fixpunkt gewickelte Endlosfasern umfasst.
Dabei werden die mit einer Matrix getränkten Endlosfasern um den mindestens einen Fixpunkt gewickelt, bevor die Endlosfasern mit den übrigen Bestandteilen des zweiten Kunststoffmaterials umspritzt werden.
Endlosfaserbündel in einer thermoplastischen Matrix können beispielsweise als ein Kreis mit definiertem Radius gewickelt werden.
Die aus Endlosfasern gewickelte Struktur wird in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt, bevor die Kavität des Spritzgießwerkzeugs mit den übrigen Komponenten des zweiten Kunststoffmaterials befüllt wird.
Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass das erste Kunststoff material Fasern, vorzugsweise Glasfasern, umfasst.
Dabei beträgt der Anteil der Fasern an dem ersten Kunststoffmaterial vorzugsweise höchstens 20 Gewichts-%, besonders bevorzugt höchstens 10 Gewichts-%.
Beispielsweise kann als das erste Kunststoffmaterial ein Polyphenylen- sulfid(PPS)-Material mit einem Faseranteil, bevorzugt Glasfaseranteil, von ungefähr 20 Gewichts-% verwendet werden.
Die im ersten Kunststoffmaterial enthaltenen Fasern können dieselben Eigenschaften aufweisen wie die in dem zweiten Kunststoffmaterial enthaltenen Fasern, welche vorstehend beschrieben worden sind. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Medienführungsbereich und/oder der Stabilisierungsbereich des Rahmens durch ein Spritzgießverfahren hergestellt ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Medienführungsbereich und/oder der Stabilisierungsbereich des Rahmens Rippen und von den Rippen begrenzte Ausnehmungen umfasst.
Insbesondere kann der Medienführungsbereich des Rahmens in denjenigen Bereichen, in denen er nicht mit Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung in Kontakt kommt, mit Ausnehmungen versehen sein, was den Materialaufwand weiter reduziert und zu einer homogenen Wandstärkenverteilung führen kann, was die Hersteilbarkeit - insbesondere in einem Spritzgießverfahren - durch geringere bei der Herstellung auftretende Verzüge verbessern kann.
Aber auch im Stabilisierungsbereich kann durch das Vorsehen von durch Rippen begrenzten Ausnehmungen Material eingespart werden und die Hersteilbarkeit - insbesondere in einem Spritzgießverfahren - durch eine homogenere Wandstärkenverteilung, welche zu geringeren Verzügen führt, verbessert werden.
Durch das Vorsehen mehrerer von den Rippen begrenzter Ausnehmungen in dem Medienführungsbereich und/oder in dem Stabilisierungsbereich des Rahmens kann in dem Medienführungsbereich bzw. in dem Stabilisierungsbereich eine Skelettstruktur gebildet werden, welche zu einer besonders hohen Materialeffizienz hinsichtlich der vom Medienführungsbereich zu übernehmenden Abdichtfunktionen bzw. hinsichtlich der von dem Stabilisierungsbereich zu übernehmenden Druckaufnahmefunktionen in radialer Richtung und in axialer Richtung der elektrochemischen Vorrichtung führt. Der Medienführungsbereich des Rahmens ist vorzugsweise mit mindestens einer Durchtrittsöffnung für ein Betriebsmedium der elektrochemischen Vorrichtung versehen.
Ein solches Betriebsmedium kann insbesondere ein Elektrolyt, beispielsweise eine wässrige Lösung eines Alkali-Hydroxids, insbesondere eines Kalium- Hydroxids, oder ein durch elektrochemische Reaktion in der elektrochemischen Vorrichtung entstehendes Gas, beispielsweise ein Wasserstoffgas oder ein Sauerstoffgas, sein.
Mindestens eine der Durchtrittsöffnungen für ein Betriebsmedium kann als ein sich längs einer Umfangsrichtung des Rahmens erstreckendes Langloch ausgebildet sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Durchtrittsöffnungen für Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung, die in dem Medienführungsbereich vorgesehen sind, jeweils als ein sich längs einer Umfangsrichtung des Rahmens erstreckendes Langloch ausgebildet sind.
Aus den Durchtrittsöffnungen für die Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung setzen sich vorzugsweise Zuführkanäle und Abführkanäle für die Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung zusammen, welche sich parallel zu einer Längsmittelachse der elektrochemischen Vorrichtung durch die elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung hindurch erstrecken.
Zusätzlich zu diesen Durchtrittsöffnungen für die Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung umfasst der Medienführungsbereich des Rahmens einer elektrochemischen Vorrichtung vorzugsweise eine mittige, beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende, Durchtrittsöffnung, welche beispielsweise einen anodenseitigen Fluidraum oder einen kathodenseitigen Fluidraum der jeweiligen elektrochemischen Einheit aufnimmt, wobei der anodenseitige Fluidraum bzw. der kathodenseitige Fluidraum im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung auf der einen Seite durch eine Bipolarplatte und auf der anderen Seite durch eine Membran der elektrochemischen Einheit oder einer benachbarten elektrochemischen Einheit begrenzt wird.
Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des Stabilisierungsbereichs des Rahmens kann vorgesehen sein, dass der Stabilisierungsbereich des Rahmens einen in das zweite Kunststoffmaterial eingebetteten Spannring umfasst.
