DE102019217722B3

DE102019217722B3 - Anordnung elektrochemischer Zellen

Info

Publication number: DE102019217722B3
Application number: DE102019217722.0A
Authority: DE
Inventors: Nicolas Höfling; Kolja Bromberger; Tom Smolinka
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2021-04-29
Anticipated expiration: 2039-11-19

Abstract

Anordnung elektrochemischer Zellen bei der an den Seiten, an denen eine Elektrode und eine Gegenelektrode angeordnet ist, jeweils eine Bipolarplatte (6) angeordnet ist, und um die jeweilige Elektrode und die jeweilige Gegenelektrode ein umlaufender äußerer Rand (7) vorhanden ist.Zwischen jeweils zwei benachbarten Bipolarplatten (6) sind zwei Flachdichtelemente (1) angeordnet. In dem Flachdichtelement (1) ist von einem äußeren Rand (7) umschlossen, eine Durchbrechung (2), in die die Elektrode oder Gegenelektrode einsetzbar ist, ausgebildet. Die Zellen sind von zwei gegenüberliegenden Seiten mit einer Druckkraft FDso beaufschlagt, dass die Flachdichtelemente (1) elastisch verformt werden und dabei zwischen den sich berührenden Oberflächen der jeweiligen Flachdichtelemente (1) und den Oberflächen der jeweiligen Bipolarplatte (6) oder der Membran (5) im Bereich des äußeren Randes (7) eine Normalkraft FNwirkt, die größer als die Haftreibungskraft FRHist, die zwischen den sich berührenden Oberflächen der Flachdichtelemente (1) und der Bipolarplatten (6) unter Berücksichtigung des jeweiligen maximalen Betriebsdrucks in einer Halbzelle und der Größe der Oberfläche ASeitedes jeweiligen Flachdichtelements (1), an der der maximale Betriebsdruck der innerhalb einer der Halbzellen wirkt, ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung elektrochemischer Zellen, bei der mehrere elektrochemische Zellen übereinander gestapelt angeordnet sind. Die elektrochemischen Zellen sind dabei jeweils mit einer Membran, insbesondere einer polymeren Elektrolytmembran (PEM), an deren sich gegenüberliegend angeordneten Oberflächen eine Elektrode und eine Gegenelektrode angeordnet sind, gebildet. Dabei ist eine Halbzelle mit einem Dickenanteil der polymeren Membran und einer Elektrode oder Gegenelektrode gebildet. Zusätzlich kann noch ein Fluidverteilerelement Bestandteil und funktionales Bauteil einer Halbzelle, das zwischen Elektrode oder Gegenelektrode und einer Oberfläche einer Bipolarplatte angeordnet sein. Fluidverteilerelemente können elektrisch leitende poröse Elemente, wie z.B. Metallschaum, Gitter oder Drahtgeflechte sein.
Die Anordnung kann bei entsprechender Werkstoffauswahl in elektrochemischen Reaktoren, bei der PEM Elektrolyse, der alkalischen Elektrolyse, in Brennstoffzellen oder in Redox-Flow Batterien eingesetzt werden.
Eine ebene, bipolare, elektrochemische Zelle, muss pro Halbzelle zwei Bereiche in der planen Ebene aufweisen. In einem ersten zentralen Bereich können funktionelle Bauteile, wie z.B. die Reaktionsfläche, Diffusoren, poröse Schichten o.ä. als Fluidverteilerelemente, angeordnet sein. In einem zweiten Bereich, der den zentralen Bereich außen umschließt, sind üblicherweise Dichtelemente angeordnet, die die Halbzelle fluidisch von der Umgebung trennen.
Des Weiteren müssen Fluide zum ersten Bereich der Halbzelle hin und von dieser weg geleitet werden. Daher sind zum einen Zu- und Ablaufkanäle und zum anderen Anströmareale von den Kanälen, hin zu den funktionellen Bauteilen bzw. weg von den funktionellen Bauteilen, hin zu den Kanälen notwendig. Daraus ergibt sich für gewöhnlich die Notwendigkeit, die beiden Halbzellen einer elektrochemischen Zelle in den genannten Bereichen fluiddicht gegeneinander abzudichten.
