知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特表2024-536518差圧電解による高圧水素製造用ＰＥＭ電解セルおよびＰＥＭ電解セルスタック用フレーム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-10-04
(54)【発明の名称】差圧電解による高圧水素製造用ＰＥＭ電解セルおよびＰＥＭ電解セルスタック用フレーム
(51)【国際特許分類】
C25B 9/00 20210101AFI20240927BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240927BHJP
C25B 9/07 20210101ALI20240927BHJP
C25B 9/65 20210101ALI20240927BHJP
C25B 13/02 20060101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
C25B9/00 A
C25B1/04
C25B9/07
C25B9/65
C25B13/02 302
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024522459
(86)(22)【出願日】2022-10-12
(85)【翻訳文提出日】2024-04-12
(86)【国際出願番号】 EP2022078404
(87)【国際公開番号】W WO2023062081
(87)【国際公開日】2023-04-20
(31)【優先権主張番号】21202604.1
(32)【優先日】2021-10-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(31)【優先権主張番号】22162623.7
(32)【優先日】2022-03-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(31)【優先権主張番号】22170344.0
(32)【優先日】2022-04-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520032907
【氏名又は名称】アイガス エナジー ゲー・エム・ベー・ハー
【氏名又は名称原語表記】ｉＧａｓ ｅｎｅｒｇｙ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｃｏｃｋｅｒｉｌｌｓｔｒａｓｓｅ １００， ５２２２２ Ｓｔｏｌｂｅｒｇ， Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100098501
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 拓
(74)【代理人】
【識別番号】100116403
【弁理士】
【氏名又は名称】前川 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100134315
【弁理士】
【氏名又は名称】永島 秀郎
(74)【代理人】
【識別番号】100162880
【弁理士】
【氏名又は名称】上島 類
(72)【発明者】
【氏名】カール－ハインツ レンツ
(72)【発明者】
【氏名】エレナ ボーガート
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021CA01
4K021CA08
4K021CA09
4K021DB15
4K021DB49
(57)【要約】
本発明は、新規なＰＥＭ電解セル用フレームおよびＰＥＭ電解セルスタック用フレームに関する。本発明の目的は、本発明によるフレーム、ＰＥＭ電解セル、およびスタック型ＰＥＭ電解デバイスであって、本発明によるフレーム、予め組み立てられた構成要素、および予め組み立てられた構成要素およびスタック型ＰＥＭ電解デバイスを製造するための方法を含む、ＰＥＭ電解セル、およびスタック型ＰＥＭ電解デバイスである。本発明によるフレーム、ＰＥＭ電解セルおよびスタック型ＰＥＭ電解装置は、薄いプロトン交換膜の使用と組み合わせた高圧水素の生成に適している。本発明は、新しいフレームとシールのコンセプトに基づいている。本発明はまた、スタック型ＰＥＭ電解装置用カバーに関する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）用のＰＥＭ電解セル（２）のためのフレーム（１）であって、フレーム（１）は、平面状の第１の表面を有する第１の側（４）と、平面状の第２の表面を有する第１の側（４）とは反対側の第２の側（５）と、陽極フレーム（８）および陰極フレーム（１１）とを備え、
陽極フレームは、第１の側（４）と、陽極フレーム（４’’）の第１の側（４）とは反対側の側と、多孔質輸送層（ＰＴＬ）陽極（７）を受け入れるための第１の開口部（６）とを備え、第１の開口部（６）は、第１の側（４）から陽極フレーム（４’’）の反対側の側まで延びており、
陰極フレーム（１１）は、第２の面（５）と、陰極フレーム（５’’）の第２の側（５）とは反対側の側と、ＰＴＬ陰極（１０）を受容するための第２の開口部（９）とを備え、第２の開口部（９）は、第２の側（５）から陰極フレーム（５’’）の反対側の側まで延びており、
陽極フレーム（４’’）の第１の側（４）に対向する側と、陰極フレーム（５’’）の第２の側（５）に対向する側とは、互いに隣接して配置されており、
陽極フレーム（８）と陰極フレーム（１１）は互いに接続されており、
第１の開口部（６）と第２の開口部（９）は互いに接続されており、
第１の開口部（６）が第２の開口部（９）よりも大きく、陽極フレーム（８）および陰極フレーム（１１）が、陽極フレーム（４’’）の第１の側（４）に対向する側と陰極フレーム（５’’）の第２の側（５）に対向する側とが、陽極フレーム（８）から陰極フレーム（１１）への移行部において段差（１２）を形成するように配置され、段差（１２）が、触媒コーティング膜（ＣＣＭ）（１３）の支持面として平面状の第３の表面を形成し、陽極フレーム（８）が、コア（２１’）およびシール材（２２）からなるコーティングからなり、陰極フレーム（１１）が、コア（２１’’）およびシール材（２２）からなるコーティングからなることを特徴とする、フレーム（１）。
【請求項2】
フレーム（１）内への水の輸送およびフレーム（１）外への水および気体の輸送のための１つまたは複数のチャネルタイプＩ（１４）を含み、第１の開口部（６）内への水の輸送および第１の開口部（６）外への水および酸素の輸送のための１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ（１５）を含み、チャネルタイプＩ（１４）が陽極フレーム（８）の第１の開口部（６）または陰極フレーム（１１）の第２の開口部（９）に接続されておらず、陽極フレーム（８）は、第１の側（４）の表面に、１つまたは複数のチャネルタイプＩ（１４）に接続され、チャネルタイプＩ（１４）と第１の開口部（６）とを接続する１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ（１５）を備え、フレーム（１）がＰＥＭ電解セル（２）またはスタック型ＰＥＭ電解装置（２３）に設置される場合、バイポーラプレート（ＢＰＰ）（１６）の方向に配置され、陽極フレーム（４’’）の第１の側（４）に対向する側は、チャネルタイプＩＩ（１５）がない、請求項１に記載のフレーム（１）。
【請求項3】
フレーム（１）内への水の輸送およびフレーム（１）外への水および気体の輸送のための１つまたは複数のチャネルタイプＩ（１４）と、第２の開口部（９）からの水素の輸送のための１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ（１５）とを備え、チャネルタイプＩ（１４）は、陽極フレーム（８）の第１の開口部（６）または陰極フレーム（１１）の第２の開口部（９）と接続されておらず、陰極フレーム（１１）は、第２の側（５）の表面に、１つまたは複数のチャネルタイプＩ（１４）に接続され、チャネルタイプＩ（１４）と第２の開口部（９）とを接続する１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ（１５）を備え、フレーム（１）がＰＥＭ電解セル（２）またはスタック型ＰＥＭ電解装置（２３）に設置される場合、バイポーラプレート（ＢＰＰ）（１６）の方向に配置され、陰極フレーム（５’’）の第２の側（５）に対向する側にはチャネルタイプＩＩ（１５）がない、請求項１又は２に記載のフレーム（１）。
【請求項4】
第１の開口部（６）が、第１の側（２７）、第２の側（２８）、第３の側（２９）および第４の側（３０）によって形成されており、第１の開口部（６）を通る水の均一な流れのために、および第１の開口部（６）からの反応熱の一定の除去のために、第１の開口部（６）に接続される各チャネルタイプＩ（１４）は、少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）によって第１の開口部（６）に接続されており、
チャネルタイプＩＩ（１５）は、フレームの第１の側（４）に互いに隣接して配置され、第１の開口部の第１の側（２７）における２つの隣接するチャネルタイプＩＩ（１５）間の距離は、≦３ｍｍであり、第１の開口部の第３の側（２９）における２つの隣接するチャネルタイプＩＩ（１５）間の距離は、≦３ｍｍである、請求項２又は３に記載のフレーム（１）。
【請求項5】
第２の開口部（９）が、第１の側（２７’）、第２の側（２８’）、第３の側（２９’）および第４の側（３０’）によって形成され、第２の開口部（９）を通る水の均一な流れのために、および第２の開口部（９）からの反応熱の一定の除去のために、第２の開口部（９）に接続される各チャネルタイプＩ（１４）が、少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）によって第２の開口部（９）に接続されており、チャネルタイプＩＩ（１５）は、フレームの第２の側（５）において互いに隣接して配置され、第２の開口部の第２の側（２８’）において隣接する２つのチャネルタイプＩＩ（１５）間の距離は≦３ｍｍであり、第２の開口部の第４の側（３０’）において隣接する２つのチャネルタイプＩＩ（１５）間の距離は≦３ｍｍである、請求項２から４までのいずれか一項に記載のフレーム（１）。
【請求項6】
第１の開口部の第１の側（２７）と第１の開口部の第３の側（２９）における隣接するチャネルタイプＩＩ（１５）間の距離が等しく、任意に、第２の開口部の第２の側（２８’）と第２の開口部の第４の側（３０’）における隣接するチャネルタイプＩＩ（１５）間の距離が等しい、請求項４又は５に記載のフレーム（１）。
【請求項7】
第１の開口部の第１の側（２７）と、前記少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）によって第１の開口部（６）に接続されるチャネルタイプＩ（１４）との間の少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）が扇形に配置され、第１の開口部の第３の側（２９）と、前記少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）によって第１の開口部（６）に接続されるチャネルタイプＩ（１４）との間の少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）が扇形に配置され、
任意選択で、第２の開口部の第２の側（２８’）と、これら少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）によって第２の開口部（９）に接続されるチャネルタイプＩ（１４）との間の少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）は扇形に配置され、
第２の開口部の第４の側（３０’）と、これら少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）によって第２の開口部（９）に接続されるチャネルタイプＩ（１４）との間の少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）は扇形に配置される、請求項４から６までのいずれか一項に記載のフレーム（１）。
【請求項8】
陽極フレーム（８）のコア（２１）が金属製であり、陰極フレーム（１１）のコア（２１）が金属製であり、陽極フレーム（８）が構成するシール材製コーティング（２２）がゴム製コーティングであり、陰極フレーム（１１）が構成するシール材製コーティング（２２）がゴム製コーティングである、請求項１から７までのいずれか一項に記載のフレーム（１）。
【請求項9】
接触圧力を低減するために、陽極フレーム（８）のシール材製コーティング（２２）の一部は、シール材製コーティング（２２）の層厚と比較して、減少した層厚のシール材製コーティング（２２’’）を有し、および／または、接触圧力を低減するために陰極フレーム（１１）のシール材製コーティング（２２）の一部が、シール材製コーティング（２２）の層厚と比較して、減少した層厚のシール材製コーティング（２２’’）を有する、請求項１から８までのいずれか一項に記載のフレーム（１）。
【請求項10】
陽極フレーム（８）の一部におけるシール材製コーティング（２２）が、シール効果を高めるために円周方向の高さ（２６’）を有し、該円周方向の高さ（２６’）が第１の開口部（６）を取り囲み、および／または、陰極フレーム（１１）の一部におけるシール材製コーティング（２２）が、シール効果を高めるために円周方向の高さ（２６’）を有し、該円周方向の高さ（２６’）が第２の開口部（９）を取り囲む、請求項９に記載のフレーム（１）。
【請求項11】
陽極フレーム（８）が、陰極フレーム（１１）に接続するための１つまたは複数の接続要素、例えば１つまたは複数のピン（１９）を備え、陰極フレーム（１１）が、陽極フレーム（８）に接続するための１つまたは複数の接続要素、例えば１つまたは複数の穴（１８）を備え、接続要素は、陽極フレーム（８）および陰極フレーム（１１）が互いに接続され得るように配置され、例えば、ピン（１９）および穴（１８）は、陰極フレーム（１１）の穴（１８）が陽極フレーム（８）のピン（１９）に接続され得、陽極フレーム（８）および陰極フレーム（１１）がそれによって互いに接続され得るように配置される、請求項１から１０までのいずれか一項に記載のフレーム（１）。
【請求項12】
ＣＣＭ（１３）、ＰＴＬ陽極（７）、ＰＴＬ陰極（１０）を含む、高圧水素を生成するための４０バールまでの差圧下で作動するＰＥＭ電解セル（２）であって、ＰＥＭ電解セル（２）は、請求項１から１１までのいずれか一項に記載のフレーム（１）を有し、
陽極フレーム（８）の第１の開口部（６）がＰＴＬ陽極（７）を構成し、陰極フレーム（１１）の第２の開口部（９）がＰＴＬ陰極（１０）を構成し、ＣＣＭ（１３）が陽極フレーム（４’’）の第１の側（４）に対向する側と陰極フレーム（５’’）の第２の側（５）に対向する側との間に配置され、
ＣＣＭ（１３）の一方の側は、ＰＴＬ陽極（７）上に載り、ＣＣＭ（１３）の他方の側は、段差（１２）およびＰＴＬ陰極（１０）上に載ることを特徴とする、ＰＥＭ電解セル（２）。
【請求項13】
ＣＣＭ（１３）が８０μｍ以下、例えば５０μｍ以下の厚さを有する、請求項１２に記載のＰＥＭ電解セル（２）。
【請求項14】
陽極フレーム（８）、陰極フレーム（１１）、ＢＰＰ（１６）、ＰＴＬ陽極（７）およびＰＴＬ陰極（１０）からなるスタック型電解装置（２３）を製造するための組立済モジュール（２０）であって、陽極フレーム（８）は、平面状の第１の表面を有する第１の側（４）と、陽極フレーム（４’’）の第１の側（４）とは反対側の側と、ＰＴＬ陽極（７）を受容するための第１の開口部（６）とを備え、第１の開口部（６）は、第１の側（４）から陽極フレーム（４’’）の第１の側（４）とは反対側の側まで延びており、第１の開口部（６）が陽極フレーム（８）によって縁取られ、陽極フレーム（８）が陰極フレーム（１１）に接続するための少なくとも１つの接続要素、好ましくはピン（１９）を備え、
陰極フレーム（１１）が、平面状の第２の表面を有する第２の側（５）と、陰極フレーム（５’’）の第２の側（５）とは反対側の側と、ＰＴＬ陰極（１０）を受容するための第２の開口部（９）とを備えており、第２の開口部（９）は、第２の側（５）から陰極フレーム（５’’）の第２の側（５）とは反対側の側まで延びており、第２の開口部（９）が陰極フレーム（１０）によって縁取られており、陰極フレーム（１１）が陽極フレーム（８）に接続するための少なくとも１つの接続要素、好ましくはピン（１９）を受容するための穴（１８）を備え、
ＢＰＰ（１６）は、第１の側（４）と第２の側（５）との間に配置されており、
陽極フレーム（８）は、コア（２１）と、シール材製コーティング（２２）、好ましくはゴム製コーティングとからなり、好ましくはＢＰＰ（１６）がＰＴＬ陽極（７）に接続されてＢＰＰ／ＰＴＬ陽極（３６）を形成し、ＰＴＬ陽極（７）が第１の開口部（６）に挿入または押圧され、陽極フレーム（８）によって縁取られており、
陰極フレーム（１０）は、コア（２１）と、シール材製コーティング（２２）、好ましくはゴム製コーティングとからなり、ＰＴＬ陰極（１０）は、第２の開口部（９）に挿入または押圧され、陰極フレーム（１１）によって縁取られており、