Ein solcher Spannring kann beispielsweise aus Endlosfasern, insbesondere aus Endlos-Glasfasern, gewickelt sein.
Wie bereits vorstehend ausgeführt, kann ein solcher Spannring aber auch entfallen, weil in der Radialrichtung der elektrochemischen Vorrichtung wirkende Druckkräfte bei der erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung bereits zumindest teilweise von mindestens einem der Spannelemente der Spannvorrichtung der elektrochemischen Vorrichtung aufgenommen werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist nämlich vorgesehen, dass mindestens eines der Spannelemente, vorzugsweise alle Spannelemente, der Spannvorrichtung der elektrochemischen Vorrichtung, im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung eine radial nach außen gerichtete Druckkraft von dem Rahmen jeder elektrochemischen Einheit der elektrochemischen Vorrichtung aufnimmt.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung eignet sich insbesondere als ein Elektrolyseur, insbesondere als ein alkalischer Elektrolyseur, oder als ein Redox-Flow-Speicher.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer elektrochemischen Vorrichtung, beispielsweise eines Elektrolyseurs, die mehrere elektrochemische Einheiten, beispielsweise Elektrolyseeinheiten, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, umfasst, wobei jede elektrochemische Einheit mindestens einen Medienseparator, vorzugsweise zwei Medienseparatoren, beispielsweise eine Membran und eine Bipolarplatte, und mindestens einen Rahmen, an welchem der mindestens eine Medienseparator im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung gehalten ist, umfasst, wobei der Rahmen einen Medienführungsbereich, der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung mit mindestens einem Betriebsmedium der elektrochemischen Vorrichtung in Kontakt kommt, und einen Stabilisierungsbereich, der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung nicht mit einem Betriebsmedium der elektrochemischen Vorrichtung in Kontakt kommt, umfasst, wobei der Medienführungsbereich ein erstes Kunststoffmaterial und der Stabilisierungsbereich ein zweites Kunststoffmaterial umfasst, wobei das erste Kunststoffmaterial und das zweite Kunststoffmaterial voneinander verschieden sind, wobei das erste Kunststoffmaterial eine höhere chemische Beständigkeit gegenüber mindestens einem der Betriebsmedien, mit welchen der Medienführungsbereich im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung in Kontakt kommt, aufweist als das zweite Kunststoffmaterial und/oder wobei das zweite Kunststoff material eine höhere Festigkeit, eine höhere Steifigkeit und/oder eine höhere Kriechbeständigkeit aufweist als das erste Kunststoffmaterial; Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch die elektrochemische Vorrichtung aus Fig. 1, längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Rahmen einer der elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung aus den Fig. 1 und 2, mit der Blickrichtung längs der Stapelrichtung; und
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Rahmen aus Fig. 3 längs eines Verbindungskanals zwischen einem Fluidraum der elektrochemischen Einheit und einem Mediumkanal der elektrochemischen Vorrichtung, längs der Linie 4-4 in Fig. 3.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den Fig. 1 bis 4 dargestellte und als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung ist beispielsweise als ein Elektrolyseur, insbesondere als ein alkalischer Elektrolyseur, ausgebildet.
Die elektrochemische Vorrichtung 100 umfasst einen Stapel 102 aus mehreren elektrochemischen Einheiten 104, welche längs einer Stapelrichtung 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 aufeinander folgen.
Der Stapel 102 aus elektrochemischen Einheiten 104 ist zwischen zwei Endplatten 108 angeordnet.
Wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen ist, umfasst die elektrochemische Vorrichtung 100 eine Spannvorrichtung 110, mittels welcher die beiden Endplatten 108 und der dazwischenliegende Stapel 102 aus elektrochemischen Einheiten 104 verspannbar sind. Die Spannvorrichtung 110 umfasst mehrere Spannelemente 112, welche sich im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung 106 erstrecken und längs der Umfangsrichtung der Endplatten 108 aufeinander folgen.
Bei der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 sind beispielsweise 24 Spannelemente 112 vorgesehen, von denen aber aus Gründen der Übersichtlichkeit (insbesondere in Fig. 1) nur jedes zweite zeichnerisch dargestellt ist.
Jedes der Spannelemente 112 kann jeweils eine Spannstange 114 umfassen.
Jede der Spannstangen 114 kann beispielsweise als eine Gewindestange 116 ausgebildet sein, welche mit einem Außengewinde 118 versehen ist.
An jedem Endbereich einer Spannstange 114 ist jeweils eine Spannmutter 120 vorgesehen, wobei jede Spannmutter 120 einer der Endplatten 108 zugeordnet ist und auf der der jeweils anderen Endplatte 108' abgewandten Seite der betreffenden Endplatte 108 angeordnet ist.
Jede der Spannmuttern 120 weist ein Innengewinde auf, welches in das Außengewinde 118 der jeweils zugeordneten Spannstange 114 eingreift.
Ferner ist jedes der Spannelemente 112 mit einer Isolierhülse 122 versehen, welche aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist und einen Kontakt zwischen dem betreffenden Spannelement 112 und einer der Endplatten 108 verhindert.