Um die Funktion der funktionellen Bauteile nicht zu beeinflussen, liegen sowohl die Kanäle als auch die Anströmareale im Allgemeinen im Bereich der Dichtelemente. Da die funktionellen Bauteile eine gewisse Bauhöhe orthogonal zur planen Zellebene aufweisen, müssen auch die Dichtelemente die entsprechende Höhe haben. Sind diese zu dünn, kann keine Dichtheit erreicht werden, sind sie zu dick, ist keine elektrische Kontaktierung der einzelnen funktionellen Bauteile in orthogonaler Richtung zur planen Ebene der elektrochemischen Zellen möglich. Es ist dabei essentiell, dass über den äußeren Bereich der jeweiligen elektrochemischen Zelle kein Kurzschluss von einer Halbzelle zur anderen möglich ist.
Im Allgemeinen liegen die funktionellen Bauteile auf einer Platte auf, über die eine elektrische Kontaktierung nach außen stattfindet. Ohne eine Positionierungshilfe, würden die funktionellen Bauteile möglicherweise ihre Position in der planen Ebene verändern und somit die Funktion der Zelle beeinträchtigen.
Folglich soll der äußere Bereich einer solchen Halbzelle folgende Funktionen erfüllen:

a. Dichtung gegenüber der Umgebung
b. Dichtung der beiden Halbzellen gegeneinander
c. Fluid Zu- und Abfuhr zur Zelle hin und von der Zelle weg
d. Ein- und Ausbringung von Fluiden über Anströmareale in die Zelle hinein und aus der Zelle hinaus
e. Positionierung der funktionellen Bauteile
f. elektrische Isolation der einzelnen Halbzellen gegeneinander außerhalb der aktiven Fläche

Nach dem Stand der Technik werden üblicherweise Rahmenteile eingesetzt, auf denen die genannten Funktionen a) bis f) konstruktiv umgesetzt werden.
Da speziell PEM- Elektrolysezellen häufig unter erhöhtem Innendruck betrieben werden, müssen die Dichtelemente und Rahmenteile dem aus Richtung der funktionellen Bauteile nach außen wirkenden Druck standhalten. Die Festigkeit der Dichtelemente und Rahmenteile sollte den wirkenden Betriebsdruck berücksichtigen, um die auftretenden Kräfte aufnehmen zu können.
Ein weiteres Problem stellt der Übergang zwischen funktionellen Bauteilen zum Randbereich dar. Hier entsteht, aufgrund von Fertigungstoleranzen, immer ein Spalt zum Rahmenteil. Je nach Genauigkeit und Ausführung, ist dieser Spalt breiter oder schmaler. In diesem Bereich können sich Strömungen ausbilden, die für die Funktion der Zelle unerwünscht sind. Während die verwendete Membran im inneren Bereich über die gesamte aktive Fläche durch die funktionellen Bauteile und im äußeren Bereich durch das eingebaute Bauteil gestützt wird, liegt sie im Bereich des Spaltes frei schwebend. Schon durch geringe Kräfte, die z.B. durch Druckunterschiede in den beiden Halbzellen einer elektrochemischen Zelle auftreten, kann die Membran in Richtung einer der beiden Halbzellen in diesen Spalt gepresst werden. Dabei besteht die Gefahr einer Abscherung, da aufgrund der Fertigung immer Kanten entstehen. Wird die Membran einmal eingeschnitten, ist eine fluidische und elektrische Trennung der beiden Halbzellen nicht mehr gegeben und die Zelle ist nicht mehr funktionsfähig.
Der bereits erwähnte äußere Bereich einer Halbzelle wird nach dem Stand der Technik als Rahmenteil ausgeführt. In diesen Rahmenteilen finden sich entsprechende Aussparungen, die (c.) Kanäle oder (e.) die Aufnahme der funktionellen Bauteile und damit die aktive Zellfläche darstellen. In der Region zwischen den Kanälen und der aktiven Zellfläche, die für die eigentliche elektrochemische Reaktion genutzt werden kann, werden (d.) die Anströmareale in Form von Vertiefungen, Bohrungen o.ä. realisiert. Im Allgemeinen werden Kunststoffe verwendet, um die (f.) elektrische Isolation zu garantieren.
Die (a.), (b.) Dichtungsfunktion wird jedoch fast immer mittels weiterer Bauteile, in Form von O-Ringen, aufgespritzten Konturen, zusätzlichen Flachdichtungen, o.ä. erfüllt. Dabei ist es notwendig auch den Dichtungselementen eine Positionierungshilfe zu geben. Dies geschieht in Form von O-Ring-Nuten, Oberflächenkonturen, Erhöhungen, o.ä.
Unter Umständen werden auch die Bipolarplatten, die die einzelnen elektrochemischen Zellen eines Zellstapels voneinander trennen, mit einer Positionierungshilfe für die Dichtelemente versehen.