陽極フレーム（８）の接続要素が陰極フレーム（１１）の接続要素に接続され、好ましくは、少なくとも１つのピン（１９）が少なくとも１つの穴（１８）に挿入され、陽極フレーム（８）と陰極フレーム（１１）がそれによって互いに接続され、
第１の開口部（６）が第２の開口部（９）よりも大きく、陽極フレーム（８）および陰極フレーム（１１）は、第１の側（４）および第２の側（５）が陽極フレーム（８）から陰極フレーム（１１）への移行部で段差（１２）を形成するように配置され、段差（１２）がＣＣＭ（１３）の支持面として平面状の第３の表面を形成し、
ＢＰＰ（１６）は、一方ではＰＴＬ陽極（７）および陽極フレーム（８）上に載り、他方ではＰＴＬ陰極（１０）、陰極フレーム（１１）および段差（１２）上に載る、ことを特徴とする組立済モジュール（２０）。
【請求項15】
以下のａ）～ｆ）のステップを有することを特徴とする組立済モジュール（２０）の製造方法。ａ）金属製のコア（２１）が陽極フレーム（８）のために製造され、コア（２１）が、平面状の第１の表面を有する第１の側（４）と、陽極フレーム（４’’）の第１の側（４）に対向する側とを備える、陽極フレーム（４’’）の第１の側（４）および第１の側（４）に対向する側が、第１の側（４）から陽極フレーム（４’’）の第１の側（４）に対向する側まで延び、陽極フレーム（８）によって縁取られる第１の開口部（６）を構成し、陽極フレーム（８）に、水および気体の供給および除去のための１つまたは複数のチャネルタイプＩ（１４）が形成され、チャネルタイプＩ（１４）が陽極フレーム（８）の第１の開口部（６）に接続されず、陽極フレーム（８）が、陰極フレーム（１１）に接続するための少なくとも１つの接続要素、好ましくは少なくとも１つのピン（１９）を備える、
ｂ）ａ）に従って製造された金属製のコア（２１）の表面の全部または一部、好ましくはａ）に従って製造された金属製のコア（２１）の表面の少なくとも９０％が、加硫によってゴム製コーティングを形成するための陽極フレーム（８）のために、天然ゴムまたは合成ゴムで完全にまたは部分的にコーティングされ、その後加硫され、それによってゴム製コーティングがシール材（２２）として金属製のコア（２１）上に形成される、ゴム製コーティングにおいて、１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ（１５）が第１の側（４）の表面に形成され、このチャネルタイプＩＩ（１５）は、１つまたは複数のチャネルタイプＩ（１４）に接続され、チャネルタイプＩ（１４）と第１の開口部（６）とを接続し、陽極フレーム（８）がＰＥＭ電解セル（２）またはスタック型ＰＥＭ電解装置（２３）に設置される場合、ＢＰＰ（１６）の方向に配置され、陽極フレーム（４’’）の第１の側（４）に対向する側のゴム製コーティングには、チャネルタイプＩＩ（１５’）は形成されない、
ｃ）ａ）およびｂ）に従って製造された陽極フレーム（８）にＰＴＬ陽極（７）を配置または押し込み、ＰＴＬ陽極（７）は、好ましくはＢＰＰ（１６）に接続され、ＢＰＰ／ＰＴＬ陽極（３６）を形成する、
ｄ）金属製のコア（２１）が陰極フレーム（１１）のために製造され、金属製のコア（２１）は、平面状の第２の表面を有する第２の側（５）と、陰極フレーム（５’’）の第２の側（５）に対向する側とを備える、該第２の側（５）および該陰極フレーム（５’’）の該第２の側（５）に対向する側は、該第２の側（５）から該陰極フレーム（５’’）の該第２の側（５）に対向する側まで延び、かつ該陰極フレーム（１１）によって縁取られる第２の開口部（９）を構成し、陰極フレーム（１１）に、水および気体の供給および除去のための１つまたは複数のチャネルタイプＩ（１４）が形成され、チャネルタイプＩ（１４）は、陰極フレーム（１１）の第２の開口部（９）に接続されず、陰極フレーム（１１）は、陽極フレーム（８）に接続するための少なくとも１つの接続要素、好ましくは少なくとも１つの穴（１８）を備える、
ｅ）ｄ）に従って製造された金属製のコア（２１）の表面の全部または一部、好ましくは、加硫によってゴム製コーティングを形成するための陰極フレーム（１１）のためのｄ）に従って製造された金属製のコア（２１）の表面の少なくとも９０％が、天然ゴムまたは合成ゴムで完全にまたは部分的に被覆され、その後加硫され、それによってゴム製コーティングがシール材（２２）として金属製のコア（２１）上に形成され、ゴム製コーティングにおいて、１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ（１５’’）が第２の側（５）の表面に形成され、このチャネルタイプＩＩは、１つまたは複数のチャネルタイプＩ（１４）に接続され、チャネルタイプＩ（１４）と第２の開口部（９）とを接続する、陰極フレーム（１１）は、ＰＥＭ電解セル（２）またはスタック型ＰＥＭ電解装置（２３）に設置される場合、ＢＰＰ（１６）の方向に配置され、陰極フレーム（５’’）の第２の側（５）に対向する側のゴム製コーティングには、チャネルタイプＩＩ（１５’’）は形成されない、
ｆ）ｄ）およびｅ）に従って製造された陰極フレーム（１１）は、陰極フレーム（１１）の少なくとも１つの接続要素、好ましくは少なくとも１つの穴（１９）によって、陽極フレーム（８）の少なくとも１つの接続要素によって、ａ）からｃ）に従って製造された陽極フレーム（８）に接続される、好ましくは、少なくとも１つのピン（１８）、好ましくは少なくとも１つの穴（１９）は、少なくとも１つのピン（１８）上に差し込まれ、陰極フレーム（１１）は、それによって陽極フレーム（８）に接続され、ＢＰＰ（１６）が第１の側（４）と第２の側（５）との間に配置され、ＰＴＬ陰極（１０）が陰極フレーム（１１）に挿入または押圧され、第１の開口部（６）が第２の開口部（９）よりも大きく、陽極フレーム（８）および陰極フレーム（１１）は、陽極フレーム（４）の第１の側（４’’）に対向する側と陰極フレーム（５）の第２の側（５’’）に対向する側とが、陽極フレーム（８）から陰極フレーム（１１）への移行部で段差（１２）を形成するように配置される。
【請求項16】
高圧水素を製造するために差圧下で運転するスタック型ＰＥＭ電解装置（２３）の製造方法であって、以下のａ）～ｃ）のステップを有することを特徴とするスタック型ＰＥＭ電解装置（２３）の製造方法。ａ）請求項１４による少なくともｘ個の組立済モジュール（２０）または請求項１５による製造可能な少なくともｘ＋１個のＣＣＭ（１３）が互いの上に交互に積み重ねられ、組立済モジュールのスタック（３）が製造され、組立済モジュール（３）のスタックにおいて、１つの組立済モジュール（２０）と１つのＣＣＭ（１３）とが交互に互いの上に積み重ねられ、１つのＣＣＭ（１３）が組立済モジュール（３）のスタックの上側と下側とに配置され、１つのＣＣＭ（１３）が隣接する各２つの組立済モジュール（２０）の間に配置される、
ｂ）ハーフセル陽極、好ましくは単一陽極（７’）および陽極フレーム（８）は、組立済モジュール（３）のスタックの一方の側で外側ＣＣＭ（１３）に平行に配置され、ハーフセル陰極、好ましくは単一陰極（１０’）および陰極フレーム（１１）は、組立済モジュール（３）のスタックの他方の側で外側ＣＣＭ（１３）に平行に配置される、
ｃ）エンドプレート（３３）がハーフセル陽極に平行に、ハーフセル陰極に平行に配置され、形成されたスタックが２つのエンドプレート（３３）の間で圧縮され、スタック型装置（２３）が形成される、
ここでｘは整数、≧２である。
【請求項17】
高圧水素を生成するために差圧下で作動するスタック型ＰＥＭ電解装置（２３）であって、請求項１４に記載のｘ個の組立済モジュール（２０）または請求項１５に記載の製造可能なｘ＋１個のＣＣＭ（１３）と、単一の陽極と、単一の陰極と、２枚のエンドプレート（３３）とを備え、
ｘ個の組立済モジュール（２０）とｘ＋１個のＣＣＭ（１３）とが交互に互いの上に積み重ねられて組立済モジュール（３）のスタックが形成されており、１つの組立済モジュール（２０）と１つのＣＣＭ（１３）とが、組立済モジュール（３）のスタック内で交互に１つずつ上に積み重ねられ、
１つのＣＣＭ（１３）が組立済モジュール（３）のスタックの上側と下側に１つずつ配置され、１つのＣＣＭ（１３）が２つの隣接する組立済モジュール（２０）の間に配置され、
単一の陽極が、組立済モジュール（３）のスタックの一方の側で外側のＣＣＭ（１３）と平行に配置され、単一の陰極が、組立済モジュール（３）のスタックの他方の側で外側のＣＣＭ（１３）と平行に配置され、
エンドプレート（３３）は、それぞれ、単一の陽極に平行に、かつ単一の陰極に平行に配置され、形成されたスタックが、２つのエンドプレート（３３）の間で圧縮されて、スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）が形成されていることを特徴とする、スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）。
ここで、ｘは整数であり、かつ≧２である。
【請求項18】
高圧水素を生成するための差圧下で作動するスタック型電解装置（２３）であって、ｘ＋１個のＣＣＭ（１３）およびｘ－１個のＢＰＰ（１６）と、上側エンドプレート（３８）および下側エンドプレート（４４）とを有する請求項１２または１３に記載のｘ＋１個のＰＥＭ電解セル（２）を備え、
ｘ＋１個のＰＥＭ電解セル（２）およびｘ－１個のＢＰＰ（１６）が交互に１つずつ他方の上に積み重ねられ、スタックにおいて、１つのＰＥＭ電解セル（２）と１つのＢＰＰ（１６）とが交互に互いの上に積み重ねられ、１つのＢＰＰ（１６）がスタックの上側と下側とに配置され、１つのＢＰＰ（１６）が２つの隣接するＰＥＭ電解セル（２）の間に配置され、
スタックの上側でＢＰＰ（１６）と平行に上側エンドプレート（３８）が配置され、スタックの下側でＢＰＰ（１６）と平行に下側エンドプレート（４４）が配置され、形成されたスタックが上側エンドプレート（３８）と下側エンドプレート（４４）との間で圧縮されて、スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）が形成されることを特徴とする、スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）
ここで、ｘは整数、≧２である。
【請求項19】
請求項１７または１８に記載のスタック型ＰＥＭ電解装置（２３）、または、請求項１６に従って製造可能なスタック型ＰＥＭ電解装置において、スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）におけるｘ＋１個のＣＣＭ（１３）の各々は、８０μｍ以下の厚さを有し、好ましくは５０μｍ以下の厚さを有する、スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）。
【請求項20】
２つのエンドプレート（３３）からなり、好ましくは上部エンドプレート（３８）がスタックの上側に配置され、下部エンドプレート（４４）がスタックの下側に配置され、少なくとも１つのエンドプレート（３３）、好ましくは上部エンドプレート（３８）は、水の導入のための少なくとも１つの水接続部（３９）と、水の排出のための少なくとも１つの水接続部（４０）と、少なくとも２つの分配器カバー（４１）とを備え、水のための空間を提供するための少なくとも１つのエンドプレート（３３）が、少なくとも１つのエンドプレート（３３）内に水の分配のための少なくとも２つの空間を有し、
少なくとも２つの分配器カバー（４１）の各々は、分配器カバー（４３）内に水の分配のための空間を有し、
スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）への水の導入のための少なくとも１つの分配器カバー（４３）は、水の導入のための少なくとも１つの水接続部（３９）およびエンドプレート（４２）内の水の分配のための空間に接続されており、
スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）からの水の排出のための少なくとも１つのさらなる分配器カバー（４３）は、水の排出のための少なくとも１つの水接続部（４０）およびエンドプレート（４２）内の水の分配のための空間に接続されている、請求項１７から１９までのいずれか一項に記載のスタック型ＰＥＭ電解装置（２３）。
【請求項21】
エンドプレート（３３）、例えば上部エンドプレート（３８）が、スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）内に水を導入するための少なくとも１つの水接続部（３９）と、スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）から水を排出するための少なくとも１つの水接続部（４０）と、少なくとも２つの分配器カバー（４１）とを備える請求項１７から１９までのいずれか一項に記載のスタック型ＰＥＭ電解装置用の蓋（３７）であって、エンドプレート（３３）には、水のための空間を提供するための少なくとも２つの分配のための空間が設けられており、
少なくとも２つの分配器カバー（４１）の各々は、分配器カバー（４３）内に水の分配のための空間を有し、
スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）への水の導入のための少なくとも１つの分配器カバー（４３）は、水の導入のための少なくとも１つの水接続部（３９）と、エンドプレート（３３）内に水の分配のための空間とを有し、
スタック型ＰＥＭ電解装置（２３）からの水の排出のための少なくとも１つのさらなる分配器カバー（４３）は、水の排出のための少なくとも１つの水接続部（４０）およびエンドプレート（３３）内の水の分配のための空間に接続されている、スタック型ＰＥＭ電解装置用の蓋（３７）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、新規なＰＥＭ電解セル用フレームおよびＰＥＭ電解セルスタック用フレームに関する。本発明の目的は、本発明によるフレーム、本発明によるＰＥＭ電解セルおよび本発明によるＰＥＭ電解セルスタック（＝スタックタイプのＰＥＭ電解装置）であって、本発明によるフレーム、予め組み立てられたモジュール、予め組み立てられたモジュールの製造方法およびＰＥＭ電解セルスタックの製造方法を含むＰＥＭ電解セル、ＰＥＭ電解セルスタックである。本発明によるフレーム、本発明によるＰＥＭ電解セル、および本発明によるＰＥＭ電解セルスタックは、薄いプロトン交換膜の使用と組み合わせた差圧電解による高圧水素の生成に適している。本発明は、新しいフレームとシールのコンセプトに基づいている。本発明はまた、スタックタイプのＰＥＭ電解装置用カバーに関する。
【0002】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）水電解は、再生可能エネルギー源の電力を使って水素を製造する魅力的な技術である。これは、再生可能エネルギー源から得られる電力が十分でない場合に備えて、エネルギー・キャリアである水素のエネルギーを貯蔵しておくことができることを意味し、脱炭素化に貢献する。ＰＥＭ電解の重要な利点は、加圧下で水素を製造できることである。すべての潜在的な用途において、水素は圧縮された状態で利用可能でなければならない。つまり、ＰＥＭシステム（ＰＥＭ電解セルやＰＥＭ電解セルスタックなど）は、産業界のニーズに特に適しているのである。エネルギーを節約するためには、ＰＥＭ電解を直接加圧下で行うのが有利である。通常、水素のみが使用されるため、酸素は圧力をかけずに安価に製造することができ、これは差圧電解と呼ばれる。少なくとも３０バールの差圧が現在の技術水準であるが、これは現在、少なくとも約１２０μｍの厚さの電解質膜を使用した場合のみ可能である。
【0003】
利用可能な電力で可能な限り多くの水素を製造するためには、ＰＥＭ電解セルの効率が最も重要である。エネルギー損失のかなりの部分は、特に電解質膜のオーミック抵抗によって引き起こされる。ＰＥＭ膜には触媒コーティング膜（ＣＣＭ）が使用される。薄いＰＥＭ膜を使用することで、膜抵抗を大幅に低減することができる。
【0004】
ＰＥＭ電解セルの古典的な構造を図１に示す。
【0005】
古典的なＰＥＭ電解槽は、反応が行われる触媒コーティング膜（ＣＣＭ）から構成される。アノード側とカソード側では、多孔質輸送層（ＰＴＬ）が水をＣＣＭに向けて輸送し、多孔質輸送層（ＰＴＬ）が生成ガスをＣＣＭから遠ざける。バイポーラプレート（ＢＰＰ）はアノード側とカソード側を空間的に分離する。ガスと水の流入と流出は、従来の金属または高強度プラスチック（ＰＥＥＫ）製のフレームによって確保されている。ＣＣＭとＰＴＬコンポーネントはこのフレームに挿入される。フレームは、Ｏリング、またはフラットガスケットやインジェクションシールなどの他のシールによって横方向にシールされ、ガスがＰＥＭ電解セルから流出するのを防ぎます。
【0006】
ＰＥＭ電解セルおよびフレームからなるＰＥＭ電解セルスタックは従来技術で知られている。
【0007】
ＵＳ ６，６６９，８２６ Ｂ１は、電解セルに均一な接触圧を加えることで、ＰＥＭ電解セルスタックの密閉を達成する方法を開示している。このプロセスでは、それぞれが双極配置で直列に配置された複数のＰＥＭ電解セルからなるサブスタックが、エンドプレート、中間支持体、タイロッド、およびプレストレス手段の助けを借りて圧縮される。
【0008】
ＵＳ ６，８５２，４４１ Ｂ１には、電解セルスタックの周囲を取り囲む補強要素によって、電解セルスタック内のＰＥＭ電解セルのフレームを安定させることが開示されている。
【0009】