Zwischen der jeweils anderen Endplatte 108' und der der anderen Endplatte 108' zugeordneten Spannmutter 120' des Spannelements 112 ist mindestens ein Federelement 124 angeordnet, welches unter einer elastischen Vorspannung steht und dadurch die benachbarte Spannmutter 120' auf Abstand von der derselben zugeordneten Endplatte 108' hält. Durch diese elastische Vorspannung des mindestens eines Federelements 124 wird die der anderen Endplatte 108 zugeordnete Spannmutter 120 gegen die andere Endplatte 108 gezogen (wobei jedoch die Isolierhülse 122 einen direkten Kontakt zwischen dieser anderen Spannmutter 120 und der anderen Endplatte 108 verhindert).
Das mindestens eine Federelement 124, welches jeweils ein Spannelement 112 elastisch verspannt, kann beispielsweise als eine Tellerfeder 126 ausgebildet sein.
Jede der elektrochemischen Einheiten 104 der elektrochemischen Vorrichtung 100 umfasst jeweils zwei Rahmen 128 und 128', eine Membran 130, welche zwischen den beiden Rahmen 128 und 128' gehalten ist, und eine Bipolarplatte 132, welche zwischen einem der Rahmen 128' und einem Rahmen 128' einer benachbarten elektrochemischen Einheit 104 gehalten ist.
Die Bipolarplatte 132 kann auf der einen Seite mit einer Anode und auf der anderen Seite mit einer Kathode versehen sein.
Die Membran 130 und die Bipolarplatte 132 bilden jeweils einen Medienseparator 133 einer elektrochemischen Einheit, welcher einen anodenseitigen Fluidraum 136a und einen kathodenseitigen Fluidraum 136b voneinander trennt und an mindestens einem Rahmen 128 einer elektrochemischen Einheit 104 gehalten ist.
Einer der Rahmen 128 einer elektrochemischen Einheit 104 ist in Fig. 3 in einer Draufsicht längs der Stapelrichtung 106 dargestellt.
Der Rahmen 128 umfasst einen Medienführungsbereich 134, welcher einen Fluidraum 136 (beispielsweise einen kathodenseitigen Fluidraum 136b) der elektrochemischen Einheit 104 umgibt, und einen Stabilisierungsbereich 138, weicher den Medienführungsbereich 134 umgibt und eine äußere Begrenzung des Rahmens 128 zu einer Umgebung 140 der elektrochemischen Vorrichtung 100 hin bildet. Der Medienführungsbereich 134 des Rahmens 128 liegt im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 über Dichtungselemente 135 an dem Medienführungsbereich 134 eines benachbarten Rahmens 128' an (siehe Fig. 4).
Ferner liegt im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 der Medienführungsbereich 134 des Rahmens 128 über Dichtungselemente 137 an einer Bipolarplatte 132 und der Medienführungsbereich 134 des Rahmens 128' über Dichtungselemente 137' an einer Membran 130 an.
Der Medienführungsbereich 134 des Rahmens 128 ist mit mehreren Durchtrittsöffnungen 142 versehen, welche den Medienführungsbereich 134 und damit den Rahmen 128 längs der Stapelrichtung 106 durchsetzen.
Hierbei handelt es sich insbesondere um eine anodenseitige Zufuhr-Durch- trittsöffnung 144, um eine kathodenseitige Zufuhr-Durchtrittsöffnung 146, um eine anodenseitige Abfuhr-Durchtrittsöffnung 148 und um eine kathodenseitige Abfuhr-Durchtrittsöffnung 150.
Die Durchtrittsöffnungen 142 können beispielsweis als Langlöcher 143 ausgebildet sein, welche sich längs der Umfangsrichtung des Rahmens 128 erstrecken.
Jede der Durchtrittsöffnungen 142 des Medienführungsbereichs 134 steht über jeweils einen Verbindungskanal 152 (siehe beispielsweise Fig. 4) in Verbindung mit einem anodenseitigen Fluidraum 136a oder in Verbindung mit einem kathodenseitigen Fluidraum 136b einer elektrochemischen Einheit 104, wobei der anodenseitige Fluidraum 136a und der kathodenseitige Fluidraum 136b jeder elektrochemischen Einheit 104 durch die Membran 130 der jeweiligen elektrochemischen Einheit 104 voneinander getrennt sind. Der zweite Rahmen 128' einer elektrochemischen Einheit 104 umfasst einen Medienführungsbereich 134, welcher einen anodenseitigen Fluidraum 136a der elektrochemischen Einheit 104 umgibt.
Die Durchtrittsöffnungen 142 in den Medienführungsbereich 134 der Rahmen 128, 128' bilden zusammen Mediumkanäle 154, welche den Stapel 102 aus elektrochemischen Einheiten 104 längs der Stapelrichtung 106 und auch eine der Endplatten 108 durchsetzen, um die elektrochemischen Einheiten 104 mit einem Betriebsmedium zu versorgen bzw. um ein Betriebsmedium aus den elektrochemischen Einheiten 104 abzuführen.