So ist aus DE 697 14 176 T2 ein Verfahren zum Ausschalten einer funktionsgestörten Elementarzelle in einer eine Membran enthaltenden Elektrolysevorrichtung oder einem Brennstoffzellengenerator bekannt.
Eine Anordnung elektrochemischer Zellen ist in DE 10 2013 225 159 B4 beschrieben.
Aus https://www.dupont.com/knowledge/seals-and-gaskets.html [abgerufen am 01.07.2020] sind thermoplastische Elastomere enthalten, die als Dichtungsmaterialien eingesetzt werden können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine vereinfachte und sichere Abdichtung bei bipolaren elektrochemischen Zellen und Zellstapel anzugeben und die die o.g. Funktionen a) bis f) erfüllen können und mit denen der Montage- und Positionieraufwand verringert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die Anordnung elektrochemischer Zellen ist mit elektrochemischen Zellen gebildet, die jeweils mit einer Membran an deren sich gegenüberliegend angeordneten Oberflächen eine Elektrode und eine Gegenelektrode angeordnet sind. An den Seiten, an denen eine Elektrode und eine Gegenelektrode angeordnet sind, ist jeweils eine Bipolarplatte aus elektrisch leitendem Werkstoff angeordnet. Die Bipolarplatten sind so geometrisch gestaltet und dimensioniert, dass um die jeweilige Elektrode und die jeweilige Gegenelektrode ein äußerer Rand vorhanden ist, wenn mehrere elektrochemische Zellen zusammengebaut und übereinander angeordnet sind.
Zwischen jeweils zwei benachbarten Bipolarplatten sind zwei Flachdichtelemente und zwischen zwei Flachdichtelementen die Membran angeordnet. Die Flachdichtelemente sind aus einem elektrisch nichtleitenden elastisch verformbaren Material gebildet.
In dem Flachdichtelement ist von einem äußeren Rand umschlossen eine Durchbrechung, in die bevorzugt passgenau die Elektrode oder Gegenelektrode einsetzbar ist, ausgebildet. Im Bereich des äußeren Randes des jeweiligen Flachdichtelements sind Durchbrechungen und davon getrennt Aussparungen, die mit der jeweiligen Durchbrechung dieses Flachdichtelements in Verbindung stehen, für eine Zu- oder Abführung von Fluiden ausgebildet.
Die Elektrode oder Gegenelektrode sollte in eine in einem Flachdichtelement ausgebildete Durchbrechung so eingesetzt sein, dass Stirnflächen der Elektrode oder Gegenelektrode an der Innenwand der Durchbrechung anliegen.
Die elektrochemischen Zellen werden von zwei gegenüberliegenden Seiten mit einer Druckkraft F_D so beaufschlagt, dass die Flachdichtelemente elastisch verformt werden und im verformten Zustand eine Dicke in Richtung der wirkenden Druckkraft F_D aufweisen, die in Summe der Höhe des Dickenanteils einer Halbzelle einer elektrochemischen Zelle entspricht.
Dabei wirkt zwischen den sich berührenden Oberflächen der jeweiligen Flachdichtelemente und den Oberflächen der jeweiligen Bipolarplatten im Bereich des äußeren Randes eine Normalkraft F_N, die der jeweiligen Druckkraft, die auf ein Flachdichtelement wirkt und die größer als die Haftreibungskraft F_RH ist, die zwischen den sich berührenden Oberflächen der Flachdichtelemente und der Bipolarplatten unter Berücksichtigung des jeweiligen maximalen Betriebsdrucks in einer Halbzelle und der Größe der Oberfläche A_Seite der Flachdichtelemente, an der der maximale Betriebsdruck der innerhalb einer der Halbzellen wirkt, ist.
Anders ausgedrückt führt eine Normalkraft F_N zu einer Haftreibung zwischen dem Flachdichtelement und der jeweiligen Bipolarplatte. Dabei ist die Normalkraft so groß, dass die Aufgrund des maximalen Betriebsdruckes in einer Halbzelle und der seitlichen Oberfläche A_Seite des Flachdichtelementes nach außen wirkende Druckkraft, nicht größer ist als die wirkende Haftreibungskraft.
Außerdem ist an keiner elektrochemischen Zelle ein zusätzliches Rahmenelement vorhanden, an der ein zusätzliches Dichtelement und/oder Elemente für eine Positionierung bzw. Fixierung vorhanden ist/sind.
Die Dichtwirkung an Halbzellen kann ausschließlich mittels der Flachdichtelemente und der daran wirkenden Druckkraft F_D erreicht werden.