ＥＰ １ ３５６ １３４ Ｂ１には、ＰＥＭ電解セル用のフレームが開示されており、電解セルが二極配置でコンパクトに積み重ねられ、積み重ねられたフレームは仕切り壁によって分離されている。フレームは、２つの対向する平面と、ポリフェニレンオキシドストリップの熱圧着によって膜がフレームに保持される開口部、電解液の入口と生成ガスの出口となる孔を有する。ガスと電解液はシールリングによって密閉され、スタックは各フレームの溝に配置されたシールリングによって密閉される。内圧に対抗してスタック内の隣接するフレーム間のシールリングの完全性を維持するため、ＰＥＭ電解セルスタックは、ねじ式の連結ロッドで一緒に保持された２枚のステンレス鋼プレートの間に封入され、圧縮されている。
【0010】
ＵＳ ８，２８２，８１１ Ｂ２は、高圧で水素を発生させるための電解セルを開示しており、膜電極アセンブリと水素分離器または酸素分離器として機能するセパレータの間にフレームが配置され、水、酸素、水素を流すための開口部が設けられている。ガスケットがフレームをセパレータにシールし、膜が反対側のフレームをシールする。隣接するセパレータ間の圧力パッドと、圧力パッドを囲むプラスチック製マニホールドガスケットは、スタック内の個々の電解セル間の開口部を密閉する。
【0011】
ＵＳ ７，５０７，４９３ Ｂ２は、シール付きバイポーラプレートを含むＰＥＭ電解セルを開示している。シールは、フレームと多孔質ガス拡散層の端部との間に配置されている。さらに、この電解セルは、シールと膜電極配置の間に、プロトン交換膜を保護するための保護要素を備えている。これにより、セルは持続的な高圧、低い比抵抗、改善されたクリープ保護で作動できるはずである。
【0012】
ＵＳ ８，３４９，１５１ Ｂ２は、水電解槽の陽極フレームおよび陰極フレームとして使用するためのフレームを開示しており、陽極フレームおよび陰極フレームは同一構造であり、中央開口部および複数の横方向開口部を有するユニバーサルセルフレームからなる、ここで、横方向開口部の嵌合セットは、約９０度または１８０度間隔を空けて配置され、各々、少なくとも１つの内部半径方向通路によって中央開口部に流体的に接続または非接続であり、陽極フレームおよび陰極フレームは、一連の電解槽が開口部を介して流体的に相互接続されるように、互いに対して９０度回転される。
【0013】
ＥＰ ３ ４６２ ５２８ Ａ１は、膜電極配置と、膜電極配置の両側に平坦面を有するフロー構造体（一方の平坦面は他方の平坦面より大きい）とを備えた高圧水素生成用の電気化学セルを開示しており、バイポーラプレートと、補強層と、より小さい表面を有するフロー構造体に隣接してバイポーラプレートと電解質膜との間に配置されたシールリングを有するシールとを備えている。
【0014】
ＤＥ １０ ２０１４ ０１０ ８１３ Ａ１は、高圧水素製造用のスタック型電解装置用のフレームを開示しており、このフレームは、流体ガイドと外縁との間に配置され、フレーム構造内に埋め込まれた一体化された補強材と、シールを受けるために補強材と流体ガイドとの間に半径方向に配置された凹部とを含む。
【0015】
ＥＰ ３ ６９９ ３２３ Ａ１ は、例えば電解槽の電極スタックの電極供給に関する。
【0016】
ＤＥ ２５ ３３ ７２８ Ａ１ は、並んで配置されたバイポーラ電極と、電解セルの少なくとも１つのチャンバを囲む外枠を備えた電解セルに関する。
【0017】
ＥＰ ３ ７７０ ３０３ Ａ１ は、バイポーラプレート、２枚の電極プレート、およびバイポーラプレートと電極プレートとの間に配置された２つの電流伝達構造を備えた電気化学リアクターのスタック構造用の電極パッキングユニットに関する。
【0018】
ＷＯ ２０２０／０３９２１８ Ａ１は、カソードプレート、アノードプレート、電解スタック、エンドプレートおよび流路シール配置を有する、水の電気分解のためのスタック型電解装置に関する。
【0019】
ＵＳ ２０２００９９０６ Ａ１は、水電解槽用の触媒コーティング膜に関する。
【0020】
古典的なＰＥＭ電解セルで一般的に起こる困難は以下の通りである。
１．ＰＥＭ電解セルスタック、すなわちスタックタイプのＰＥＭ電解装置では、多数のＰＥＭ電解セルのフレームが積み重ねられており、フレームやその他の部品に使用される各材料には製造公差があるため、気密性が問題となる。その結果、使用されるＯリングやその他のシールは、フレーム上のある箇所では十分な接触圧が得られないことがある。特に、水素が加圧下または差圧下で製造される場合、公知のシールでは密閉を達成することが困難または不可能である。
２．フレームの機械的安定性高圧水素が発生すると、プラスチックフレームは変形する（図２）。
３．ＰＴＬとフレーム１の間には小さな隙間１７が残る。ＣＣＭ１３は圧縮モードでこの隙間１７に押し込まれる。その結果、ＣＣＭ１３が隙間１７に這い出す２４（いわゆる粘弾性挙動）が生じる。機械的安定性が低いためにフレーム１が変形すると（ポイント２参照）、この効果は強まり、隙間１７が大きくなる（図２）。
４．フレームには、水とガスの供給と除去のための溝がある。水路はフレームから、つまり金属やプラスチック部分から切り出されるため、コストが高くなる。
１．ＰＥＭ電解セルスタック、すなわちスタックタイプのＰＥＭ電解装置では、多数のＰＥＭ電解セルのフレームが積み重ねられており、フレームやその他の部品に使用される各材料には製造公差があるため、気密性が問題となる。その結果、使用されるＯリングやその他のシールは、フレーム上のある箇所では十分な接触圧が得られないことがある。特に、水素が加圧下または差圧下で製造される場合、公知のシールでは密閉を達成することが困難または不可能である。
２．フレームの機械的安定性高圧水素が発生すると、プラスチックフレームは変形する（図２）。
３．ＰＴＬとフレーム１の間には小さな隙間１７が残る。ＣＣＭ１３は圧縮モードでこの隙間１７に押し込まれる。その結果、ＣＣＭ１３が隙間１７に這い出す２４（いわゆる粘弾性挙動）が生じる。機械的安定性が低いためにフレーム１が変形すると（ポイント２参照）、この効果は強まり、隙間１７が大きくなる（図２）。
４．フレームには、水とガスの供給と除去のための溝がある。水路はフレームから、つまり金属やプラスチック部分から切り出されるため、コストが高くなる。
【0021】
ＰＥＭ電解を用いて工業用水素を高圧下で製造するためには、高圧下および差圧下で運転でき、上記のような欠点がない改良型ＰＥＭ電解セルが必要である。
【0022】
この問題は、請求項１から２１までの発明によって解決される。
【0023】
本発明の課題は、スタック型２３のＰＥＭ電解装置用のＰＥＭ電解セル２用のフレーム１であって、フレーム１は、平面状の第１の表面を有する第１の側面４と、平面状の第２の表面を有する第１の側面４と対向する第２の側面５と、陽極フレーム８および陰極フレーム１１とを備えるフレーム１と
ここで、陽極フレームは、第１の側面４と、陽極フレーム４’’の第１の側面４とは反対側の側面と、多孔質輸送層（ＰＴＬ）陽極７を受け入れるための第１の開口部６とを備え、第１の開口部６は、第１の側面４から陽極フレーム４’’の反対側の側面まで延びている、
ここで、カソード（陰極）フレーム１１は、第２の側面５と、カソードフレーム５’’の第２の側面５とは反対側の側面と、ＰＴＬカソード（陰極）１０を受け入れるための第２の開口部９とを備え、第２の開口部９は、第２の側面５からカソードフレーム５’’の反対側の側面まで延びている、
ここで、陽極フレーム４’’の第１の側面４に対向する側面と、陰極フレーム５’’の第２の側面５に対向する側面とが、互いに隣接して配置されている、
陽極フレーム８と陰極フレーム１１が互いに接続されている、
ここで、第１の開口部６と第２の開口部９は互いに接続されている、
ここで、第１の開口部６は第２の開口部９よりも大きく、陽極フレーム８および陰極フレーム１１は、陽極フレーム４’’の第１の側面４に対向する側面および陰極フレーム５’’の第２の側面５に対向する側面が、陽極フレーム８から陰極フレーム１１への移行部において段差１２を形成するように配置される。
ここで、陽極フレームは、第１の側面４と、陽極フレーム４’’の第１の側面４とは反対側の側面と、多孔質輸送層（ＰＴＬ）陽極７を受け入れるための第１の開口部６とを備え、第１の開口部６は、第１の側面４から陽極フレーム４’’の反対側の側面まで延びている、
ここで、カソード（陰極）フレーム１１は、第２の側面５と、カソードフレーム５’’の第２の側面５とは反対側の側面と、ＰＴＬカソード（陰極）１０を受け入れるための第２の開口部９とを備え、第２の開口部９は、第２の側面５からカソードフレーム５’’の反対側の側面まで延びている、
ここで、陽極フレーム４’’の第１の側面４に対向する側面と、陰極フレーム５’’の第２の側面５に対向する側面とが、互いに隣接して配置されている、
陽極フレーム８と陰極フレーム１１が互いに接続されている、
ここで、第１の開口部６と第２の開口部９は互いに接続されている、
ここで、第１の開口部６は第２の開口部９よりも大きく、陽極フレーム８および陰極フレーム１１は、陽極フレーム４’’の第１の側面４に対向する側面および陰極フレーム５’’の第２の側面５に対向する側面が、陽極フレーム８から陰極フレーム１１への移行部において段差１２を形成するように配置される。
【0024】
本発明によるフレーム１において、段差１２は好ましくは陰極フレーム１１の一部である。本発明によるフレーム１において、段差１２は好ましくは第２の開口部９に隣接する。本発明によるフレーム１において、段差１２は好ましくは第２の開口部９を縁取る。本発明によるフレーム１において、段差１２は、好ましくは、触媒被覆膜（ＣＣＭ）１３の支持面として平面状の第３の面を形成する。本発明によるフレーム１において、段差１２は好ましくはカソードフレーム１１の一部であり、膜１３の支持面として平面状の第３の面を形成する。本発明によるフレーム１において、段差１２は、好ましくはカソードフレーム１１の一部であり、第２の開口部９に隣接し、第２の開口部９を縁取り、触媒被覆膜（ＣＣＭ）１３の支持面として平面状の第３の面を形成する。
【0025】
陽極フレーム８は、コア２１と、シール材２２からなるコーティングとからなる。好ましくは、陽極フレーム８は、金属または他の適切な材料からなるコア２１からなり、好ましくは、陽極フレーム８は、シール材２２からなるコーティングからなり、シール材は、好ましくはゴムである（＝ゴムからなるコーティングを有するコア２１）。カソードフレーム１１は、コア２１と、シール材２２からなるコーティングとからなる。好ましくは、陰極フレーム１１は、金属または他の適切な材料からなるコア２１と、シール材２２からなるコーティングとからなり、シール材は好ましくはゴム（＝ゴムからなるコーティングを有するコア２１）である。金属製のコア２１のコーティングとしては、任意のシール材が適しており、例えばゴム、特にエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）が挙げられる。シール材２２からなるコーティングは、好ましくは、ＰＥＭ電解セル２またはスタック型ＰＥＭ電解装置２３のシールであるか、またはシールとして機能する。
【0026】
本発明の対象は、好ましくは金属製のコア２１を備えたＰＥＭ電解セル２用のフレーム１であり、コア２１はシール材、好ましくはゴム、例えばＥＰＤＭで被覆されている（図３ａおよび３ｂ）。陽極フレーム８のコア２１は、シール材２２、特にシールで完全にまたは部分的に被覆されている。正極フレーム１１のコア２１は、シール材２２、特にシールで完全にまたは部分的に被覆されている。シール材としては、例えばゴム、特にエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）など、任意のシール材が適している。例えば、シールはＥＰＤＭで構成されるか、ＥＰＤＭで構成される。
【0027】
陽極枠８のコア２１は、好ましくは金属からなるか、金属からなる。正極枠１１のコア２１は、好ましくは金属からなるか、金属からなる。金属製のコア２１は、良好な機械的安定性を提供する。あるいは、同様の機械的特性を有する他の材料をコア２１に使用することもできる。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、特に強化ＰＴＦＥまたは分子強化ＰＴＦＥである。シール材２２、好ましくはゴム、例えばエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）でできたコーティングは、シール効果を生み出し、すなわちシール材がシールとして機能する。
【0028】
好ましい実施形態では、陽極フレーム８のコア２１の表面全体がシール材２２からなるコーティングで被覆されている。さらに好ましい実施形態では、負極フレーム８のコア２１の表面の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％以上が、シール材２２からなるコーティングで被覆されている。好ましい実施形態では、正極フレーム１１のコア２１の表面全体が、シール材２２からなるコーティングで被覆される。さらに好ましい実施形態では、正極フレーム１１のコア２１の表面の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％以上が、シール材２２からなるコーティングで被覆される。これらの実施形態では、シール面は非常に大きい。
【0029】
代替実施形態では、陽極フレーム８のコア２１の表面の９０％未満が、シール材２２からなるコーティングで被覆されている。さらなる代替実施形態では、正極フレーム１１のコア２１の表面の９０％未満が、シール材２２からなるコーティングで被覆される。しかしながら、これらの代替実施形態では、陽極フレーム８のコア２１および／または陰極フレーム１１のコア２１の表面の領域は、ＰＥＭ電解セル２の完全なシールを提供するために必要なシール材２２からなるコーティングで被覆される。好ましくは、これらの代替実施形態では、陽極フレーム８のコア２１および／または陰極フレーム１１のコア２１の表面の少なくとも、第１の開口部６および／または第２の開口部９を取り囲む領域が、シール材２２からなるコーティングで被覆される。例えば、陽極枠８のコア２１の表面の、第１の開口部６を直接取り囲む０．５ｃｍ～２．５ｃｍ、好ましくは１ｃｍ～２ｃｍ、例えば１．５ｃｍの領域（図１０ｂ～図１０ｄおよび図１４参照）。例えば、正極枠１１のコア２１の表面の面積は、第２の開口部９を直接囲む０．５ｃｍから２．５ｃｍ、好ましくは１ｃｍから２ｃｍ、例えば１．５ｃｍである。
【0030】
金属は良好な機械的安定性をもたらし、一方、シール材２２、好ましくはゴム、例えばＥＰＤＭからなるコーティングはシール効果をもたらす。陽極フレーム８の金属からなるコア２１の表面の好ましくは全体もしくは少なくとも９０％、例えば少なくとも９５％以上が、または陰極フレーム１１の金属からなるコア２１の表面の好ましくは全体もしくは少なくとも９０％、例えば少なくとも９５％以上が、シール材、好ましくはゴム、例えばＥＰＤＭで被覆されているという事実は、シール面が非常に大きいことを意味する。
【0031】
例えば金属製の安定したコア２１およびシール材２２からなるコーティングのさらなる利点は、ＰＴＬ陽極７およびＰＴＬ陰極１０のような構成要素をフレーム１、特に陽極フレーム８および陰極フレーム１１に圧入（プレスフィット）できることである、このため、ＰＥＭ電解セル２またはスタック型ＰＥＭ電解装置２３において、高圧または差圧下での電解、例えば最大４０バールの差圧で行われる電解の際に、フレーム１の変形がなく、フレーム１内の個々の構成要素間、例えばＰＴＬカソード間により大きな隙間１７が形成されることがない。例えば、ＰＴＬ陰極１０とフレーム１の間、および／またはＰＴＬ陽極７とフレーム１の間（図８）。
【0032】
陽極フレーム８および／または陰極フレーム１１のコア２１に使用される金属は、ステンレス鋼、例えば厚さ０．５ｍｍのステンレス鋼とすることができる。陽極フレーム８の被覆コア２１、すなわちコア２１とシール材２２からなる被覆を合わせた厚さは、１～５ｍｍ、好ましくは２～３ｍｍ、例えば２．２ｍｍとすることができる。正極フレーム１１のコーティングされたコア２１、すなわちコア２１とシール材２２からなるコーティングを合わせた厚さは、１～５ｍｍ、好ましくは２～３ｍｍ、例えば２．２ｍｍとすることができる。同等の特性を有する材料、例えば高度に強化されたプラスチック、例えばＰＴＦＥ、分子強化ＰＴＦＥもコア２１に適している。
【0033】
シール材２２からなるコーティングは層厚を有する。シール材２２からなる被膜の層厚は、例えば１～４．５ｍｍ、例えば２～３ｍｍである。好ましくは、陽極枠８のコア２１を囲むシール材２２からなる被膜の層厚は、どこでも同じである。好ましくは、正極フレーム１１のコア２１を囲むシール材２２からなるコーティングの層厚は、どこでも同じである。特定の実施形態では、陽極枠８のコア２１は、シール材２２からなる被膜の層厚と比較して、シール材２２からなる被膜の層厚が減少した領域２２’’を有する（図１０ｂ～図１０ｄ、図１４）。特定の実施形態では、正極フレーム１１のコア２１は、封止材２２’’からなるコーティングの層厚に比べて、封止材２２からなるコーティングの層厚が減少した領域を有する。例えば、封止材２２’’からなる被膜の層厚。封止材２２からなる被膜の層厚に比べて、封止材２２からなる被膜の層厚が１ｍｍ減少している。例えば、シール材２２からなる被膜の層厚は４ｍｍであり、シール材２２’’からなる被膜の低減された層厚は３ｍである。例えば、シール材２２からなる被膜の層厚は１０ｍｍ以下であり、好ましくは５ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ以下、１．５ｍｍ以下、１ｍｍ以下である。例えば、シール材２２からなる塗膜の減厚は９ｍｍ以下、好ましくは４ｍｍ、２．８ｍｍ、１．９ｍｍ以下１．４５ｍｍ、０．９５ｍｍ以下である。例えば、シール材２２からなる塗膜の層厚と、シール材２２’’からなる塗膜の減少した層厚との層厚の差は、１ｍｍ、０．７ｍｍ、０．５ｍｍ以下であり、例えば、０．３ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０５ｍｍ以下である。