Wenn es sich bei der elektrochemischen Vorrichtung 100 beispielsweise um einen alkalischen Elektrolyseur handelt, so wird den elektrochemischen Einheiten 104 des alkalischen Elektrolyseurs im Betrieb desselben beispielsweise eine 30 %ige wässrige Lösung von Kaliumhydroxid (KOH) über einen anodenseitigen Zufuhr-Mediumkanal 154a und über einen kathodenseitigen Zufuhr- Mediumkanal 154b zugeführt.
Dabei wird der anodenseitige Zufuhr-Mediumkanal 154a durch die anodenseitigen Zufuhr-Durchtrittsöffnungen 144 der Mediumführungsbereiche 134 der elektrochemischen Einheiten 104 gebildet, während der kathodenseitige Zufuhr-Mediumkanal 154b durch die kathodenseitigen Zufuhr-Durchtrittsöffnun- gen 146 der Medienführungsbereiche 134 der elektrochemischen Einheiten 104 gebildet wird.
Der anodenseitige Zufuhr-Mediumkanal 154a steht über einen (nicht dargestellten) Verbindungskanal mit jeweils einem anodenseitigen Fluidraum 136a der elektrochemischen Einheiten 104 in Fluidverbindung, während der kathodenseitige Zufuhr-Mediumkanal 154b über einen (ebenfalls nicht dargestellten) Verbindungskanal mit einem kathodenseitigen Fluidraum 136b der elektrochemischen Einheiten 104 in Fluidverbindung steht. Der anodenseitige Fluidraum 136a jeder elektrochemischen Einheit 104 steht über einen (nicht dargestellten) Verbindungskanal in Fluidverbindung mit einem anodenseitigen Abfuhr-Mediumkanal 154a.
Im Betrieb des alkalischen Elektrolyseurs gelangt durch diesen Verbindungskanal beispielsweise eine 30 %ige wässrige Lösung von Kaliumhydroxid (KOH) zusammen mit Sauerstoff, der durch die elektrochemischen Reaktionen in der jeweiligen elektrochemischen Einheit 104 gebildet worden ist, aus dem anodenseitigen Fluidraum 136a der betreffenden elektrochemischen Einheit 104 heraus in den anodenseitigen Abfuhr-Mediumkanal 154a.
Mittels eines (nicht dargestellten) anodischen Gasseparators der elektrochemischen Vorrichtung 100 wird aus diesem Gemisch der Sauerstoff abgeschieden und einem Sauerstoff-Sammelbehälter zugeführt.
Der kathodenseitige Fluidraum 136b jeder elektrochemischen Einheit 104 steht über einen (in Fig. 4 dargestellten) Verbindungskanal 152 in Fluidverbindung mit einem kathodenseitigen Abfuhr-Mediumkanal 154d, so dass über diesen Verbindungskanal 152 im Betrieb des alkalischen Elektrolyseurs ein Gemisch aus 30 %iger wässriger Lösung von Kaliumhydroxid (KOH) und von Wasserstoff, welcher durch die elektrochemischen Reaktionen in der betreffenden elektrochemischen Einheit 104 gebildet worden ist, aus dem kathodenseitigen Fluidraum 136b der elektrochemischen Einheit 104 in den kathodenseitigen Abfuhr-Mediumkanal 154d abführbar ist.
Aus diesem Gemisch ist der Wasserstoff mittels eines (nicht dargestellten) kathodischen Gasseparators der elektrochemischen Vorrichtung 100 abscheidbar und einem Wasserstoff-Sammelbehälter zuführbar.
Im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 laufen an den Elektroden der elektrochemischen Einheiten 104 elektrochemische Reaktionen ab, welche zur Bildung von gasförmigem Wasserstoff und gasförmigem Sauerstoff führen. Im Fall eines alkalischen Elektrolyseurs läuft an der Kathode jeder elektrochemischen Einheit 104 die folgende Reaktion ab:
2 H2O + 2 e’ H2 + 2 OH’.
An der Anode jeder elektrochemischen Einheit 104 läuft im Betrieb des alkalischen Elektrolyseurs die folgende Reaktion ab:
2 OH’ 1/2 O2 + H2O + 2 e-.
Die bei der Kathodenreaktion entstehenden Hydroxid-Ionen wandern dabei durch die Membran 130 der elektrochemischen Einheit 104 hindurch von dem kathodenseitigen Fluidraum 136b zu dem anodenseitigen Fluidraum 136a, wo die Hydroxid-Ionen dann in der Anodenreaktion verbraucht werden.
Der bei der Kathodenreaktion entstehende gasförmige Wasserstoff gelangt aus dem kathodenseitigen Fluidraum 136b durch den Verbindungskanal in den kathodenseitigen Abfuhr-Mediumkanal 154d.
Der bei der Anodenreaktion entstehende gasförmige Sauerstoff gelangt aus dem anodenseitigen Fluidraum 136a durch einen Verbindungskanal in den anodenseitigen Abfuhr-Mediumkanal 154c.