Die Flachdichtelemente können vorteilhaft mit einem Material, das ausgewählt ist aus Thermoplasten, Duroplasten, Elastomere und Kombinationen davon, gebildet sein. Insbesondere können dies ein Silikon, ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, ein Acryl-Butadien-Kautschuk, Polytetrafluorethen, Polyolefin oder FKM sein.
Besonders vorteilhaft können Flachdichtelemente aus Polytetrafluorethen (PTFE) bestehen oder damit gebildet sein. Bevorzugt ist dabei eine multidirektionale Orientierung der PTFE-Moleküle. Allein oder zusätzlich können Silikatpartikel und/oder eine Faserverstärkung enthalten sein. Ein geeignetes Material ist unter der Handelsbezeichnung TEALON TF 1590 von der Firma TEADIT AT kommerziell erhältlich.
Oberflächen von Bipolarplatten, die in Richtung einer Elektrode oder Gegenelektrode weisend angeordnet sind, können innerhalb des äußeren Randes, der in berührendem Kontakt mit der Oberfläche des jeweiligen Flachdichtelements steht, eine Kanalstruktur für eine Fluidbewegung innerhalb der Durchbrechung im jeweiligen Flachdichtelement aufweisen. Diese Oberflächenstruktur kann mit Erhebungen und/oder Vertiefungen gebildet sein, die an der Oberfläche der jeweiligen Bipolarplatte ausschließlich im elektrochemisch nutzbaren Bereich bis hin zu Aussparungen eines Flachdichtelements ausgebildet bzw. vorhanden sein sollten. Eine solche Oberflächenstruktur kann man mittels Tiefziehen, Prägen, spanende Bearbeitung, Ätzen oder durch Aufbringen von Material erhalten.
Alternativ dazu kann zwischen den Oberflächen von Bipolarplatten, die in Richtung einer Elektrode oder Gegenelektrode weisend angeordnet sind, und der Oberfläche einer Elektrode oder Gegenelektrode ein Fluidverteilerelement aus elektrisch leitendem Werkstoff angeordnet sein, dessen Dicke bei der Dimensionierung der Dicke des jeweiligen Flachdichtelements berücksichtigt ist. Solche Fluidverteilerelemente können Metallschäume, textile Gebilde aus Draht, Streckmetall, dreidimensional bearbeitete oder umgeformte Bleche sein. Sie sollten elastisch verformt sein, um Druckkräfte auf die aufeinander zugewandt angeordneten Oberflächen der jeweiligen Bipolarplatte und der Elektrode bzw. Gegenelektrode im elektrochemisch nutzbaren Bereich der jeweiligen Halbzelle während des Betriebes auszuüben.
Durchbrechungen sind erfindungsgemäß an zwei gegenüberliegend zueinander angeordneten Seiten mehreckiger Flachdichtelemente und Aussparungen dabei an zwei anderen gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Ein dazu benachbart angeordnetes Flachdichtelement ist um 90 ° gedreht angeordnet, so dass Durchbrechungen dieses Flachdichtelements mit Aussparungen der anderen benachbart zu diesem Flachdichtelement angeordneten Flachdichtelement kommunizieren.
So können die jeweils für den Betrieb der elektrochemischen Zellen benötigten Fluide zu mehreren gleichen Halbzellen von Zelle zu Zelle gefördert bzw. daraus abgeführt werden.
Als Ausgangsmaterial für die Flachdichtelemente kann man ebene Platten einsetzen, deren Außenmaße mindestens den Außenmaßen der jeweiligen elektrochemischen Zelle entsprechen. Mittels einfacher Stanzwerkzeuge oder durch Laserschneiden kann die benötigte Form zugeschnitten werden. Dabei kann das Material im Bereich der Aufnahme (Durchbrechung) und damit Positionierung der funktionellen Bauteile, der Kanäle (Durchbrechungen, Aussparungen) für die Fluide und von Anströmarealen entfernt werden.
Im Gegensatz zum Stand der Technik können die Anströmareale über die gesamte Bauhöhe der jeweiligen Flachdichtelemente ausgebildet sein und nicht nur über einen Teil davon. Damit ist nach dem Zuschneiden kein weiterer Arbeitsschritt außer der Montage eines Zellstapels notwendig.
Je nach verwendetem Material, kann ein Flachdichtelement auch gleich in die finale Form gebracht werden.
Abhängig von der gewünschten Zellgeometrie, kann ein Flachdichtelement in jeder gewünschten mehreckigen Form verwendet werden. In Frage kommen vor allem rechteckige Geometrien (speziell quadratische), mit zwei identischen oder zwei unterschiedlichen Halbzellen.