【0034】
例えば、第１の開口部６は、第２の開口部９よりも少なくとも０．５ｍｍまたは１ｍｍ、例えば２ｍｍ以上、０．５ｃｍ、好ましくは１ｃｍ、特に好ましくは１．５ｃｍ以上大きく、好ましくは、大きい第１の開口部６と小さい第２の開口部９とによって陰極フレーム１１の内側に形成される段差１２は、どこでも同じ幅を有する（図７ｂ、図１１）。あるいは、段差１２は様々な場所で異なる幅を有することができる。段差１２の幅、ひいてはＣＣＭ１３を保持するための平面状の第３の面の幅は、様々な場所で同じ幅を有することも、異なる幅を有することもできる。
【0035】
陽極フレーム８は、例えば、２０～７０ｃｍ×２０～７０ｃｍ、例えば５０ｃｍ×５０ｃｍまたは３５ｃｍ×３５ｃｍの外形寸法を有することができる。第一開口部６は、例えば１１～５１ｃｍ×１１～５１ｃｍ、例えば２１ｃｍ×２１ｃｍまたは１５ｃｍ×１５ｃｍの寸法を有することができる（図９ｂ）。陰極フレーム１１は、例えば、２０～７０ｃｍ×２０～７０ｃｍ、例えば５０ｃｍ×５０ｃｍまたは３５ｃｍ×３５ｃｍの外形寸法を有することができる。第２の開口部９は、１０～５０ｃｍ×１０～５０ｃｍ、例えば２０ｃｍ×２０ｃｍまたは１４ｃｍ×１４ｃｍの寸法を有することができる（図９ａ）。好ましくは、陽極フレーム８と陰極フレーム１１には同じ外形寸法が選択される。第１の開口部６と第２の開口部９の寸法は、第１の開口部９が第２の開口部９より大きくなるように選択され、陽極フレーム８と陰極フレーム１がフレーム１として相互作用するとき、段差１２が形成されるようにする、
当業者には様々なフレーム形状が知られており、フレーム１、陽極フレーム８および陰極フレーム１１は、例えば正方形、長方形、円形に設計することができる。フレーム１の形状を自由に選択できるという事実により、フレーム１の特定の領域における接触圧力は、フレームの厚さを増加または減少させることによって、好ましくはシール材２２からなるコーティングの厚さを減少させることによって調整することができる。シール材２２によるコーティングの厚みを増すこともできる。これにより、コア２１上のシール材２２からなるコーティングの層厚が陽極フレーム８または陰極フレーム１１の他の領域よりも厚い領域を形成することができる。シール材２２からなるコーティングの層厚を薄くすることができる。その結果、コア２１上のシール材２２からなるコーティングの層厚が陽極フレーム８または陰極フレーム１１の他の領域よりも小さい領域を形成することができる。シール材２２からなるコーティングの層厚が異なる領域は、本発明によるフレーム１の機能を引き継ぐことができる。
当業者には様々なフレーム形状が知られており、フレーム１、陽極フレーム８および陰極フレーム１１は、例えば正方形、長方形、円形に設計することができる。フレーム１の形状を自由に選択できるという事実により、フレーム１の特定の領域における接触圧力は、フレームの厚さを増加または減少させることによって、好ましくはシール材２２からなるコーティングの厚さを減少させることによって調整することができる。シール材２２によるコーティングの厚みを増すこともできる。これにより、コア２１上のシール材２２からなるコーティングの層厚が陽極フレーム８または陰極フレーム１１の他の領域よりも厚い領域を形成することができる。シール材２２からなるコーティングの層厚を薄くすることができる。その結果、コア２１上のシール材２２からなるコーティングの層厚が陽極フレーム８または陰極フレーム１１の他の領域よりも小さい領域を形成することができる。シール材２２からなるコーティングの層厚が異なる領域は、本発明によるフレーム１の機能を引き継ぐことができる。
【0036】
横漏れを回避するために、活性領域上の圧力は、例えば、円周方向のゴムの増加のような、シール材２２からなるコーティングの層厚における円周方向の高さ２６’’によって増加させることができる。シール材２２からなるコーティングの層厚における周方向の高さ２６’’は、例えば１ｍｍの幅を有することができる。シール材２２からなるコーティングと周方向隆起部２６’’との間の層厚の差は、例えば、１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０５ｍｍとすることができる。
【0037】
本発明の主題は、陽極フレーム８の特定の領域および／または陰極フレーム１１の特定の領域におけるシール材２２からなるコーティングが、例えば接触圧力を低減するために、シール材２２からなるコーティングの層厚に比べて減少した層厚２２’’を有するフレーム１である。
【0038】
本発明の課題は、フレーム１であって、陽極フレーム８の特定の領域において、シール材２２からなるコーティングが、例えばシール効果を高めるために、第１の開口部６を取り囲む円周方向の高さ２６’’を有するフレーム１である。本発明の課題は、フレーム１であって、正極フレーム１１の特定の領域において、シール材２２からなるコーティングが、例えばシール効果を高めるために、第２の開口部９を取り囲む円周方向の隆起部２６’’を有するフレーム１である。
【0039】
正方形の陽極フレーム８では、第１の開口部６は、第１の辺２７、第２の辺２８、第３の辺２９および第４の辺３０によって形成することができる。正方形の陰極フレーム１１では、第２の開口部９は、第１の辺２７’’、第２の辺２８’’、第３の辺２９’’および第４の辺３０’’によって形成することができる。
【0040】
ＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプのＰＥＭ電解装置２３の一部であるさらなる構成部品は、フレーム１、陽極フレーム８、陰極フレーム１１に構造体として設置することにより節約することができ、特に陽極フレーム８と陰極フレーム１１のコア２１がコーティングされたシール材製コーティング２２を使用することができる。例えば、シール材からなるコーティング２２は、ゴムからなるコーティングとすることができ、例えば、個々の電圧測定のための接続部の領域に配置されるゴムリップ２５からなる。このようにして、絶縁箔を節約することができる。本発明は、陽極フレーム８のシール材からなる被覆２２および／または陰極フレーム１１のシール材からなる被覆２２が、シール機能に加えてさらなる機能を引き継ぐフレーム１に関する。この目的のために、陽極フレーム８および／または陰極フレーム１１のシール材２２からなるコーティングは、対応する実施形態、例えばゴムリップ２５からなる。
【0041】
その他の必要な部品は、シール材２２からなる被膜から直接製造することができるので、ＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置を製造するのに必要な個々の部品の数を減らすことができる。これにより、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置の組み立てに必要な労力が大幅に削減される。同様に、陽極フレーム８および陰極フレーム１１を接続するための手段、例えばピン１９および穴１８を陽極フレーム８および／または陰極フレーム１１に挿入することにより、追加の組立補助具が不要になる。
【0042】
好ましい実施形態では、シール材２２からなるコーティングは、１つ以上のチャネルタイプＩＩ１５を含んでいる。チャネルタイプＩＩ１５は、シーリング材２２からなるコーティングの層厚さ、シーリング材２２からなるコーティングの層厚さに比べて減少したシーリング材２２からなるコーティングの領域として設計される。従って、チャネルタイプＩＩ１５は、シール効果に寄与しないシール材２２でできたコーティングの窪みまたは凹みである。隣接する個々のチャネルＩＩ型１５は、高台２６によって分離されている。高台２６は、例えば、２つの隣接する流路タイプＩＩ１５の間の領域であり、その領域では、コア２１は、低減された層厚を有しないシール材２２からなるコーティングを有する。個々のチャネルタイプＩＩ１５が配置された領域におけるシール材２２’’からなるコーティングの低減された層厚は、コア２１を取り囲むコーティングの他の領域におけるシール材２２’’からなるコーティングの低減された層厚とは独立して選択され得、この領域は、コーティングの低減された層厚を有し得る。特定の実施形態では、コア２１は、１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ１５を表す１つまたは複数の領域において、シール材２２からなるコーティングを有さない。
【0043】
好ましい実施形態では、陽極フレーム８によって縁取られる第１の開口部６と、陰極フレーム１１によって縁取られる第２の開口部９とは、異なる大きさである（図７ｂ、８、９ａおよび９ｂ）。例えば、正極フレーム１１は小さく、負極フレーム８は大きい。このことは、差圧、例えば４０ｂａｒの差圧、すなわち電気化学セル２のカソード側のみが加圧下で運転される場合、またはスタック型２３のＰＥＭ電解装置のカソード側のみが加圧下で運転される場合、ＰＥＭ電解中にカソードで発生する水素圧は、アノード（陽極）フレーム８とＰＴＬアノード（陽極）７との間のギャップ１７を押圧しないか、または押圧できないことを意味する。ＣＣＭ１３は、ＰＴＬ陽極７に押し付けられ、ＰＴＬ陽極７に機械的に支持されるだけである。このようにして、フレーム１、例えば陽極フレーム８とＰＴＬ陽極７との間の隙間１７へのＣＣＭ１３の這い上がり２４を防止することができる。
【0044】
好ましい実施形態では、本発明によるフレーム１は、水およびガスの供給および除去のための２つの異なるタイプの流路を備える。好ましくは、フレーム１は、フレーム１内に水を輸送するため、およびフレーム１から水およびガスを輸送するための１つまたは複数の流路タイプＩ１４ｃを備える。好ましくは、Ｉ型流路１４は、陽極フレーム８の第１の開口部６または陰極フレーム１１の第２の開口部９に直接接続されていない。好ましくは、陽極フレーム８のコア２１は、１つまたは複数のチャネルＩ型１４からなる。好ましくは、正極フレーム１１のコア２１は、１つまたは複数のＩ型チャネル１４からなる。好ましくは、Ｉ型チャネル１４は、シール材２２からなるコーティングで被覆されている。
【0045】
さらに、フレーム１は、好ましくは、第１の開口部６に水を輸送し、第１の開口部６から水と酸素を輸送し、第２の開口部９から水素を輸送するための１つ以上のチャネルＩＩ型１５を備える。好ましくは、ＩＩ型流路１５は、Ｉ型流路１４を第１開口部６に接続する。好ましくは、ＩＩ型チャネル１５は、Ｉ型チャネル１４を第２開口部９に接続する。
【0046】
好ましい実施形態では、陽極枠８の全体または一部が被覆されたシール材２２からなる被覆は、１つまたは複数のＩＩ型チャネル１５からなる。他の実施形態では、陽極フレーム８のコア２１は、１つまたは複数のＩＩ型チャネル１５からなる。好ましい実施形態では、正極フレーム１１の全体または一部が被覆されるシール材２２からなる被覆は、１つまたは複数のＩＩ型チャネル１５からなる。他の実施形態では、正極フレーム１１のコア２１は、１つまたは複数のＩＩ型チャネル１５からなる。この実施形態の利点は、製造コストである。好ましい実施形態では、チャネルタイプＩＩ１５は、各陽極フレーム８および各陰極フレーム１１から削り出されるのではなく、工具に一旦移される。好適な工具は、例えば、陽極フレーム８のネガまたは陰極フレーム１１のネガである。例えば、チャネルタイプＩＩ１５の配置、直径、長さ、および必要に応じて他のパラメータがツールに転送される。ツールは、例えば、スタンプを使用してシール材、好ましくはゴム、例えばＥＰＤＭにスタンプされるように、チャネルタイプＩＩ１５をシール２２に転写するために使用することができる。工具を使用して、陽極フレーム８のコア２１または陰極フレーム１１のコア２１を加硫する。
【0047】
好ましい実施形態では、陽極フレーム８は、第１の側面４の表面上に、１つまたは複数のＩ型チャネル１４に接続され、Ｉ型チャネル（単数または複数）１４を第１の開口部６に接続し、フレーム１がＰＥＭ電解セル２またはスタック型ＰＥＭ電解装置２３に設置されるとき、バイポーラプレート（ＢＰＰ）１６に向かう方向に配置される１つまたは複数のＩＩ型チャネル１５を含み、陽極フレーム４’’の第１の側面４と反対側の側面は、ＩＩ型チャネル１５を有さない。
【0048】
好ましい実施形態では、カソードフレーム１１は、第２の側面５の表面上に、１つまたは複数のチャネルタイプＩ１４に接続され、チャネルタイプＩ１４を第２の開口部９に接続し、フレーム１がＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置に設置されるとき、バイポーラプレート（ＢＰＰ）１６に向かって配置される１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ１５を構成し、第２の側面５に対向するカソードフレーム５’’の側面は、チャネルタイプＩＩ１５を有さない。
【0049】
好ましい実施形態では、本発明によるフレーム１は、水およびガスを供給および除去するための１つまたは複数の流路タイプＩ１４と、１つまたは複数の流路タイプＩＩ１５とを備え、流路タイプＩ１４は、陽極フレーム８の第１の開口部６または陰極フレーム１１の第２の開口部９に接続されていない。フレーム１の好ましい実施形態では、陽極フレーム８は、第１の側面４の表面上に、チャネルタイプＩ１４に接続され、チャネルタイプＩ１４を第１の開口部６に接続し、フレーム１がＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置に設置されたときに、ＢＰＰ１６に向かう方向に配置される１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ１５を含み、陽極フレーム４’’の第１の側面４と反対側の側面は、チャネルタイプＩＩ１５を含まない。フレーム１の好ましい実施形態では、カソードフレーム１１は、第２の側面５の表面に、１つまたは複数のチャネルタイプＩ１４に接続され、チャネルタイプＩ１４を第２の開口部９に接続し、フレーム１がＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置に設置されたときに、ＢＰＰ１６に向かう方向に配置されるチャネルタイプＩＩ１５を構成し、第２の側面５に対向するカソードフレーム５’’の側面にはチャネルタイプＩＩ１５がない。
【0050】
好ましい実施形態では、本発明によるフレーム１は、水およびガスを供給および除去するための少なくとも２つの流路タイプＩ１４と、少なくとも２つの流路タイプＩＩ１５とを備え、流路タイプＩ１４は、陽極フレーム８の第１の開口部６または陰極フレーム１１の第２の開口部９に接続されていない。フレーム１の好ましい実施形態では、陽極フレーム８は、第１の側面４の表面上に、少なくとも２つのチャネルタイプＩ１４に接続され、チャネルタイプＩ１４を第１の開口部６に接続し、フレーム１がＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置に設置されるとき、ＢＰＰ１６に向かう方向に配置される少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ１５を含み、陽極フレーム４’’の第１の側面４と反対側の側面は、チャネルタイプＩＩ１５を含まない。好ましくは、陽極フレーム７の第１の側面４に配置された複数のチャネルタイプＩＩ１５は、チャネルタイプＩ１４を第１の開口部６に接続する。フレーム１の好ましい実施形態では、カソードフレーム１１は、第２の側面５の表面上に、少なくとも２つのチャネルタイプＩ１４に接続され、チャネルタイプＩ１４を第２の開口部９に接続し、フレーム１がＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置に設置されるとき、ＢＰＰ１６に向かう方向に配置され、第２の側面５とは反対側のカソードフレーム５’’の側面がチャネルタイプＩＩ１５を含まない、少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ１５から構成される。好ましくは、カソードフレーム１１の第２の側面５に配置される複数のチャネルタイプＩＩ１５は、チャネルタイプＩ１４を第２の開口部９に接続する。
【0051】
Ｉ型チャネル１４と第１の開口部６および第２の開口部９とを接続するＩＩ型チャネル１５、すなわちＰＥＭ電解セルにおいてＰＴＬアノード７およびＰＴＬカソード１０と水およびガスの供給および除去のためのＩ型チャネル１４とを接続するＩＩ型チャネル１５は、アノードフレーム８および／またはカソードフレーム１１において、ＢＰＰ１６の方向を向き、ＣＣＭ１３の方向を向かないように配置される。ＣＣＭ１３が載置されている陽極フレーム７の側面および陰極フレーム１１の側面には、ＩＩ型１５、すなわち、ＣＣＭ１３が配置され、電解中に最大４０バールの差圧に曝される領域において、第１の開口部６または第２の開口部９のすぐ近傍に流路がないため、電解中にガスおよび水がＩ型１４の流路を流れても、ＣＣＭ１３はこの影響を受けない。ＣＣＭ１３は、溝のない滑らかな平坦面上に載るため、４０バールまでの差圧でも十分に支持される。同時に、アノード室（アノード室はアノードフレーム７、ＣＣＭ１３、ＢＰＰ１６によって形成される）、カソード室（カソード室はカソードフレーム１１、ＣＣＭ１３、ＢＰＰ１６によって形成される）、ＰＥＭ電解セル２全体は、４０バールまでの差圧でも完全に密閉され、ガスや水が漏れることはない。