Der Medienführungsbereich 134 jedes Rahmens 128 einer der elektrochemischen Einheiten 104 kommt im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100, wenn diese als alkalischer Elektrolyseur betrieben wird, im Bereich der anodenseitigen Zufuhr-Durchtrittsöffnung 144, im Bereich der kathodenseitigen Zufuhr-Durchtrittsöffnung 146, im Bereich der anodenseitigen Abfuhr- Durchtrittsöffnung 148 und im Bereich der kathodenseitigen Abfuhr-Durch- trittsöffnung 150 sowie im Bereich der Berandung des zentralen anodenseitigen Fluidraums 136a bzw. des zentralen kathodenseitigen Fluidraums 136b in Kontakt mit der wässrigen Lösung von Kaliumhydroxid (KOH). Ferner kommt der Medienführungsbereich 134 jeder der elektrochemischen Einheiten 104 im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 im Bereich der Begrenzung des zentralen anodenseitigen Fluidraums 136a, im Bereich des Verbindungskanals zwischen dem anodischen Fluidraum 136a und der anodenseitigen Abfuhr-Durchtrittsöffnung 148 sowie im Bereich der anodenseitigen Abfuhr-Durchtrittsöffnung 148 in Kontakt mit dem durch die elektrochemischen Reaktionen gebildeten gasförmigen Sauerstoff.
Ferner kommt der Medienführungsbereich 134 jeder elektrochemischen Einheit 104 im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 im Bereich der Begrenzung des zentralen kathodenseitigen Fluidraums 136b, im Bereich des Verbindungskanals 152 zwischen dem kathodenseitigen Fluidraum 136b und der kathodenseitigen Abfuhr-Durchtrittsöffnung 150 sowie im Bereich der kathodenseitigen Abfuhr-Durchtrittsöffnung 150 in Kontakt mit dem bei den elektrochemischen Reaktionen gebildeten gasförmigen Wasserstoff.
Der Medienführungsbereich 134 jedes Rahmens 128, 128' einer elektrochemischen Einheit 104 ist daher vorzugsweise aus einem ersten Kunststoffmaterial gebildet, welches eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber den Betriebsmedien der elektrochemischen Vorrichtung 100, das heißt gegenüber der wässrigen Lösung aus Kaliumhydroxid (KOH), gegenüber dem gasförmigen Sauerstoff und gegenüber dem gasförmigen Wasserstoff, aufweist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das erste Kunststoffmaterial ein Polyphenylensulfon(PPSU)-Material, ein Polysulfon(PSU)-Material, ein Polyethersulfon(PES oder PESU)-Material, ein Polyphenylensulfid(PPS)-Material und/oder ein Polyphtalamid(PPA)-Material umfasst.
Besonders günstig ist es, wenn das erste Kunststoff material ein Polyphenylen- sulfon(PPSU)-Material, ein Polysulfon(PSU)-Material, ein Polyethersulfon(PES oder PESU)-Material, ein Polyphenylensulfid(PPS)-Material oder ein Polyphtalamid(PPA)-Material als Hauptbestandteil, das heißt als den Bestandteil mit dem höchsten Gewichtsanteil, umfasst. Besonders günstig ist es, wenn das erste Kunststoffmaterial im Wesentlichen vollständig aus einem Polyphenylensulfon(PPSU)-Material, aus einem Poly- sulfon(PSU)-Material, aus einem Polyethersulfon(PES oder PESU)-Material, aus einem Polyphenylensulfid(PPS)-Material oder aus einem Polyphtalamid(PPA)- Material gebildet ist.
Der Stabilisierungsbereich 138 jedes Rahmens 128 einer elektrochemischen Einheit 104 weist hingegen keine Durchtrittsöffnungen auf, durch welche im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 ein Betriebsmedium der elektrochemischen Vorrichtung 100 strömt.
Vielmehr weist der Stabilisierungsbereich 138 lediglich Spannelement-Durchtrittsöffnungen 156 auf, welche sich in der parallel zur Stapelrichtung 106 gerichteten Axialrichtung des jeweiligen Rahmens 128, 128' durch den Stabilisierungsbereich 138 hindurch erstrecken.
Die Anzahl der Spannelement-Durchtrittsöffnungen 156 stimmt vorzugsweise mit der Anzahl der Spannelemente 112 der Spannvorrichtung 110 der elektrochemischen Vorrichtung 100 überein.
Im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 erstreckt sich durch jede der Spannelement-Durchtrittsöffnungen 156 jeweils eines der Spannelemente 112, beispielsweise in Form jeweils einer Spannstange 114, hindurch.
Die Spannelement-Durchtrittsöffnungen 156 des Stabilisierungsbereichs 138 folgen längs der Umfangsrichtung des Rahmens 128 aufeinander.
Dabei können die Spannelement-Durchtrittsöffnungen 156 alle denselben Abstand von der zentralen Längsmittelsachse 158 des Rahmens 128 aufweisen. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die Spannelement-Durchtrittsöffnungen 156 unterschiedliche Abstände von der zentralen Längsmittel- achse 158 des Rahmens 128 aufweisen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Spannelement-Durchtrittsöffnungen 156a, welche benachbart zu den Durchtrittsöffnungen 142 des Medienführungsbereichs 134 des Rahmens 128 angeordnet sind, einen größeren Abstand von der Längsmittelachse 158 des Rahmens 128 aufweisen als die Spannelement-Durchtrittsöffnungen 156b, welche in Bereichen des Rahmens 128 angeordnet sind, die keiner der Durchtrittsöffnungen 142 des Medienführungsbereichs 134 benachbart sind.