Werden Halbzellen mit unterschiedlichen rechteckigen Geometrien verwendet, kann die elektrochemisch nutzbare Fläche der funktionellen Bauteile im Bereich der Durchbrechung beispielsweise einer anodischen Halbzelle als Elektrode einer elektrochemischen Zelle, die bei einer Elektrolyse eingesetzt werden kann, eine Abmessung von z.B. 75 mm x 210 mm und die der kathodischen Halbzelle als Gegenelektrode von z.B. 85 mm x 200 mm aufweisen. Die resultierende Schnittfläche der beiden Halbzellen, ergibt sich damit zu 75 mm x 200 mm und damit zu 150 cm².
Fluide einer anodischen Halbzelle können dabei entlang des kürzeren Weges von 75 mm und über den breiteren Querschnitt von 210 mm strömen. Fluide einer kathodischen Halbzelle können um 90 ° zur anodischen Halbzelle entlang des längeren Weges von 85 mm über den kleineren Querschnitt von 200 mm strömen. Dementsprechend tritt bei gleichem Fluidstrom durch beide Halbzellen, an der anodischen Halbzelle ein deutlich geringerer Druckverlust auf und der Innendruck ist höher als in einer kathodischen Halbzelle. Dementsprechend sollten die elektrochemischen Zellen mit Druckkräften F_D vorgespannt sein, die dem maximalen Innendruck in einer anodischen Halbzelle berücksichtigen und entsprechend größer sein, um eine ausreichende Dichtwirkung zu erreichen.
Aufgrund der möglichen unterschiedlichen Geometrien, können die Spalte zwischen Flachdichtelement und funktionellen Bauteilen (Elektrolytmembran, Elektrode oder Gegenelektrode sowie ggf. ein Fluidverteilerelement) beider Halbzellen nicht mehr übereinander angeordnet sein. Sie kreuzen sich nur noch an insgesamt vier Punkten. Die Elektrolytmembran liegt dann immer an mindestens einer Seite an und wird dadurch gestützt. Damit verringert sich die Gefahr, die Elektrolytmembran an einer Kante zu beschädigen deutlich. Durch die Verwendung eines ausreichend elastischen Flachdichtelements können die Spalte zudem auf ein Minimum reduziert werden, da sich das Flachdichtelement in seiner planaren Ebene bei der wirkenden Druckkraft F_D ausbreiten und bis an die funktionellen Bauteile heran reichen kann.
Die im Betrieb aus Richtung der funktionellen Bauteile nach außen also senkrecht zur Druckkraft F_D wirkenden Druckkräfte können von den Flachdichtelementen aufgenommen und an die jeweilige Bipolarplatte weitergeleitet werden. Es ist daher essentiell, dass die in Richtung der Bauhöhe, über Druckplatten o.ä. aufgebrachte Normalkraft F_N unter Berücksichtigung des Haftreibwerts µ_H ausreicht, um ein Gleiten der Flachdichtelemente auf den jeweiligen Oberflächen der Bipolarplatten, an denen sie anliegen, zu unterbinden.
Damit ein Flachdichtelement seine Dichtfunktion erfüllen kann, sollten sämtliche Kräfte auf die angrenzende Bipolarplatte abgeleitet werden können. Dazu muss das jeweilige Flachdichtelement permanent auf der jeweiligen Bipolarplatte haften. Folglich darf die aufgrund des Drucks in einer Halbzelle von der elektrochemisch nutzbaren Fläche bzw. den Kanalstrukturen nach außen wirkende Kraft F_p nicht größer werden als die Haftreibungskraft F_RH. $F_{RH} > F_{p}$
Entsprechend der Bauhöhe und der Zellgeometrie ergibt sich eine Seitenfläche A_Seite, auf die der Betriebsdruck p einer Halbzelle wirkt. Die Seitenfläche A_Seite ist die Summe der Stirnflächen, die an der Durchbrechung in Richtung des Inneren der jeweiligen Halbzelle weisend angeordnet sind.