【0052】
例示的な実施形態では、フレーム１は、２個から１０００個以上のチャネルタイプＩＩ１５、例えば少なくとも１００個のチャネルタイプＩＩ１５、好ましくは少なくとも２００個のチャネルタイプＩＩ１５、またはそれ以上またはそれ以下、例えば５０個以下のチャネルタイプＩＩ１５で構成される。好ましくは、Ｉ型流路１４の少なくとも半分がＩＩ型流路１５によって第１開口部６または第２開口部９に接続されている。
【0053】
好ましくは、少なくとも２つ以上、例えば４つ、１０個以上のＩＩ型チャネル１５が、Ｉ型チャネル１４を第１開口部６に接続する。好ましくは、少なくとも２つ以上、例えば４つ、１０個以上のＩＩ型チャネル１５が、Ｉ型チャネル１４を第２開口部９に接続する。
【0054】
例えば、第１の開口部６に接続されるチャネルタイプＩＩ１５は、フレーム４の第１の側で互いに隣接して配置される。隣接する２つのチャネルタイプＩＩ１５間の距離は、例えば、≦５ｍｍ、≦３ｍｍ、好ましくは≦２ｍｍ以下である。例えば、チャネルタイプＩ１４と第１の開口部６との間のチャネルタイプＩＩ１５は、フレーム４の第１の側に扇形に配置される。
【0055】
例えば、第２の開口部９に接続されるチャネルタイプＩＩ１５は、フレーム５の第２の側で互いに隣接して配置される。隣接する２つのチャネルタイプＩＩ１５間の距離は、例えば、≦５ｍｍ、≦３ｍｍ、好ましくは、≦２ｍｍ以下である。例えば、チャネルタイプＩ１４と第２の開口部９との間のチャネルタイプＩＩ１５は、フレーム５の第２の側に扇形に配置される。
【0056】
フレーム１の流路は、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置内で流路タイプＩ１４を介して液体が分配され、流路タイプＩＩ１５を介して液体が個々のＰＥＭ電解セル２に入るように設計されている。流路Ｉ型１４は、好ましくは、陽極フレーム８の第１開口部６に沿って、または第１開口部６と平行に、一定の間隔で配置される。Ｉ型チャネル１４は、好ましくは、正極フレーム１１の第２開口部９に沿って、または正極フレーム１１の第２開口部９と平行に、一定の間隔で配置される。例えば、正方形の第１の開口部６の各辺または正方形の第２の開口部９の各辺に２０本以上またはそれ以下、例えば５本のＩ型チャネル１４がある。
【0057】
特に好ましい実施形態では、流路Ｉ型１４は、それぞれが電気化学セル２の第１の開口部６および第２の開口部９、またはスタック型２３のＰＥＭ電解装置の第１の開口部６および第２の開口部９の同じ部分、したがって同じ領域に水を供給するように配置される。
【0058】
特に好ましい実施形態では、好ましくは５ｍｍ以下、特に好ましくは＜２ｍｍの一定の開口径を有する連続チャネルＩＩ型１５が、各チャネルＩ型１４またはチャネルＩ型１４の一部から、第１の開口部６または第２の開口部９に通じている。これらのチャネルＩＩ型１５は、例えば、チャネルＩＩ型１５が第１の開口部６または第２の開口部９上に均等に分布するように、扇形に配置される。第１の開口部６または第２の開口部と、チャネルタイプＩＩ１５を通過するチャネルタイプＩ１４との間の領域におけるチャネルタイプＩＩ１５の他の配置も可能である。チャネルタイプＩＩ１５の幅を５ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下に制限することにより、チャネルタイプＩＩ１５の領域において十分な接触圧が対向フレーム１に伝達される。
【0059】
第一開口部６に沿って、または第二開口部９に沿って、フレーム１の全幅にわたって、例えば第一開口部２７の第一側面の全幅に沿って、および第一開口部２９の第三側面の全幅に沿って（図１０ａ）、チャネルタイプＩ１４およびタイプＩＩ１５の均一な分布は、電気化学セル２の活性セル領域（＝第一開口部６＋第二開口部９）全体にわたって水を特に良好に分布させる。水はＰＥＭ電解セル２内を均一に流れる。流入する水の大部分は冷却に使用されるため、ＩＩ型流路１５の均等な分布は均質な放熱につながる。このような流路ＩＩ型１５の配置により、ＰＥＭ電解中に発生する熱を均一に放散させることができる。反応熱の放散は、ＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置にとって重要なパラメータである。
【0060】
本発明によれば、設計や構造が異なるスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置が含まれる。
【0061】
フレーム１、ＰＥＭ電解セル２、事前に組み立てられたモジュール２０、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解デバイスが含まれ、個々の流路タイプＩＩ１５は、それぞれのフレーム１、それぞれの電気化学セル２、スタックタイプ２３のそれぞれのＰＥＭ電解デバイスの他の流路タイプＩＩ１５と比較して、水の流れにおいてより高いまたはより低い圧力損失を提供するように適合される。例えば、外部流路ＩＩ型１５はそれに応じて適合される、例えば、フレーム４の第１の側の流路タイプＩＩ１５の配置の端部に配置された流路タイプＩＩ１５、例えば、第１の開口部２７の第１の側に関して流路タイプＩＩ１５の配置の端部に配置された流路タイプＩＩ１５は、フレーム１、電気化学セル２、組立済みモジュール２０、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置の他の流路タイプＩＩ１５と比較して、流れる水の圧力損失が高いか低いかのいずれかが生じるように適合される。これは、例えば、ＩＩ型流路１５の開口断面を小さくすることによって達成することができる。これは、例えば、流路タイプＩ１４の圧力損失が均一でなく、流路タイプＩＩ１５が均一である場合、活性セル領域（活性セル領域＝第１の開口部６＋第２の開口部９）のうち、当該流路タイプＩＩ１５を流れる水の体積流量がより多い特定の領域が、流れる水がより高い圧力を有する流路タイプＩ１４に接続されている場合に必要である。ＩＩ型流路１５を適合させなければ、活性細胞領域の冷却は、例えば、水が流れることによって、より不均一になる可能性がある。これは、ＩＩ型流路１５を適合させることで補うことができる。流路タイプＩＩ１５の断面積は、例えば、流路タイプＩ１４内の水圧の差を補正するために、小さくすることができる。好ましくは、均一または均質な水圧が、活性細胞領域全体にわたって生成される。例えば個別に適合され、例えば異なる開口断面積を有する流路ＩＩ型１５を用いると、流路Ｉ型１４内の異なる圧力損失を補償することができ、全ての流路ＩＩ型１５を通る流れを均一化することができる。
【0062】
本発明の対象となるのは、フレーム１、ＰＥＭ電解セル２、組立済みモジュール２０、およびスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置であり、該当するフレーム１、該当する電気化学セル２、該当する組立済みモジュール２０、スタックタイプ２３の該当するＰＥＭ電解装置の個々の流路タイプＩＩ１５は、各流路タイプＩＩ１５が活性セル領域と同じ大きさの領域に水を供給するように配置されている。
【0063】
本発明が対象とするのは、フレーム１、ＰＥＭ電解セル２、組立済みモジュール２０、およびスタック型２３のＰＥＭ電解装置であり、それぞれのフレーム１、それぞれのＰＥＭ電解セル２、それぞれの組立済みモジュール２０、およびスタック型２３のそれぞれのＰＥＭ電解装置の個々の流路ＩＩ型１５は、すべての流路ＩＩ型１５が同時に同じ量の水を輸送できるように、すなわちすべての流路ＩＩ型１５が同じであるように設計されている。これは、例えば、全ての流路タイプＩＩ１５が、水が流れることができる同じ断面を有することによって達成することができる。好ましくは、流路ＩＩ型１５は、各流路ＩＩ型１５が活性細胞領域と同じ大きさの領域に水を供給するように配置される。特に好ましくは、各流路ＩＩ型１５が活性細胞領域の同じ大きさの領域に水を供給し、全ての流路ＩＩ型１５が同じであるように、流路ＩＩ型１５が配置される。このようにすることで、活性細胞領域全体に均等に水を供給することができる。
【0064】
Ｉ型チャネル１４の数、形状および配置、ならびにＩ型チャネル１４に関するその他のパラメータ、ならびにＩＩ型チャネル１５の数、形状および配置、ならびにＩＩ型チャネル１５に関するその他のパラメータは、必要に応じて、例えば使用されるフレーム形状に合わせて適合させることができる。
【0065】
本発明によるフレーム１では、陽極フレーム８と陰極フレーム１１が接続要素を介して互いに接続されている。対応する接続要素は当業者に公知である。フレーム１の好ましい実施形態では、陽極フレーム８は、１つまたは複数の接続要素、例えばピン１９から構成され、陰極フレーム１１は、１つまたは複数の接続要素、例えば孔１８から構成され、ピンまたはピン１９および孔または孔１８は、陰極フレーム１１の孔または孔１８が陽極フレーム８のピンまたはピン１９に差し込まれ、陽極フレーム８および陰極フレーム１１がそれによって互いに接続され得るように配置される。
【0066】
本発明の主題は、高圧水素を生成するための４０バールまでの差圧下で作動するＰＥＭ電解セル２であって、ＣＣＭ１３を有するＰＥＭ膜電極配置と、ＰＴＬアノード７と、ＰＴＬカソード１０とを備え、ＰＥＭ電解セル２が、本発明によるフレーム１を構成する、ＰＥＭ電解セル２である、アノードフレーム８の第１の開口部６がＰＴＬアノード７を構成し、カソードフレーム１１の第２の開口部９がＰＴＬカソード１０を構成し、ＣＣＭ１３が、第１の側面４に対向するアノードフレーム４’’の側面と第２の側面５に対向するカソードフレーム５’’の側面との間に配置され、ＣＣＭ１３の一方の側面がＰＴＬアノード７上に載り、ＣＣＭ１３の他方の側面が段差１２およびＰＴＬカソード１０上に載る（図７ｂおよび図７ｃ）。ＰＥＭ電解セル２が差圧下で運転されると、アノードフレーム８とＰＴＬアノード７との間の隙間１７の領域では、差圧がＣＣＭ１３に作用しない。これにより、ＣＣＭ１３が隙間７に這い回る２４のを防ぐことができる（図８および８ａ）。
【0067】
好ましい実施形態において、本発明によるＰＥＭ電解セル２は、８０μｍ以下の厚さを有するＣＣＭ１３、例えば５０μｍ以下の厚さを有するＣＣＭ１３からなる。
【0068】
本発明によるＰＥＭ電解セル２では、陽極フレーム８のシール材２２、例えばゴムからなるコーティング、好ましくはＥＰＤＭからなるコーティング、陰極フレーム１１のシール材２２、例えばゴムからなるコーティング、好ましくはＥＰＤＭからなるコーティング、好ましくは、カソードフレーム１１のＥＰＤＭ製のコーティング、および段差１２は、ＣＣＭ１３（図７ｃおよび図８ａ）と相互作用し、ＣＣＭ１３のクロール２４がアノードフレーム８とＰＴＬアノード７との間の隙間１７に入ることなく、ＰＥＭ電解セル２およびアノードコンパートメントとカソードコンパートメントとを完全にシールする。ＩＩ型流路１５の特別な配置により、水とガスの供給と除去の両方が完全に保証されるとともに、ＣＣＭ１３の安定性と電解質膜セル２の完全な密閉が保証される。従って、本発明によるフレーム１は、厚さ８０μｍ以下、例えば厚さ５０μｍ以下（＝薄いＣＣＭ１３）のＣＣＭ１３の使用を可能にする。本発明によるフレーム１により、ＰＥＭ電解セル２は、従来技術における通常よりも薄いＣＣＭ１３で製造することができる。さらに、これらのＰＥＭ電解セル２は、ＣＣＭ１３を損傷したりＰＥＭ電解セル２がリークしたりすることなく、カソード側に最大４０バールの差圧を発生させるように水素を蓄積するように運転することができる。
【0069】
好ましい実施形態では、陽極７は、ＢＰＰ１６が陽極７に接続されるように設計され、これは本発明に従ってＢＰＰ／陽極３６と呼ばれる。ＢＰＰ／陽極３６の使用は、組み立てを容易にするだけでなく、個々の部品間の接触抵抗を低減する。好ましい実施形態では、陽極７は、プロセス媒体、特に水のために、少なくとも１つの粗い分配器と少なくとも１つの細かい分配器とを備える。粗い分配器は、セル領域全体（すなわち、第１の開口部および第２の開口部６＋９）に水を効率的に分配する。微細ディストリビューターは、水をＣＣＭ１３に輸送し、ＣＣＭ１３との良好な電気的接触を可能にし、同時にＣＣＭ１３を機械的に支持する。ＰＴＬ陽極７用の粗い分配器として、例えばエキスパンドメタルを使用することができる。ＰＴＬ陽極７の微細ディストリビューターとしては、例えば焼結粉末からなるプレートを使用することができる。粗配電子と細配電子、例えばエキスパンドメタルと焼結金属を、例えば抵抗溶接によって接合し、ＰＴＬ陽極７を製造することができる。あるいは、粉末をエキスパンドメタル上に直接焼結してＰＴＬ陽極７を製造することもできる。ＰＴＬ陽極７はＢＰＰ１６に接続することができる。好ましくは、ＢＰＰ１６はＰＴＬ陽極７と同じ材料からなる。特に好ましい実施形態では、ＢＰＰ１６およびＰＴＬ陽極７はチタンからなる。代替的な好ましい実施形態では、ＢＰＰ１６とＰＴＬ陽極７は少なくとも８０％が同じ材料、例えばチタンからなる。ＢＰＰ１６とＰＴＬアノード７との接続は、例えば抵抗溶接によって、好ましくは数カ所で実現することができる。ＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６において、ＢＰＰ１６の表面はフレーム１の外面に対応し、またはＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６の表面は本質的にフレーム１の外面に対応する。ＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６のＰＴＬアノード７の表面は、第１の開口部６を満たすように、または第１の開口部６に収まるように適合される。２つの部品（ＢＰＰ１６とＰＴＬ陽極７）の代わりに、ＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６という１つの部品だけが組み立てに必要です。つまり、部品が１つ節約できる。
【0070】
水またはガスのいずれが電極を介して輸送されるかに応じて、陽極フレーム８の第１の開口部６に沿った一側または二側のチャネルタイプＩ１４は、陽極フレーム８の第１の開口部に沿った他の側のチャネルタイプＩ１４よりも著しく小さくすることもできる（図１０ｂ参照）。例えば、正極側のチャネルタイプＩ１４は、負極側よりも著しく小さくすることができる（図１０ｂ～図１０ｄ参照）。スペースを節約し、フレーム１の機械的安定性を確保するために、チャネルタイプＩ１４は、例えば、丸穴の代わりにスロットとして設計することができる。Ｉ型チャネル１４には、様々な形状とそれに対応する適応が可能である。
【0071】
本発明の目的は、本発明によるフレーム１からなるスタック型２３の電解装置を製造するための組立済みサブモジュール２０である。本発明の目的は、例えば、陽極フレーム８、陰極フレーム１１、ＢＰＰ１６、ＰＴＬ陽極７およびＰＴＬ陰極１０からなるスタック型２３の電解装置を製造するための組立済みモジュール２０である、
ここで、陽極フレーム８は、平面状の第１の表面を有するフレーム１の第１の側面４と、陽極フレーム４’’の第１の側面４と反対側の側面と、ＰＴＬ陽極７を受け入れるための第１の開口部６とを備え、第１の開口部６は、第１の側面４から陽極フレーム４’’の第１の側面４と反対側の側面まで延び、第１の開口部６は、陽極フレーム８によって取り囲まれ、陽極フレーム８は、陰極フレーム１１に接続するための少なくとも１つの接続要素、例えばピン１９を備える、
ここで、カソードフレーム１１は、平面状の第２の表面を有するフレーム１の第２の側面５と、カソードフレーム５’’の第１の側面５と反対側の側面と、ＰＴＬカソード１０を受け入れるための第２の開口部９とを備える、ここで、第２の開口部９は、第２の側面５から陰極フレーム５’’の第２の側面５の反対側まで延び、陰極フレーム１０によって囲まれており、陰極フレーム１１は、陽極フレーム８に接続するための少なくとも１つの接続要素、例えば、陽極フレーム８のピン１９を受けるための穴１８から構成されている、
ここで、ＢＰＰ１６はフレーム１の第１の側面４とフレーム１の第２の側面５との間に配置され、ＢＰＰ１６はＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６の一部とすることができる、
陽極フレーム８が、例えば金属からなるか金属からなるコア２１と、例えばゴムからなるコーティング、好ましくはＥＰＤＭからなるコーティングなどのシール材２２からなるコーティングとからなり、コア２１がシール材２２からなるコーティングで完全にまたは部分的に被覆されている、および、好ましくはＢＰＰ１６がＰＴＬ陽極７に接続されてＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６を形成し、ＰＴＬ陽極７またはＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６が第１の開口部６に挿入または押圧され、ＰＴＬ陽極７が陽極フレーム８によって縁取られる、