Im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 herrscht in den fluidführenden Bereichen der elektrochemischen Vorrichtung 100 ein Innendruck p, welcher deutlich über dem Außendruck in der Umgebung 140 der elektrochemischen Vorrichtung 100 liegt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Innendruck p in den fluidführenden Bereichen der elektrochemischen Einheiten 104 mindestens 20 barg, besonders bevorzugt mindestens 30 barg, beträgt (und somit um mindestens 20 bar bzw. um mindestens 30 bar über dem in der Umgebung 140 der elektrochemischen Vorrichtung 100 herrschenden Atmosphärendruck liegt).
Durch diesen Druck werden im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 die radial innerhalb der Spannelement-Durchtrittsöffnungen 156 liegenden Bereiche des Rahmens 128 gegen die diese Spannelement-Durchtrittsöffnungen 156 durchsetzenden Spannelemente 112 der elektrochemischen Vorrichtung 100 gepresst, so dass der Rahmen 128 sich unter der Betriebslast in radialer Richtung der Längsmittelachse 158 ausdehnt. Die Spannelemente 112 dienen somit, zusätzlich zur Aufbringung der nötigen Flächenpressung in der Axialrichtung der elektrochemischen Vorrichtung 100, zur Abstützung der radialen Druckkräfte, welche in den elektrochemischen Einheiten 104 auftreten.
Die Spannelemente 112, insbesondere die Spannstangen 114, sind vorzugsweise aus einem metallischen Material, beispielsweise aus einem Stahlmaterial, gebildet.
Um die axialen und die radialen Druckkräfte, welche auf die Rahmen 128, 128' im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 einwirken, zuverlässig und langzeitbeständig aufnehmen zu können, umfasst der Stabilisierungsbereich 138 jedes Rahmens 128 der elektrochemischen Einheiten 104 vorzugsweise ein zweites Kunststoffmaterial, welches eine höhere Festigkeit, eine höhere Steifigkeit und/oder eine höhere Kriechbeständigkeit aufweist als das erste Kunststoffmaterial, welches der Medienführungsbereich 134 des Rahmens 128 beinhaltet.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das zweite Kunststoffmaterial ein Polyamid(PA)-Material und/oder ein Polypropylen(PP)-Material umfasst.
Günstig ist es, wenn das zweite Kunststoffmaterial ein Polyamid(PA)-Material oder ein Polypropylen(PP)-Material als Hauptbestandteil, das heißt als den Bestandteil mit dem höchsten Gewichtsanteil, umfasst.
Besonders günstig ist es, wenn das zweite Kunststoffmaterial im Wesentlichen vollständig aus einem Polyamid(PA)-Material oder aus einem Polypropy- len(PP)-Material gebildet ist.
Wenn das zweite Kunststoffmaterial ein Polyamid(PA)-Material umfasst, so kann vorgesehen sein, dass dieser Anteil des zweiten Kunststoffmaterials ein Polycaprolactam(PA6)-Material und/oder ein Polyamid-66(PA66)-Material umfasst. Besonders günstig ist es, wenn in diesem Fall der Polyamid(PA)-Material-Anteil des zweiten Kunststoffmaterials ein Polycaprolactam(PA6)-Material oder ein Polyamid-66(PA66)-Material als Hauptbestandteil, das heißt als den Bestandteil mit dem höchsten Gewichtsanteil, umfasst.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Polyamid(PA)-Material-Anteil des zweiten Kunststoffmaterials im Wesentlichen vollständig aus einem Polycaprolactam(PA6)-Material oder aus einem Polyamid-66(PA66)-Material gebildet ist.
Die mechanische Steifigkeit des Stabilisierungsbereichs wird vorzugsweise durch das E-Modul (Elastizitätsmodul) des Materials, aus welchem der Stabilisierungsbereich gebildet ist, charakterisiert.
Das E-Modul des Materials des Stabilisierungsbereichs beträgt vorzugsweise mindestens 5 GPa, insbesondere mindestens 10 GPa, besonders bevorzugt mindestens 15 GPa, beispielsweise mindestens 20 GPa.
Die mechanische Festigkeit des Stabilisierungsbereichs kann beispielsweise durch die Bruchspannung und/oder durch die Bruchdehnung des Materials, aus welchem der Stabilisierungsbereich gebildet ist, charakterisiert werden.
Dabei liegt vorzugsweise die Bruchspannung des Materials des Stabilisierungsbereichs bei mindestens 50 MPa, insbesondere bei mindestens 100 MPa, besonders bevorzugt bei mindestens 150 MPa, beispielsweise bei mindestens 200 MPa.
Die Bruchdehnung des Materials, aus welchem der Stabilisierungsbereich gebildet ist, liegt vorzugsweise bei mindestens 1 %, insbesondere bei mindestens 2 %, besonders bevorzugt bei mindestens 3 %, günstigerweise bei mindestens 4 %, beispielsweise bei mindestens 5 %. Die Kriechbeständigkeit des Stabilisierungsbereichs kann beispielsweise durch das Zug-Kriechmodul des Materials, aus welchem der Stabilisierungsbereich gebildet ist, charakterisiert werden.