Daraus ergibt sich die nach außen wirkende Kraft des Betriebsdrucks $F_{p} = {p*A}_{Seite}$
In Abhängigkeit der verwendeten Materialien für ein Flachdichtelement und der Bipolarplatte, ist ein Haftreibungsbeiwert µ_H definiert. Die orthogonal zur nach außen wirkenden Kraft des Betriebsdrucks F_p wirkende Normalkraft F_N berechnet sich damit zu: $F_{N} = F_{RH} / μ_{H}$
Entsprechend der jeweiligen Dichtungsfläche lässt sich die benötigte Flächenpressung auf die Flachdichtelemente bestimmen. In einem konkreten Fall liegt die Flächenpressung auf die Flachdichtelemente bei einer auf die Flachdichtelemente wirkenden Druckkraft F_D bei etwa 30 MPa, bei einem maximalen Betriebsdruck innerhalb einer Halbzelle von 5 MPa.
Die Bauhöhe der Flachdichtelemente kann über die Elastizität des Materials und der finalen Bauhöhe der aktiven Bauteile definiert werden und sollte präzise abgestimmt sein. Ist ein Flachdichtelement höher als die aktiven Bauteile, wird zwar eine optimale Dichtwirkung erreicht, es besteht aber kein elektrischer Kontakt zwischen der elektrochemisch nutzbaren Fläche und der Bipolarplatte. Sind die aktiven Bauteile höher als ein Flachdichtelement, besteht zwar ein elektrischer Kontakt aber es kann keine ausreichende Dichtwirkung erreicht werden.
Üblicherweise liegt die Bauhöhe einer Halbzelle bei etwa 0,7 mm. Folglich sollte auch die Bauhöhe der aktiven Bauteile und eines Flachdichtelements entsprechend gewählt werden, wobei die Bauhöhe also die Dicke des jeweiligen Flachdichtelements bei wirkender Druckkraft F_D dementsprechend gewählt werden sollte.
Die Druckkraft F_D kann mittels Spannelementen die an einer erfindungsgemäßen Anordnung angreifen realisiert werden. Bevorzugt greifen Spannelemente an Deckelelementen an, die bei gestapelten elektrochemischen Zellen an den äußeren Stirnseiten eines Stapels angeordnet sind. Spannelemente können beispielsweise Klammerelemente oder Spannstäbe sein, die z.B. mittels Schraubverbindung an den Deckelelementen befestigt und durch entsprechende Zugkraftwirkung die Druckkraft F_D auf die Flachdichtelemente einer Anordnung ausgeübt werden können.
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Zell- und Stackaufbau für elektrochemische Reaktoren, im Besonderen PEM-Elektrolyseure, ohne die Verwendung eines klassischen Rahmenteils unter Verwendung eines Dichtkonzeptes mit separatem Flachdichtelement, das die Funktionen a) bis f) vollständig erfüllt. Hierdurch wird ein deutlich einfacherer Aufbau erreicht. Da kein Rahmenteil eingesetzt wird, sind auch die Herstellkosten geringer.
Die Erfindung kann z.B. angewendet werden für:

- Eine rechteckige Geometrie, wobei beide Halbzellen die gleiche Geometrie aufweisen;
- Eine rechteckige Geometrie, wobei beide Halbzellen unterschiedliche Geometrien aufweisen;
- Die Verwendung von in Bipolarplatten spanend bearbeiteten Flow Fields;
- Die Verwendung von anderweitig bearbeiteten Bipolarplatten;
- Die Verwendung von Streckmetallen als Diffusor auf planen Bipolarplatten;
- Die Verwendung von Feinlochblechen als Diffusor auf planen Bipolarplatten;
- Die Verwendung von gesinterten Materialien als PTL (Porous Transport Layer);
- Die Verwendung von Streckmetallen als PTL;
- Die Verwendung von Feinlochblechen als PTL;
- Die Verwendung von sonstigen porösen, elektrisch leitenden Materialien als Elektrode.

Nachfolgend soll ein bei einer erfindungsgemäßen Anordnung einsetzbares Flachdichtelement näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 eine Aufsicht auf ein Beispiel eines Flachdichtelements, das in einer erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzt werden kann;
2 eine Aufsicht auf zwei Flachdichtelemente, die an einer elektrochemischen Zelle eingesetzt werden können, mit rechteckiger Gestalt und
3 eine schematische Schnittdarstellung einer elektrochemischen Zelle entlang der Schnittline A-A von 1.

Die Form eines der verwendeten Flachdichtelemente ist in 1 dargestellt. Für einen Stapel elektrochemischer Zellen, mit dem eine erfindungsgemäße Anordnung gebildet sein kann, werden jeweils abwechselnd eine Bipolarplatte 6, ein Flachdichtelement 1, eine Membran 5 und ein weiteres Flachdichtelement 1 übereinander gestapelt.