カソードフレーム１０は、例えば金属からなるか金属からなるコア２１と、例えばゴムからなるコーティング、好ましくはＥＰＤＭからなるコーティングのようなシール材２２からなるコーティングとからなり、コア２１がシール材２２からなるコーティングで完全にまたは部分的に被覆され、ＰＴＬカソード１０が第２の開口部９に挿入または押圧され、カソードフレーム１１によってフレーム化される、
ここで、陽極フレーム８および陰極フレーム１１は、陽極フレーム８および陰極フレーム１１の接続要素を介して接続され、例えば、陽極フレーム８のピン１９が陰極フレーム１１の孔１８に挿入され、陽極フレーム８および陰極フレーム１１がそれによって互いに接続される、
ここで、第１の開口部６は第２の開口部９よりも大きく、陽極フレーム８および陰極フレーム１１は、第１の側面４および第２の側面５が陽極フレーム８から陰極フレーム１１への移行部において段差１２を形成するように配置される、ここで、好ましくは、段差１２は、好ましくは第２の開口部９に隣接し、好ましくは第２の開口部９を縁取るカソードフレーム１１の部分であり、段差１２は、好ましくは、ＣＣＭ１３の支持面として平面状の第３の面を形成し、ＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６のＢＰＰ１６またはＢＰＰ１６は、一方の側でＰＴＬアノード７およびアノードフレーム８に載り、他方の側でＰＴＬカソード１０、カソードフレーム１１および段差１２に載る。予め組み立てられたモジュール２０は、好ましくは、水およびガスの供給および除去のために、本願明細書に記載された流路タイプＩ１４およびタイプＩＩ１５から構成され、これらは記載されたように配置することができる。
ここで、陽極フレーム８は、平面状の第１の表面を有するフレーム１の第１の側面４と、陽極フレーム４’’の第１の側面４と反対側の側面と、ＰＴＬ陽極７を受け入れるための第１の開口部６とを備え、第１の開口部６は、第１の側面４から陽極フレーム４’’の第１の側面４と反対側の側面まで延び、第１の開口部６は、陽極フレーム８によって取り囲まれ、陽極フレーム８は、陰極フレーム１１に接続するための少なくとも１つの接続要素、例えばピン１９を備える、
ここで、カソードフレーム１１は、平面状の第２の表面を有するフレーム１の第２の側面５と、カソードフレーム５’’の第１の側面５と反対側の側面と、ＰＴＬカソード１０を受け入れるための第２の開口部９とを備える、ここで、第２の開口部９は、第２の側面５から陰極フレーム５’’の第２の側面５の反対側まで延び、陰極フレーム１０によって囲まれており、陰極フレーム１１は、陽極フレーム８に接続するための少なくとも１つの接続要素、例えば、陽極フレーム８のピン１９を受けるための穴１８から構成されている、
ここで、ＢＰＰ１６はフレーム１の第１の側面４とフレーム１の第２の側面５との間に配置され、ＢＰＰ１６はＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６の一部とすることができる、
陽極フレーム８が、例えば金属からなるか金属からなるコア２１と、例えばゴムからなるコーティング、好ましくはＥＰＤＭからなるコーティングなどのシール材２２からなるコーティングとからなり、コア２１がシール材２２からなるコーティングで完全にまたは部分的に被覆されている、および、好ましくはＢＰＰ１６がＰＴＬ陽極７に接続されてＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６を形成し、ＰＴＬ陽極７またはＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６が第１の開口部６に挿入または押圧され、ＰＴＬ陽極７が陽極フレーム８によって縁取られる、
カソードフレーム１０は、例えば金属からなるか金属からなるコア２１と、例えばゴムからなるコーティング、好ましくはＥＰＤＭからなるコーティングのようなシール材２２からなるコーティングとからなり、コア２１がシール材２２からなるコーティングで完全にまたは部分的に被覆され、ＰＴＬカソード１０が第２の開口部９に挿入または押圧され、カソードフレーム１１によってフレーム化される、
ここで、陽極フレーム８および陰極フレーム１１は、陽極フレーム８および陰極フレーム１１の接続要素を介して接続され、例えば、陽極フレーム８のピン１９が陰極フレーム１１の孔１８に挿入され、陽極フレーム８および陰極フレーム１１がそれによって互いに接続される、
ここで、第１の開口部６は第２の開口部９よりも大きく、陽極フレーム８および陰極フレーム１１は、第１の側面４および第２の側面５が陽極フレーム８から陰極フレーム１１への移行部において段差１２を形成するように配置される、ここで、好ましくは、段差１２は、好ましくは第２の開口部９に隣接し、好ましくは第２の開口部９を縁取るカソードフレーム１１の部分であり、段差１２は、好ましくは、ＣＣＭ１３の支持面として平面状の第３の面を形成し、ＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６のＢＰＰ１６またはＢＰＰ１６は、一方の側でＰＴＬアノード７およびアノードフレーム８に載り、他方の側でＰＴＬカソード１０、カソードフレーム１１および段差１２に載る。予め組み立てられたモジュール２０は、好ましくは、水およびガスの供給および除去のために、本願明細書に記載された流路タイプＩ１４およびタイプＩＩ１５から構成され、これらは記載されたように配置することができる。
【0072】
本発明の課題は、本発明によるフレーム１からなる組立済みモジュール２０の製造方法である。本発明の課題は、例えば、組立済みモジュール２０の製造方法であって、以下のステップを含む方法である。
ａ）陽極フレーム８のために、好ましくは金属製のコア２１が製造され、コア２１は、平面状の第１の表面を有する第１の側面４と、陽極フレーム４’’の第１の側面４とは反対側の側面とを備え、第１の側面４および陽極フレーム４’’の第１の側面４とは反対側の側面は、第１の側面４から陽極フレーム４’’の第１の側面４とは反対側の側面まで延び、陽極フレーム８によって縁取られる第１の開口部６を構成する、そして、水およびガスの供給および除去のための１つ、２つまたはそれ以上のＩ型流路１４を備え、Ｉ型流路１４は、陽極フレーム８の第１の開口部６に接続されておらず、陽極フレーム８は、陰極フレーム１１に接続するための少なくとも１つの接続要素、例えば、ピン１９を備える。例えばピン１９、
ｂ）アノードフレーム８のためのａ）に従って製造されたコア２１の表面は、加硫によるシール材２２からなるコーティングとしてゴムからなるコーティングを製造するために、アノードフレーム８のためのａ）に従って製造されたコア２１の表面の完全または部分的、例えば少なくとも９０％が、天然ゴムまたは合成ゴムで被覆され、次いで加硫され、ゴムからなるコーティングがそれによってコア２１の表面全体または表面の一部に製造され、好ましくはＥＰＤＭからなるコーティングであり、ゴムからなるコーティングにおいて、１．タイプＩの１つ、２つまたはそれ以上のチャネル１４に接続され、タイプＩの１つまたはそれ以上のチャネル１４と第１の開口部６とを接続する、タイプＩＩの２つまたはそれ以上のチャネル１５が、第１の側面４の表面上に生成される、アノードフレーム８がＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置に設置される場合、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６のＢＰＰ側の方向に配置され、アノードフレーム４’’の第１の面４に対向する側のゴムからなるコーティングにおいて、ＩＩ型１５のチャネルは生成されない、
ｃ）ＰＴＬアノード７とＢＰＰ１６またはＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６は、ａ）とｂ）に従って製造されたアノードフレーム８に配置またはプレスされる、
ｄ）好ましくは金属製のコア２１が、カソードフレーム１１のために製造され、コア２１は、平面状の第２の面を有する第２の側面５と、カソードフレーム５’’の第２の側面５とは反対側の側面とを備え、第２の側面５およびカソードフレーム５’’の第２の側面５とは反対側の側面は、第２の側面５からカソードフレーム５’’の第２の側面５とは反対側の側面まで延び、カソードフレーム１１によって縁取られる第２の開口部９を構成する、水およびガスの供給および除去のための１つ、２つまたはそれ以上のＩ型流路１４を備え、Ｉ型流路１４は陰極フレーム１１の第２の開口部９に接続されておらず、陰極フレーム１１は陽極フレーム８に接続するための少なくとも１つの接続要素、例えば例えば穴１８、
ｅ）ｄ）に従って製造された陰極フレーム１１のためのコア２１の表面は、加硫によるシール材２２からなるコーティングとしてゴムからなるコーティングを製造するために、ｄ）に従って製造された陰極フレーム１１のためのコア２１の表面の完全または部分的、例えば少なくとも９０％が、天然ゴムまたは合成ゴムで被覆され、次いで加硫され、それにより、コア２１の表面全体または表面の一部にゴムからなるコーティング、好ましくはＥＰＤＭからなるコーティングが製造され、ゴムからなるコーティングにおいて、１．タイプＩの１つ、２つまたはそれ以上のチャネル１４に接続され、タイプＩの１つまたはそれ以上のチャネル１４と第２の開口部９とを接続する、タイプＩＩの２つまたはそれ以上のチャネル１５が、第２の側面５の表面上に生成される、カソードフレーム１１がＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置に設置される場合、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６のＢＰＰ側の方向に配置され、カソードフレーム５’’の第２の面５とは反対側のゴムからなるコーティングでは、ＩＩ型１５のチャネルは生成されない、
ｆ）ｄ）およびｅ）に従って製造されたカソードフレーム１１は、例えば、カソードフレーム１１がアノードフレーム８に差し込まれ、ＢＰＰ１６が第１の側面４と第２の側面５との間に配置され、その後、ＰＴＬカソード１０がカソードフレーム１１に挿入または押し込まれることによって、アノードフレーム８に接続される。
ａ）陽極フレーム８のために、好ましくは金属製のコア２１が製造され、コア２１は、平面状の第１の表面を有する第１の側面４と、陽極フレーム４’’の第１の側面４とは反対側の側面とを備え、第１の側面４および陽極フレーム４’’の第１の側面４とは反対側の側面は、第１の側面４から陽極フレーム４’’の第１の側面４とは反対側の側面まで延び、陽極フレーム８によって縁取られる第１の開口部６を構成する、そして、水およびガスの供給および除去のための１つ、２つまたはそれ以上のＩ型流路１４を備え、Ｉ型流路１４は、陽極フレーム８の第１の開口部６に接続されておらず、陽極フレーム８は、陰極フレーム１１に接続するための少なくとも１つの接続要素、例えば、ピン１９を備える。例えばピン１９、
ｂ）アノードフレーム８のためのａ）に従って製造されたコア２１の表面は、加硫によるシール材２２からなるコーティングとしてゴムからなるコーティングを製造するために、アノードフレーム８のためのａ）に従って製造されたコア２１の表面の完全または部分的、例えば少なくとも９０％が、天然ゴムまたは合成ゴムで被覆され、次いで加硫され、ゴムからなるコーティングがそれによってコア２１の表面全体または表面の一部に製造され、好ましくはＥＰＤＭからなるコーティングであり、ゴムからなるコーティングにおいて、１．タイプＩの１つ、２つまたはそれ以上のチャネル１４に接続され、タイプＩの１つまたはそれ以上のチャネル１４と第１の開口部６とを接続する、タイプＩＩの２つまたはそれ以上のチャネル１５が、第１の側面４の表面上に生成される、アノードフレーム８がＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置に設置される場合、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６のＢＰＰ側の方向に配置され、アノードフレーム４’’の第１の面４に対向する側のゴムからなるコーティングにおいて、ＩＩ型１５のチャネルは生成されない、
ｃ）ＰＴＬアノード７とＢＰＰ１６またはＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６は、ａ）とｂ）に従って製造されたアノードフレーム８に配置またはプレスされる、
ｄ）好ましくは金属製のコア２１が、カソードフレーム１１のために製造され、コア２１は、平面状の第２の面を有する第２の側面５と、カソードフレーム５’’の第２の側面５とは反対側の側面とを備え、第２の側面５およびカソードフレーム５’’の第２の側面５とは反対側の側面は、第２の側面５からカソードフレーム５’’の第２の側面５とは反対側の側面まで延び、カソードフレーム１１によって縁取られる第２の開口部９を構成する、水およびガスの供給および除去のための１つ、２つまたはそれ以上のＩ型流路１４を備え、Ｉ型流路１４は陰極フレーム１１の第２の開口部９に接続されておらず、陰極フレーム１１は陽極フレーム８に接続するための少なくとも１つの接続要素、例えば例えば穴１８、
ｅ）ｄ）に従って製造された陰極フレーム１１のためのコア２１の表面は、加硫によるシール材２２からなるコーティングとしてゴムからなるコーティングを製造するために、ｄ）に従って製造された陰極フレーム１１のためのコア２１の表面の完全または部分的、例えば少なくとも９０％が、天然ゴムまたは合成ゴムで被覆され、次いで加硫され、それにより、コア２１の表面全体または表面の一部にゴムからなるコーティング、好ましくはＥＰＤＭからなるコーティングが製造され、ゴムからなるコーティングにおいて、１．タイプＩの１つ、２つまたはそれ以上のチャネル１４に接続され、タイプＩの１つまたはそれ以上のチャネル１４と第２の開口部９とを接続する、タイプＩＩの２つまたはそれ以上のチャネル１５が、第２の側面５の表面上に生成される、カソードフレーム１１がＰＥＭ電解セル２またはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置に設置される場合、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６のＢＰＰ側の方向に配置され、カソードフレーム５’’の第２の面５とは反対側のゴムからなるコーティングでは、ＩＩ型１５のチャネルは生成されない、
ｆ）ｄ）およびｅ）に従って製造されたカソードフレーム１１は、例えば、カソードフレーム１１がアノードフレーム８に差し込まれ、ＢＰＰ１６が第１の側面４と第２の側面５との間に配置され、その後、ＰＴＬカソード１０がカソードフレーム１１に挿入または押し込まれることによって、アノードフレーム８に接続される。
【0073】
本発明の主題は、高圧水素を生成するために差圧下で動作するスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置の製造方法であって、本発明によるフレーム１、本発明による予め組み立てられたモジュール２０、電気化学セル２を含む。本発明の主題は、例えば、高圧水素を生成するために差圧下で動作するスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置の製造方法であって、方法ステップを含む方法である、
ａ）本発明による少なくともｘ個の予備組立済みモジュール２０と少なくともｘ＋１個のＣＣＭ１３とが交互に１つずつ上に積み重ねられ、予備組立済みモジュール３のスタックが製造され、予備組立済みモジュール３のスタックにおいて、１つの予備組立済みモジュール２０と１つのＣＣＭ１３とが交互に１つずつ上に積み重ねられ、１つのＣＣＭ１３が予備組立済みモジュール３のスタックの上側に１つ、下側に１つ配置され、１つのＣＣＭ１３が隣接する各２つの予備組立済みモジュール２０の間に配置され、そして
ｂ）次に、単一の陽極、好ましくは単一のＰＴＬ陽極７’が、予備組立モジュール３のスタックの一方の側で外側ＣＣＭ１３に平行に配置され、単一の陰極、好ましくは単一のＰＴＬ陰極１０’が、予備組立モジュール３のスタックの他方の側で外側ＣＣＭ１３に平行に配置される、
ｃ）エンドプレート３３が単一の陽極に平行に、かつ単一の陰極に平行に配置され、生成されたスタックが２つのエンドプレート３３の間で圧縮されて、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解デバイスが形成され、ｘは整数であり、≧２である。
ａ）本発明による少なくともｘ個の予備組立済みモジュール２０と少なくともｘ＋１個のＣＣＭ１３とが交互に１つずつ上に積み重ねられ、予備組立済みモジュール３のスタックが製造され、予備組立済みモジュール３のスタックにおいて、１つの予備組立済みモジュール２０と１つのＣＣＭ１３とが交互に１つずつ上に積み重ねられ、１つのＣＣＭ１３が予備組立済みモジュール３のスタックの上側に１つ、下側に１つ配置され、１つのＣＣＭ１３が隣接する各２つの予備組立済みモジュール２０の間に配置され、そして
ｂ）次に、単一の陽極、好ましくは単一のＰＴＬ陽極７’が、予備組立モジュール３のスタックの一方の側で外側ＣＣＭ１３に平行に配置され、単一の陰極、好ましくは単一のＰＴＬ陰極１０’が、予備組立モジュール３のスタックの他方の側で外側ＣＣＭ１３に平行に配置される、
ｃ）エンドプレート３３が単一の陽極に平行に、かつ単一の陰極に平行に配置され、生成されたスタックが２つのエンドプレート３３の間で圧縮されて、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解デバイスが形成され、ｘは整数であり、≧２である。