Dabei ist das Zug-Kriechmodul definiert als das Verhältnis zwischen der Zugspannung und der Verformung durch Zugdehnung bei einer langzeitigen Belastung (im Rahmen dieser Anmeldung und der beigefügten Ansprüche wird dabei von einer Belastungsdauer von 1000 Stunden ausgegangen).
Nach einer Belastungsdauer von 1000 Stunden beträgt das Zug-Kriechmodul des Materials, aus welchem der Stabilisierungsbereich gebildet ist, vorzugsweise mindestens 1000 MPa, insbesondere mindestens 2000 MPa, besonders bevorzugt mindestens 3000 MPa, günstigerweise mindestens 4000 MPa, beispielsweise mindestens 5000 MPa.
Wenn der Stabilisierungsbereich im Wesentlichen vollständig aus dem zweiten Kunststoffmaterial gebildet ist, so gelten die vorstehend angegebenen Werte für das E-Modul (Elastizitätsmodul), die Bruchspannung, die Bruchdehnung und das Zug-Kriechmodul jeweils für das zweite Kunststoff material.
Ferner hat es sich zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit, Steifigkeit und Kriechbeständigkeit des zweiten Kunststoffmaterials als günstig erwiesen, wenn das zweite Kunststoffmaterial Glasfasern umfasst.
Dabei ist es besonders günstig, wenn der Anteil der Glasfasern an dem zweiten Kunststoff material mindestens 20 Gewichts-%, besonders bevorzugt mindestens 30 Gewichts-%, beträgt.
In diesem Fall ist es ferner günstig, wenn das zweite Kunststoffmaterial neben den Glasfasern im Wesentlichen nur ein Polyamid(PA)-Material und/oder ein Polypropylen(PP)-Material enthält. Die Glasfasern des zweiten Kunststoffmaterials können grundsätzlich Kurzfasern (mit einer Faserlänge von 0,1 mm bis 1 mm), Langfasern (mit einer Faserlänge von mehr als 1 mm bis 50 mm) und/oder Endlosfasern (mit einer Faserlänge von mehr als 50 mm) umfassen.
Als günstig hat es sich erwiesen, wenn die Glasfasern des zweiten Kunststoffmaterials zumindest teilweise eine Faserlänge von mehr als 1 mm aufweisen.
Ferner ist es günstig, wenn die Glasfasern des zweiten Kunststoffmaterials Endlosfasern umfassen.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das zweite Kunststoffmaterial um mindestens einen Fixpunkt gewickelte Endlosfasern umfasst.
Der Stabilisierungsbereich 138 eines Rahmens 128, 128' einer elektrochemischen Einheit 103 der elektrochemischen Vorrichtung 100 kann einen in das zweite Kunststoffmaterial eingebetteten Spannring 166 umfassen (siehe Fig. 4).
Ein solcher Spannring 166 kann beispielsweise aus Endlos-Glasfasern gewickelt sein.
Die Glasfasern des zweiten Kunststoffmaterials können vorzugsweise zumindest teilweise aus einem sogenannten "Electric Glass" gebildet sein.
Bei einem solchen "Electric Glass" handelt es sich um ein Aluminiumborsilikat- Glas mit einem Gewichtsanteil von weniger als 2 % an Alkalioxiden.
Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass das erste Kunststoff material Glasfasern umfasst. Dabei beträgt der Anteil der Glasfasern an dem ersten Kunststoffmaterial vorzugsweise höchstens 20 Gewichts-%, besonders bevorzugt höchstens 10 Gewichts-%.
Beispielsweise kann als das erste Kunststoffmaterial ein Polyphenylen- sulfid(PPS)-Material mit einem Glasfaseranteil von ungefähr 20 Gewichts-% verwendet werden.
Der Medienführungsbereich 134 und/oder der Stabilisierungsbereich 138 jedes Rahmens 128 einer elektrochemischen Einheit 104 der elektrochemischen Vorrichtung 100 ist vorzugsweise durch ein Spritzgießverfahren hergestellt.
Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in einem ersten Spritzgießvorgang Strukturen aus gewickelten Endlos-Glasfasern in die Kavität eines Spritzgießwerkzeugs eingelegt werden, worauf dann die Kavität des Spritzgießwerkzeugs mit dem zweiten Kunststoffmaterial gefüllt wird, um die Strukturen aus den Endlos-Glasfasern mit dem zweiten Kunststoffmaterial zu umspritzen.
Nachdem der Stabilisierungsbereich 138 eines Rahmens 128 in dieser Weise hergestellt worden ist, kann bei einem weiteren Spritzgießverfahren in einem zweiten Spritzgießwerkzeug der Medienführungsbereich 134 aus dem ersten Kunststoffmaterial an den Stabilisierungsbereich 138 des Rahmens 128 angespritzt werden.
Bei einer (nicht separat dargestellten) Variante der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 ist vorgesehen, dass jeder Rahmen 128, 128' einer elektrochemischen Einheit 104 in Bereichen, in denen kein Kontakt mit einem Betriebsmedium der elektrochemischen Vorrichtung 100 erfolgt, mit Ausnehmungen 160 versehen ist. Diese Ausnehmungen 160 sind in Fig. 4 schraffiert dargestellt und können im Medienführungsbereich 134 und/oder im Stabilisierungsbereich 138 des Rahmens 128 vorgesehen sein. Die Ausnehmungen 160 werden bei dieser Variante von Rippen 162 begrenzt, welche zusammen eine Skelettstruktur 164 bilden.