Innerhalb des äußeren Randes 7 ist eine Durchbrechung 2 ausgebildet, die die elektrochemisch nutzbare Fläche einer Halbzelle in Verbindung mit einer Elektrode oder Gegenelektrode (nicht gezeigt) vorgibt. In die Durchbrechung 2 kann die Elektrode oder Gegenelektrode passgenau und ggf. mindestens ein funktionales Bauteil eingesetzt werden.
Im Bereich des äußeren Randes 7 sind an zwei sich gegenüberliegend angeordneten Seiten jeweils zwei Durchbrechungen 3 und an den zwei anderen sich gegenüberliegend angeordneten Seiten jeweils zwei Aussparungen 4 ausgebildet worden. Die Aussparungen 4 dienen der Zuführung von Fluiden, die für die elektrochemische Reaktion in den jeweiligen Halbzellen erforderlich sind. Über die Durchbrechungen 3 können die Reaktionsprodukte der jeweiligen elektrochemischen Reaktion abgeführt werden.
Die Aussparungen 4 sind in Richtung der zentralen Durchbrechung 2 offen gehalten.
Bei dem gezeigten Beispiel ist das Flachdichtelement 1 quadratisch ausgebildet. Damit kann an einer elektrochemischen Zelle an einer Seite an einer Halbzelle ein solches Flachdichtelement 1 angeordnet sein und an der ande-' ren Halbzelle ein um 90 ° gedrehtes Flachdichtelement 1 mit gleicher Dimensionierung und Anordnung der Durchbrechungen 3 und Aussparungen 4 angeordnet sein.
Ein Flachdichtelement 1 kann vor dem Einbau, also im unbelasteten Zustand eine Dicke von 1 mm aufweisen. Im eingebauten Zustand mit auf das Flachdichtelement 1 wirkender Druckkraft F_D hat es eine Dicke von 0,7 mm über seine gesamte Fläche, die zumindest mit der Oberfläche einer Bipolarplatte 6 (nicht gezeigt) in Kontakt steht.
Das Flachdichtelement 1 besteht aus Polytetrafluorethen dessen Moleküle eine multidirektionale Orientierung aufweisen und in dem Silikatpartikel enthalten sind. Seine Kompressibilität nach ASTM F 36M (34,5 MPa) liegt im Bereich 5 % -15 %, die Rückfederung nach ASTM F 36M (34,5 MPa) liegt bei 40 % und es weist ein Kriechverhalten nach ASTM F38 (40 bar, N₂) von 18 % auf.
2 zeigt Flachdichtelemente 1, die an einer elektrochemischen Zelle eingesetzt werden können, die eine rechteckige Gestalt haben und an zwei gegenüberliegend angeordneten Seiten einer Membran 5 angeordnet sein können. An den jeweils anderen Oberflächen der Flachdichtelemente 1 kann man jeweils eine Bipolarplatte 6 anordnen, wie dies in 3 schematisch gezeigt ist. In nichtdargestellter Form kann man in eine in einem Flachdichtelement 1 ausgebildete Durchbrechung 2 eine Elektrode und in die Durchbrechung des anderen Flachdichtelements 1 eine Gegenelektrode einsetzen.
Bei der Darstellung gemäß 3 bildet die oben dargestellte Bipolarplatte 6 mit dem dazu benachbarten Flachdichtelement 1, der Membran 5 und der nicht dargestellten in der Durchbrechung 2 dieses Flachdichtelements 1 eine Halbzelle und die unten dargestellte Bipolarplatte 6 mit dem daran angeordneten Flachdichtelement 1, der in der Durchbrechung 2 dieses Flachdichtungselements 1 angeordneten Gegenelektrode (nicht gezeigt) und der Membran 5 eine weitere Halbzelle.