【0074】
本発明によるスタック型２３のＰＥＭ電解装置の製造方法の好ましい実施形態では、スタック型２３のＰＥＭ電解装置におけるｘ＋１個のＣＣＭ１３のうちの１個または、好ましくは各々が、８０μｍ以下の厚さ、ｘは整数であり、≧２である。特に好ましくは、スタック型２３のＰＥＭ電解装置におけるｘ＋１個のＣＣＭ１３の複数、好ましくは各々は、５０μｍ以下の厚さを有する、ｘは整数であり、≧２である。
【0075】
本発明の主題は、高圧水素を生成するための差圧下で動作するスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置であって、本発明による１つまたは複数のフレーム１を備えるＰＥＭ電解装置である。本発明の課題は、本発明による１つまたは複数の予め組み立てられたモジュール２０を含む、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置である。本発明の課題は、本発明による１つまたは複数のＰＥＭ電解セル２からなるスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置である。
【0076】
本発明の対象は、例えば、高圧水素を生成するための差圧下で動作するスタック型２３のＰＥＭ電解装置であって、本発明によるｘ個の予備組立モジュール２０と、ｘ＋１個のＣＣＭ１３と、単一の陽極と、単一の陰極と、２枚のエンドプレート３３とを備え、ｘ個の予備組立モジュール２０とｘ＋１個のＣＣＭ１３とが交互に互いの上に積み重ねられて予備組立モジュール３のスタックを形成する、ＰＥＭ電解装置である、ここで、１つの予備組立モジュール２０と１つのＣＣＭ１３が、予備組立モジュール３のスタックにおいて交互に互いの上に積み重ねられ、１つのＣＣＭ１３が予備組立モジュール３のスタックの上側と下側に配置され、１つのＣＣＭ１３が２つの隣接する予備組立モジュール２０の間に配置される、単一の陽極、好ましくは単一のＰＴＬ陽極７’が、予備組立モジュール３のスタックの一方の側で外側ＣＣＭ１３に平行に配置され、単一の陰極、好ましくは単一のＰＴＬ陰極１０’が、予備組立モジュール３のスタックの他方の側で外側ＣＣＭ１３に平行に配置される、
ここで、１つのエンドプレート３３は単一の陽極に平行に配置され、１つのエンドプレート３３は単一の陰極に平行に配置され、生成されたスタックは２つのエンドプレート３３の間で圧縮され、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解デバイスを形成し、ｘは整数であり、≧２である。
ここで、１つのエンドプレート３３は単一の陽極に平行に配置され、１つのエンドプレート３３は単一の陰極に平行に配置され、生成されたスタックは２つのエンドプレート３３の間で圧縮され、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解デバイスを形成し、ｘは整数であり、≧２である。
【0077】
本発明によるスタック型２３のＰＥＭ電解装置の好ましい実施形態では、スタック型２３のＰＥＭ電解装置におけるｘ＋１個のＣＣＭ１３の１個以上、好ましくは各ＣＣＭ１３は、８０μｍ以下の厚さ、好ましくは５０μｍ以下の厚さを有し、ｘは整数であり、≧２である。
【0078】
要求に応じて、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置内の適切な位置にさらなる構成要素を設置することができ、例えば、ＣＣＭ１３とエンドプレート３３との間に絶縁プレート３２を設置することができる。これらの位置の絶縁板３２は、例えば、ネジが使用される場合などに、エンドプレート３３が短絡するのを防止する。対応する部品は当業者に公知である。当業者は、製造方法を適宜適合させることができる。
【0079】
本発明の主題は、高圧水素を生成するための差圧下での操作のためのスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置であって、本発明によるｘ個の予備組立モジュール２０と、ｘ＋１個のＣＣＭ１３と、単一の陽極、好ましくは単一のＰＴＬ陽極７’と、単一の陰極、好ましくは単一のＰＴＬ陰極１０’と、２枚のエンドプレート３３とを備え、ｘ個の予備組立モジュール２０およびｘ＋１個のＣＣＭ１３は、予備組立モジュール３のスタックを形成するように互いの上に交互に積み重ねられる、ＰＥＭ電解装置である、ここで、組立済みモジュール３のスタックにおいて、各場合に、１つの組立済みモジュール２０と１つのＣＣＭ１３とが交互に１つずつ他方の上に積み重ねられ、各場合に、１つのＣＣＭ１３が組立済みモジュール３のスタックの上側と下側とに配置され、各場合に、１つのＣＣＭ１３が２つの隣接する組立済みモジュール２０の間に配置される、単一の陽極が、組立済みモジュール３のスタックの一方の側で外側ＣＣＭ１３と平行に配置され、単一の陰極が、組立済みモジュール３のスタックの他方の側で外側ＣＣＭ１３と平行に配置される、
ここで、エンドプレート３３は、それぞれ、単一の陽極に平行に、かつ単一の陰極に平行に配置され、生成されたスタックは、２つのエンドプレート３３の間で圧縮され、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解デバイスを形成し、ｘは整数であり、≧２である。
ここで、エンドプレート３３は、それぞれ、単一の陽極に平行に、かつ単一の陰極に平行に配置され、生成されたスタックは、２つのエンドプレート３３の間で圧縮され、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解デバイスを形成し、ｘは整数であり、≧２である。
【0080】
ハーフセルアノードは、電気化学セル２のカソード側ではなく、電気化学セル２のアノード側のみで構成される。好ましい実施形態において、ハーフセルアノードは、単一のアノード７’とアノードフレーム８とから構成される。好ましい実施形態では、ハーフセルアノードは、単一のアノード７’とアノードフレーム８とから構成される。ハーフセルアノードは、組立済みモジュール２０または組立済みモジュール３のスタック内の電気化学セル２を完成させる。
【0081】
ハーフセルカソードは、電気化学セル２のカソード側のみを構成し、電気化学セル２のアノード側を構成しない。好ましい実施形態において、ハーフセルカソードは、単一のカソード１０’とカソードフレーム１１とから構成される。好ましい実施形態では、ハーフセルカソードは、単一のカソード１０’とカソードフレーム８から構成される。ハーフセルカソードは、組立済みモジュール２０または組立済みモジュール３のスタック内の電気化学セル２を完成させる。
【0082】
好ましい実施形態では、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置は、本発明による少なくとも２個または３個または５個以上、例えば１０個、５０個、１００個、５００個、１０００個またはそれ以上の予備組立モジュール２０から構成される。好ましくは、本発明によるスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置は、本発明によるｘ個の予備組立モジュール２０（ｘは整数であり、≧２である）に加えて、カソードフレーム１１、ＣＣＭ１３、アノードフレーム８および２枚のエンドプレート３３を備える。好ましくは、本発明によるスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置において、最初のＰＥＭ電解セル２と最後のＰＥＭ電解セル２とは、その間に位置するものとは異なる。例えば、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置を製造するために、カソードフレーム１１上にＣＣＭ１３が配置され、ｘ個の予め組み立てられたモジュール２０とｘ個のＣＣＭ１３とが交互にＣＣＭ１３上に積層され、その上にアノードフレーム８が積層される。スタックはエンドプレート３３の間で圧縮され、スタック型２３のＰＥＭ電解装置を形成し、ｘは整数であり、≧２である。
【0083】
スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置において、好ましくは、２つのエンドプレート３３の一方は、例えばスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置において上部に配置される上部エンドプレート３８である。スタック型２３のＰＥＭ電解装置において、好ましくは、２つの端部プレート３３のうちの一方は、例えばスタック型２３のＰＥＭ電解装置において下部に配置される下部端部プレート４４である。
【0084】
スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置は、電解モードのフローリアクターとして運転される。スタック型２３のＰＥＭ電解装置に水が連続的に供給され、スタック型２３のＰＥＭ電解セルから水が排出される。水は、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置の水導入用接続口（＝水接続口投入口）３９から流路タイプＩ１４に分配されなければならない。同時に、Ｉ型水路１４から、水を排出するための水接続口（＝水接続口）４０に水を送らなければならない。これは、例えば、エンドプレート３３が厚くなりすぎ、エンドプレート３３が厚くなりすぎるとスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置が重くなりすぎるため、エンドプレート３３に利用できない可能性のあるスペースを必要とする。
【0085】
発明が解決しようとする課題
本発明は、スタック型２３のＰＥＭ電解装置用の蓋３７である。本発明による蓋３７は、エンドプレート３３全体を不必要に厚くすることなく、水のためにできるだけ多くの空間を形成する構造を有する。
本発明は、スタック型２３のＰＥＭ電解装置用の蓋３７である。本発明による蓋３７は、エンドプレート３３全体を不必要に厚くすることなく、水のためにできるだけ多くの空間を形成する構造を有する。
【0086】
本発明の主題は、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置のための蓋３７であって、エンドプレート３３、例えば上部エンドプレート３８が、水の導入のための少なくとも１つの水接続部３９と、水の排出のための少なくとも１つの水接続部４０と、少なくとも２つの分配器カバー４１とを備え、水のための空間を形成するための上部エンドプレート３８が、エンドプレート４２に少なくとも２つの水の分配のための空間を有し、少なくとも２つの分配器カバー４１のそれぞれが、分配器カバー４３に水の分配のための空間を有する、蓋３７である、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置への水の導入のための少なくとも１つの分配器カバー４３が、水の導入のための少なくとも１つの水接続部３９およびエンドプレート４２内の水の分配のための空間に接続され、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置からの水の排出のための少なくとも１つのさらなる分配器カバー４３が、水の排出のための少なくとも１つの水接続部４０およびエンドプレート４２内の水の分配のための空間に接続される。
【0087】
本発明の主題は、本発明による蓋３７からなる、本発明によるスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置である。本発明の主題は、本発明による蓋３７からなる、本発明によるスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置である。
【0088】
電気化学セル２の個々のフレーム１およびスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置の個々のフレーム１を、特に高圧または高い差圧で完全にシールするためには、エンドプレート３３または上部エンドプレート３８および下部エンドプレート４４を、十分なボルト力または接触圧で支承しなければならない。その後、シール材２２からなるコーティングがシールとして機能し、個々のフレーム１、陽極フレーム８および陰極フレーム１１を完全にシールする。大きなフレーム表面を持つフレーム１を使用する場合、エンドプレート３３を完全にシールするようにクランプするのに必要な接触圧力はさらに高くなる。大きなフレーム面積を有するフレーム１の場合、陽極フレームのコア２１および陰極フレームのコア２１がシール材２２からなるコーティングで完全に被覆されている場合、接触圧は特に高く、すなわち陽極フレーム８の第１の面４上のシール材２２からなるコーティングの面積が大きく、かつ大きな第１の開口部６を有し、すなわち第１の開口部２７の第１の面が長く、場合によっては第１の開口部２８の第２の面が長い。大きなフレーム面積とは、例えば、１６００ｃｍ２またはそれ以上を意味する。好ましい実施形態では、陽極フレーム８のフレーム表面全体がシールのために必要なわけではない。特定の実施形態では、正極フレーム１１のフレーム表面全体がシールのために必要ではない。接触圧力を低減するために、シール材２２からなるコーティングの厚さは、コア２１の表面のうちシールに必要でない領域において低減することができる。対応する陽極フレーム８または陰極フレーム１１は、シール材２２からなるコーティングが層厚を有するコア２１上の領域と、シール材２２’’からなるコーティングがシール材２２からなるコーティングの層厚と比較して低減された層厚を有するコア２１上の領域（図１０ｂ、図１４）とから構成される。コア２１の表面の、シールに必要とされない領域におけるシール材２２’’からなるコーティングの層厚は、コア２１の表面の、活性領域（活性領域＝第１および第２の開口部６＋９）およびチャネルタイプＩおよびタイプＩＩ１４＋１５のシールに必要とされる領域におけるシール材２２からなるコーティングの層厚よりも０．０５ｍｍ以上、例えば０．１ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ以上小さい。接触圧力を低減するために、シール材２２からなるコーティングの厚さは、正極フレーム１１または負極フレーム８用のコア２１の表面の領域のうち、シールに必要でない領域、例えば、以下の領域で低減することができる。例えば、コア２１の表面のうち、活性領域（第１および第２の開口部６＋９）およびチャネルタイプＩおよびタイプＩＩ１４＋１５のシールに必要でない領域において、シール材２２’’からなるコーティングの層厚を０．０５ｍｍ以上、例えば０．１ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ以上減少させる。
【0089】
陽極枠８および／または陰極枠１１の芯金２１の表面のうち、シール材２２からなる皮膜の層厚が減少していない領域は、スタック型電解装置２３をクランプした際に主に圧力を受ける（図１、１０～１５ＭＰａ）。コア２１の表面上のシール材２２からなるコーティングが低減されていない層厚を有するシール領域は、例えば、第１の内側開口部６または第２の内側開口部９の周囲、およびチャネルタイプＩ１４およびチャネルタイプＩＩ１５の周囲（図１０ｂ、図１４）において、０．２ｍｍ以上、例えば０．５ｍｍまたは１ｍｍ以上、好ましくは１．５ｍｍまたは２ｍｍ以上の距離で配置されるコア２１の表面の領域のように定義することができる。距離は様々である。第１の開口部６、第２の開口部９、Ｉ型流路１４の配置、ＩＩ型流路１５までの距離は、シール材２２からなるコーティングが非減少層厚を有する場合、同じでも異なっていてもよい。特定の実施形態では、シーリング材からなるコーティング２２は、シーリング材からなるコーティング２２’’が低減された層厚を有するアノードフレーム８またはカソードフレーム１１のコア２１の表面の領域または表面の領域の一部において、ゼロの層厚を有することができる、すなわち、特定の実施形態では、表面のこの領域において、コア２１はシーリング材からなるコーティング２２’’で被覆されない。陽極フレーム８または陰極フレーム１１のコア２１の表面の特定の領域において、シール材２２’’からなるコーティングの層厚を減少させることにより、コア２１の表面を同じ層厚で完全に被覆するシール材２２からなるコーティングと比較して、圧縮されなければならない領域を例えば５０％減少させることができる。これにより、スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置のフレーム１を押圧するのに必要な接触圧力も最大５０％低減される。
【0090】
本発明の有利な実施形態のさらなる利点は、製造コストである。チャネルタイプＩＩ１５は、各陽極フレーム８および各陰極フレーム１１から削り出されるのではなく、一旦工具に移される。ある工具は陽極フレーム８のネガであり、別の工具は陰極フレーム１１のネガである。ＩＩ型チャネル１５は、工具に移され、スタンプのように、シール材２２、好ましくはゴム、例えばＥＰＤＭからなるコーティングに仮想的に挿入される。工具の助けを借りて、金属コア２１は、加硫により、シール材、好ましくはゴム、例えばＥＰＤＭで被覆され、チャネルタイプＩＩ１５は、本発明に従って、陽極フレーム８および／または陰極フレーム１１の所望の領域に同時に製造される。陽極枠８および／または陰極枠１１の加硫により製造された成形部品またはゴム成形部品は、直接使用することができ、低コストで大量に製造することができる。別の方法として、例えば射出成形や３Ｄ印刷が知られている。