Wenn die Rahmen 128, 128' der elektrochemischen Einheiten 104 eine durch solche Rippen 162 gebildete Skelettstruktur 164 aufweisen, so bietet dies den Vorteil, dass für die Bildung des Medienführungsbereichs 134 eine geringe Menge des ersten Kunststoffmaterials und/oder für die Bildung des Stabilisierungsbereichs 138 eine geringere Menge des zweiten Kunststoffmaterials benötigt wird.
Ferner weist eine durch solche Ausnehmungen 160 gebildete Skelettstruktur 164 eine vergleichmäßigte Wandschichtdicke auf, was die Herstellung der Skelettstruktur 164 durch ein Spritzgießverfahren erleichtert.
Im Übrigen stimmt diese Variante der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere elektrochemische Einheiten (104), die längs einer Stapelrichtung (106) aufeinander folgen, wobei jede elektrochemische Einheit (104) mindestens einen Medienseparator (133) und mindestens einen Rahmen (128), an welchem der Medienseparator (133) im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung (100) gehalten ist, umfasst und wobei die elektrochemischen Einheiten (104) mittels einer Spannvorrichtung (110) der elektrochemischen Vorrichtung (100) miteinander verspannt sind, wobei die Spannvorrichtung (110) mehrere Spannelemente (112) umfasst, welche sich im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung (106) erstrecken, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Rahmen (128) der elektrochemischen Einheiten (104) jeweils mindestens eine Spannelement-Durchtrittsöffnung (156) aufweisen, durch welche jeweils eines der Spannelemente (112) sich im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung (100) hindurch erstreckt.
2. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmen (128) der elektrochemischen Einheiten (104) für jedes der Spannelemente (112) der Spannvorrichtung (110) jeweils eine Spannelement-Durchtrittsöffnung (156) aufweisen, durch welche das jeweils zugeordnete Spannelement (112) sich im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung (100) hindurch erstreckt.
3. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (112) jeweils eine Spannstange (114) oder eine Spannschraube umfassen.
4. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rahmen (128) einer elektrochemischen Einheit (104) mindestens zwei Spannelement-Durchtrittsöffnungen (156a, 156b) aufweist, welche in unterschiedlichen Abständen von einer Längsmittelsachse (158) des Rahmens (128) angeordnet sind.
5. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rahmen (128) einer elektrochemischen Einheit (104) mindestens zwei Spannelement-Durchtrittsöffnungen (156) aufweist, welche in demselben Abstand von einer Längsmittelachse (158) des Rahmens (128) angeordnet sind.
6. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rahmen (128) einer elektrochemischen Einheit (104) einen Medienführungsbereich (134), der in Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung (100) mit mindestens einem Betriebsmedium der elektrochemischen Vorrichtung (100) in Kontakt kommt, und einen Stabilisierungsbereich (138), der im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung (100) nicht mit einem Betriebsmedium der elektrochemischen Vorrichtung (100) in Kontakt kommt, umfasst, wobei der Medienführungsbereich (134) ein erstes Kunststoffmaterial und der Stabilisierungsbereich (138) ein zweites Kunststoffmaterial umfasst, wobei das erste Kunststoffmaterial und das zweite Kunststoffmaterial voneinander verschieden sind, wobei das erste Kunststoffmaterial eine höhere chemische Beständigkeit gegenüber mindestens einem der Betriebsmedien, mit welchen der Medienführungsbereich (134) im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung in Kontakt kommt, aufweist als das zweite Kunststoffmaterial und wobei das zweite Kunststoff material eine höhere Festigkeit, eine höhere Steifigkeit und/oder eine höhere Kriechbeständigkeit aufweist als das erste Kunststoffmaterial.
7. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spannelement-Durchtrittsöffnung (156) in dem Stabilisierungsbereich (138) des Rahmens (128) angeordnet ist.
8. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoff material ein Polyphenylensulfon(PPSU)-Material, ein Polysulfon(PSU)-Material, ein Polyethersulfon(PES oder PESU)-Material, ein Polyphenylensulfid(PPS)- Material und/oder ein Polyphtalamid(PPA)-Material umfasst.
9. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kunststoffmaterial ein Polyamid(PA)-Material und/oder ein Polypropylen(PP)-Material umfasst.
10. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kunststoffmaterial ein Polycaprolactam(PA6)-Material und/oder ein Polyamid-66(PA66)-Material umfasst.
11. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffmaterial und/oder das zweite Kunststoffmaterial Fasern umfasst.
12. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienführungsbereich (134) und/oder der Stabilisierungsbereich (138) des Rahmens (128) durch ein Spritzgießverfahren hergestellt ist.
13. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (128) Rippen (162) und von den Rippen (162) begrenzte Ausnehmungen (160) umfasst.
14. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienführungsbereich (134) mit mindestens eines Durchtrittsöffnung (142) für ein Betriebsmedium der elektrochemischen Vorrichtung (100) versehen ist.
15. Elektrochemische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Spannelemente (112) im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung (100) eine radial nach außen gerichtete Druckkraft von dem Rahmen (128) aufnimmt.
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