Claims

Anordnung elektrochemischer Zellen, die jeweils mit einer Membran (5) an deren sich gegenüberliegend angeordneten Oberflächen eine Elektrode und eine Gegenelektrode angeordnet sind und dabei an den Seiten, an denen eine Elektrode und eine Gegenelektrode angeordnet ist, jeweils eine Bipolarplatte (6) aus elektrisch leitendem Werkstoff angeordnet ist, die so geometrisch gestaltet und dimensioniert ist, dass um die jeweilige Elektrode und die jeweilige Gegenelektrode ein umlaufender äußerer Rand (7) vorhanden ist, wenn mehrere elektrochemische Zellen zusammengebaut und übereinander angeordnet sind, und zwischen jeweils zwei benachbarten Bipolarplatten (6) zwei Flachdichtelemente (1) angeordnet sind, welche aus einem elektrisch nichtleitenden elastisch verformbaren Material gebildet sind und in dem Flachdichtelement (1) von einem äußeren Rand (7) umschlossen eine Durchbrechung (2), in die die Elektrode oder Gegenelektrode einsetzbar ist, und im Bereich des äußeren Randes (7) Durchbrechungen (3) und davon getrennt Aussparungen (4), die mit der jeweiligen Durchbrechung (2) dieses Flachdichtelements (1) in Verbindung stehen, für eine Zu- oder Abführung von Fluiden ausgebildet sind und die elektrochemischen Zellen von zwei gegenüberliegenden Seiten mit einer Druckkraft F_D so beaufschlagt worden sind, dass die Flachdichtelemente (1) elastisch verformt worden sind und im verformten Zustand jeweils eine Dicke in Richtung der wirkenden Druckkraft F_D aufweisen, die in Summe der Höhe des Dickenanteils einer Halbzelle einer elektrochemischen Zelle entspricht und dabei zwischen den sich berührenden Oberflächen der jeweiligen Flachdichtelemente (1) und den Oberflächen der jeweiligen Bipolarplatte (6) oder der Membran (5) im Bereich des äußeren Randes (7) eine Normalkraft F_N wirkt, die größer als die Haftreibungskraft F_RH ist, die zwischen den sich berührenden Oberflächen der Flachdichtelemente (1) und der Bipolarplatten (6) unter Berücksichtigung der maximalen Kraft F_BD des jeweiligen maximalen Betriebsdrucks in einer Halbzelle und der Größe der Oberfläche A_Seite des jeweiligen Flachdichtelements (1), an der der maximale Betriebsdruck der innerhalb einer der Halbzellen wirkt, ist und an keiner elektrochemischen Zelle ein zusätzliches Rahmenelement vorhanden ist; wobei Durchbrechungen (3) an zwei gegenüberliegend zueinander angeordneten Seiten mehreckiger Flachdichtelemente (1) und Aussparungen (4) an zwei anderen gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind und ein dazu benachbart angeordnetes Flachdichtelement (1) um 90 ° gedreht angeordnet ist, so dass Durchbrechungen (3) eines dieser Flachdichtelemente (1) mit Aussparungen (4) des anderen benachbart zu diesem Flachdichtelement (1) angeordneten Flachdichtelements (1) kommunizieren.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtelemente (1) mit einem Material ausgebildet sind, das ausgewählt ist aus Thermoplasten, Duroplasten, Elastomere und Kombinationen davon.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtelemente (1) mit einem Material, das ausgewählt ist aus einem Silikon, einem Ethylen-Propylen-DienKautschuk, einem Acryl-Butadien-Kautschuk, Polytetrafluorethen, Polyolefin und FKM, gebildet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtelemente (1) mit einem Material, das aus Polytetrafluorethen besteht oder damit gebildet sind, das bevorzugt eine multidirektionale Orientierung seiner Moleküle aufweist und/oder Silikatpartikel und/oder eine Faserverstärkung enthält, gebildet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen von Bipolarplatten (6), die in Richtung einer Elektrode oder Gegenelektrode weisend angeordnet sind, innerhalb des äußeren Randes (7), der in berührendem Kontakt mit der Oberfläche des jeweiligen Flachdichtelements (1) steht, eine Kanalstruktur für eine Fluidbewegung innerhalb der Durchbrechung (2) in dem jeweiligen Flachdichtelement (1) aufweisen oder zwischen den Oberflächen von Bipolarplatten (6), die in Richtung einer Elektrode oder Gegenelektrode weisend angeordnet sind, und der Oberfläche einer Elektrode oder Gegenelektrode ein Fluidverteilerelement aus elektrisch leitendem Werkstoff angeordnet ist, dessen Dicke bei der Dimensionierung der Dicke des jeweiligen Flachdichtelements (1) berücksichtigt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Halbzellen einer elektrochemischen Zelle voneinander unterschiedliche Geometrien im Bereich der Durchbrechung (2), in der passgenau, die Elektrode oder Gegenelektrode eingesetzt ist, aufweisen und dabei die Membran (5) an einer Seite des jeweiligen Flachdichtelements (1) anliegt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membran (5) zwischen zwei Flachdichtelementen (1) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) eine polymere Elektrolytmembran ist.
Anordnung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode oder Gegenelektrode in eine in einem Flachdichtelement (1) ausgebildete Durchbrechung (2) so eingesetzt ist, dass Stirnflächen der Elektrode oder Gegenelektrode an der Innenwand der Durchbrechung (2) anliegen.