【0091】
スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置は、好ましくは、ＣＣＭ１３に電圧ピークが生じないように、すべての構成要素が滑らかで均質な表面を有するように設計される。ガス圧下でＣＣＭ１３がＰＴＬアノード７および／またはＰＴＬカソード１０の細孔２４に這入らないようにするために、例えば、細孔直径＜０．１ｍｍのＰＴＬアノード７および／またはＰＴＬカソード１０が使用される。例えば、いわゆる「マイクロポーラス層」、すなわち特に均質な表面を有するＰＴＬを、ＰＴＬアノード７および／またはＰＴＬカソード１０として使用することができる。
【0092】
好ましくは、本発明によるスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置は、摂氏１０度から９５度の温度範囲、好ましくは摂氏４０度から８０度の温度範囲、特に好ましくは摂氏６８度から７２度の温度範囲の水の電気分解のために使用される。本発明によるスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置はまた、スタックの一方の側から他方の側への温度差が、好ましくは最大０～１０℃、好ましくは最大３～７℃、特に好ましくは最大４℃であるという利点を有する。
【0093】
陽極フレーム８および陰極フレーム１１は、封止および陽極フレーム８または封止および陰極フレーム１１がそれぞれ１つの部品で構成されているため、容易に接合して組立済みモジュール２０を形成することができる。好ましくは、ＰＴＬ陽極７に接続されたＢＰＰ１６、すなわちＢＰＰ／陽極３６が、組立済みモジュール２０を製造するために使用される。例えば、ＢＰＰ１６とＰＴＬアノード７が溶接され、ＢＰＰ１６とＰＴＬアノード７が１つの部品ＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６として存在する。組立済みモジュール２０を製造するには、まず陽極フレーム８をＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６の陽極７またはＰＴＬ陽極７に挿入または押し付けます。例えば、陽極フレーム８は、陰極フレーム１１への接続手段としての第１のピン１９に加えて、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６への接続手段としての第２のピン１９も有することができ、ＢＰＰ１６に挿入することができる。この目的のために、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６のＢＰＰ１６は、陽極フレーム８に接続するための対応する手段、好ましくは穴１８を備えている。挿入または圧入されたＰＴＬ陽極７およびＢＰＰ１６またはＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６を有する陽極フレーム８は、次に裏返され、陰極フレーム１１も、陽極フレームへの接続手段、好ましくは孔１８を有する陽極フレーム８の反対側に挿入され、それによって陽極フレーム８に接続され得る。その後、ＰＴＬカソード１０をカソードフレーム１１に挿入または圧入する（図６）。組立済みモジュール２０が得られる。組立済みモジュール２０は、組立済みモジュール３のスタックまたはスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置を製造するために、例えばセンタリングピンを介してＣＣＭ１３と交互に積み重ねることができる。
【0094】
参考標識
フレーム １
ＰＥＭ電解セル ２
組み立て済みモジュールのスタック２０ ３
フレーム１の第１面 ４
陽極枠８の第一面４と反対側の面 ４’’
フレーム１の第２面 ５
カソードフレーム１１の第２面５とは反対側の面 ５’’
最初のオープニング ６
多孔質輸送層（ＰＴＬ）陽極 ７
シングルＰＴＬアノード ７’
陽極フレーム ８
セカンド・オープニング ９
多孔質輸送層（ＰＴＬ）カソード １０
シングルＰＴＬカソード １０’
カソードフレーム １１
ステップ １２
触媒コーティング膜（ＣＣＭ） １３
チャネル・タイプＩ １４
チャネル・タイプＩＩ １５
バイポーラプレート（ＢＰＰ） １６
ギャップ １７
穴 １８
ピン １９
組み立て済みモジュール ２０
コア ２１
シール材によるコーティング ２２
シール材２２のコーティングの層厚を薄くした。 ２２’’
スタック型ＰＥＭ電解装置 ２３
クロール ２４
ラバーリップ ２５
２つの水路の間の標高タイプＩＩ１５ ２６
活動領域周辺の密閉効果を高める円周方向の隆起２６ ２６’’
陽極枠８の第１開口部６の第１側面 ２７
カソードフレーム１１の第２開口部９の第１側面 ２７’
陽極枠８の第一開口部６の第二側面 ２８
カソードフレーム１１の第２開口部９の第２側面 ２８’
陽極枠８の第一開口部６の第三側面 ２９
カソードフレーム１１の第２開口部９の第３側面 ２９’
陽極枠８の第１開口部６の第４側面 ３０
正極枠１１の第２開口部９の第４側面 ３０’
チャネル・エッジ・タイプＩ１４ ３１
断熱パネル ３２
エンドプレート ３３
タイロッド ３４
集電板 ３５
ＢＰＰ１６とＰＴＬアノード７が接続されている（＝ＢＰＰ／ＰＴＬアノード） ３６
スタック型ＰＥＭ電解装置用蓋２３ ３７
アッパーエンドプレート ３８
水導入のための水接続（＝水接続入力） ３９
放水用水接続口（＝水接続口） ４０
ディストリビューターカバー ４１
上部エンドプレート３８の配水用スペース ４２
ディストリビューターカバー内の配水スペース ４３
下部エンドプレート ４４
フレーム １
ＰＥＭ電解セル ２
組み立て済みモジュールのスタック２０ ３
フレーム１の第１面 ４
陽極枠８の第一面４と反対側の面 ４’’
フレーム１の第２面 ５
カソードフレーム１１の第２面５とは反対側の面 ５’’
最初のオープニング ６
多孔質輸送層（ＰＴＬ）陽極 ７
シングルＰＴＬアノード ７’
陽極フレーム ８
セカンド・オープニング ９
多孔質輸送層（ＰＴＬ）カソード １０
シングルＰＴＬカソード １０’
カソードフレーム １１
ステップ １２
触媒コーティング膜（ＣＣＭ） １３
チャネル・タイプＩ １４
チャネル・タイプＩＩ １５
バイポーラプレート（ＢＰＰ） １６
ギャップ １７
穴 １８
ピン １９
組み立て済みモジュール ２０
コア ２１
シール材によるコーティング ２２
シール材２２のコーティングの層厚を薄くした。 ２２’’
スタック型ＰＥＭ電解装置 ２３
クロール ２４
ラバーリップ ２５
２つの水路の間の標高タイプＩＩ１５ ２６
活動領域周辺の密閉効果を高める円周方向の隆起２６ ２６’’
陽極枠８の第１開口部６の第１側面 ２７
カソードフレーム１１の第２開口部９の第１側面 ２７’
陽極枠８の第一開口部６の第二側面 ２８
カソードフレーム１１の第２開口部９の第２側面 ２８’
陽極枠８の第一開口部６の第三側面 ２９
カソードフレーム１１の第２開口部９の第３側面 ２９’
陽極枠８の第１開口部６の第４側面 ３０
正極枠１１の第２開口部９の第４側面 ３０’
チャネル・エッジ・タイプＩ１４ ３１
断熱パネル ３２
エンドプレート ３３
タイロッド ３４
集電板 ３５
ＢＰＰ１６とＰＴＬアノード７が接続されている（＝ＢＰＰ／ＰＴＬアノード） ３６
スタック型ＰＥＭ電解装置用蓋２３ ３７
アッパーエンドプレート ３８
水導入のための水接続（＝水接続入力） ３９
放水用水接続口（＝水接続口） ４０
ディストリビューターカバー ４１
上部エンドプレート３８の配水用スペース ４２
ディストリビューターカバー内の配水スペース ４３
下部エンドプレート ４４
【図面の簡単な説明】
【0095】
【図1】フレーム１、触媒コーティング膜（ＣＣＭ）１３、バイポーラプレート（ＢＰＰ）１６、ＰＴＬアノード７、フレーム１とＰＴＬアノード７およびフレーム１とＰＴＬカソード１０の間にギャップ１７を有するＰＴＬカソード１０を備えた、最新技術によるＰＥＭ電解セルの古典的構造。フレーム１には、水とガスを供給および除去するためのＩ型チャネル１４が設けられている。
【図2】フレーム１が変形し、フレーム１とＰＴＬ陽極７およびフレーム１とＰＴＬ陰極１０との間に大きな隙間１７が形成され、フレーム１とＰＴＬ陽極７およびフレーム１とＰＴＬ陰極１０との間の拡大された隙間１７にＣＣＭ１３のクロール２４が入った図１によるフレーム１。
【図3a】本発明によるフレーム１の一部を示し、このフレーム１は、シール材２２からなるコーティングで被覆されたコア２１からなり、シール材２２からなるコーティングにチャネルタイプＩＩ１５が形成されている。
【図3b】本発明によるフレーム１の一部を示す。フレーム１は、シール材２２でできたコーティングでコーティングされたコア２１と、シール材２２でできたコーティング内のチャネルタイプＩＩの一部１５からなる。
【図4】ここに示す本発明による陰極フレーム１１は、陰極フレーム１１の第１の側面２７’、第２の側面２８’、第３の側面２９’および第４の側面３０’によって縁取られる第２の開口部９を有する。カソードフレーム１１は、アノードフレーム８と接続するための接続要素としての２つの穴１８と、２０のチャネルタイプＩ１４とから構成される。カソードフレーム１１は、第２の側面５上に、第２の開口部９を１０個のチャネルタイプＩ１４に接続する複数のチャネルタイプＩＩ１５を有し、各チャネルタイプＩ１４は、複数のチャネルタイプＩＩ１５によって第２の開口部９に接続される。陰極フレーム５’’の第二の側面５とは反対側の側面には、Ｉ型チャネル１４と第二の開口部９とを接続するＩＩ型チャネル１５は存在しない。
【図5】ここに示す本発明による陽極フレーム８は、陽極フレーム８の第１の側面２７、第２の側面２８、第３の側面２９および第４の側面３０によって縁取られた第１の開口部６を有する。陽極フレーム８は、陰極フレーム１１に接続するための接続要素としての２つのピン１９と、この具体例では、さらに、Ｉ型１４の２０の流路とからなり、陽極フレーム８と陰極フレーム１１とが接続されたときに、水およびガスの供給および除去のために陰極フレーム１１のＩ型１４の２０の流路と相互作用できるように配置されている。陽極枠８は、第一面４にＩＩ型チャネル１５を有し、第一開口部６をＩ型チャネル１４の１０本のチャネルと接続している。陽極フレーム４’’の第１の側面４と反対側の側面には、Ｉ型チャネル１４と第１の開口部６とを接続するＩＩ型チャネル１５はない。陽極フレーム８は、シール材２２、好ましくはゴムからなるコーティングで構成されている。この陽極フレーム８は、シール材製のリップ、好ましくはゴム製のリップ２５を備えている。
【図6】工程ステップを有する組立済みモジュール２０の製造方法を概略的に示すａ）初期位置：ｂ）第１ステップ：陽極フレーム８のピン１９をＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６の穴１９に挿入する。ｃ）第２ステップ：ｂ）からの配置を裏返すと、ＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６のＢＰＰ１６側が見える。ｄ）第３ステップ：陰極フレーム１１を配置に挿入する。ｅ）第４ステップ：ＰＴＬ陰極１０を第２の開口部９に挿入する。
【図7】組立済みモジュール２０の分解斜視図。組立済みモジュール２０を構成する部品を見ることができる：カソードフレーム１１、アノードフレーム８、ＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６、ＰＴＬカソード１０、組立済みモジュール２０におけるカソードフレーム１１、アノードフレーム８、ＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６、ＰＴＬカソード１０の配置を示す。個々の部品が好ましくは組み立てられる順序も示されている。カソードフレーム１１のタイプＩＩチャネル１５は、カソードフレーム１１の見える側とは反対側に配置されている。これはフレーム５の第２面である。この視点からは見えない。フレーム５の第２面におけるそれらの配置は、陰極フレーム５’’の第２面とは反対側の面に薄い灰色で示されている。
【図7a】組立済みモジュール２０を平面図で示す。組立済みモジュール２０に属する４つの部品がすべて見える：カソードフレーム１１、アノードフレーム８、ＢＰＰ／ＰＴＬアノード（３６）、ＰＴＬカソード１０。ＩＩ型チャネル１５はすべてＢＰＰ／ＰＴＬアノード３６の方向に配置されており、したがって組立済みモジュール２０の内部に配置されているため、組立済みモジュール２０では見えない。モジュール２０内部のチャネルタイプＩＩ１５の配置は、カソードフレーム１１の見える側（＝カソードフレームの第２の側＝５’’と反対側のフレームの側）に薄い灰色で示されている。
【図7b】組立済みモジュール２０の側面図。陽極フレーム８と陰極フレーム１１が接続されている。ＰＴＬ陽極７は陽極フレーム８に挿入され、ＰＴＬ陰極１０は陰極フレーム１１に挿入される。ＢＰＰ１６は陽極フレーム８と陰極フレーム１１の間に配置されている。陽極フレーム８と陰極フレーム１１は、第１の開口部６が第２の開口部９よりも大きいため、段差１２を形成する。ＢＰＰ１６は、ＰＴＬ陰極１０、段差１２および陰極フレーム１１上に配置され、その反対側をＰＴＬ陽極７および陽極フレーム８上に載せる。
【図8】本発明によるスタックタイプのＰＥＭ電解装置、すなわち組立済みモジュール３のスタックの概略構造の断面を示す。この配置は、３つのＰＥＭ電解セル２を備えたスタックを示している。矢印は、４０バールの差圧下で行われる高圧水素電解中のガス圧の方向を示す。
【図8a】段差１２を有するＰＥＭ電解槽２の一部の拡大断面図。矢印は、差圧でＣＣＭ１３に増大した圧力が作用する方向を示す。
【図9a】陰極フレーム１１の例示的な寸法。チャネルタイプＩＩ１５は、第２の開口部９をチャネルタイプＩ１４と接続し、これらは第２の開口部２８’の第２の側面に沿って、および第２の開口部３０’の第４の側面に沿って配置される。それぞれの場合において、複数のＩＩ型チャネル１５が第２開口部９とＩ型チャネル１４とを接続している。個々のＩＩ型流路１５は、高台２６によって互いに分離されている。
【図9b】図９ａに示したカソードフレーム１１に一致するアノードフレーム８の例示的な寸法。チャネルタイプＩＩ１５は、第１の開口部６をチャネルタイプＩ１４と接続しており、これらのチャネルタイプＩ１４は、第１の開口部２７の第１の側面に沿って、および第１の開口部２９の第３の側面に沿って配置されている。それぞれの場合において、幾つかのＩＩ型チャネル１５が第一開口部６とＩ型チャネル１４とを接続している。個々のＩＩ型流路１５は、高台２６によって互いに分離されている。
【図10a】陽極フレーム８の実施形態を示す。陽極フレーム８は、Ｉ型チャネル１４とＩＩ型チャネル１５とからなり、ＩＩ型チャネル１４はフレーム４の第１面に扇形に配置されている。この実施形態では、陽極フレーム８は四角形であり、四角形の第１の開口部６と２０個のチャネルタイプＩ１４とから構成され、チャネルタイプＩ１４のうちの５個が陽極フレームの４つの側面のそれぞれに配置されている、すなわち、第１の開口部２７の第１の側面は５個のチャネルタイプＩ１４から構成され、第１の開口部２８の第２の側面は５個のチャネルタイプＩ１４から構成され、第１の開口部２９の第３の側面は５個のチャネルタイプＩ１４から構成され、第１の開口部３０の第４の側面は５個のチャネルタイプＩ１４から構成されている。陽極フレーム８の対向する２つの側面において、５つのチャネルタイプＩＩ１４はそれぞれ８つのチャネルタイプＩＩ１５に接続されている。各流路ＩＩ型１５は、流路Ｉ型１４及び第一開口部６に接続されている。ＩＩ型チャネル１５は、フレーム４の第１側面に扇形に配置され、第１開口部２７の第１側面と第１開口部２９の第３側面に沿って等間隔に配置されている。
【図10b】陽極フレーム８を示す。陽極フレーム８は、チャネルタイプＩ１４からなり、チャネルタイプＩ１４の一部は円形形状を有し、チャネルタイプＩ１４の一部は楕円形状を有する。陽極フレーム８は、陽極フレーム８のコア２１（コアは図示せず）上に配置されたシール材からなるコーティング２２を備える。シール材２２からなる被膜は層厚を有し、この層厚は縁取り領域として示されている。縁取りされた領域を囲む線は、活性領域２６’’の周囲の密封効果を高めるための周方向高さ２６である。チャネルタイプＩ１４およびチャネルタイプＩＩ１５と第１の開口部６とを囲む負極フレーム８の領域は、層厚のシール材２２からなるコーティングで被覆されている。陽極枠８のこの領域における芯材２１上のシール材からなる被覆２２の厚さは１．２ｍｍである。陽極フレーム６のコア２１の残りの部分（境界線の外側に示され、２２’と表示されている）は、シール材２２からなるコーティングの層厚に比べて、シール材２２からなるコーティングの層厚が減少した２２’’を有する。陽極フレーム８のこの領域におけるコア２１上のシール材２２’’からなるコーティングの減少した層厚は０．３ｍｍである。
【図10c】陽極フレーム８を斜視側面図で示す。これは、陽極フレーム８のこの領域で定義された層厚を有するシール材２２でできたコーティングの窪みとして設計されたチャネルタイプＩＩ１５を示す。ＩＩ型１５の個々の隣接するチャネルは、高台（＝定義された層厚を有する封止材２２からなるコーティングを有する領域）によって分離されている。
【図10e】陰極フレーム１１を示す。カソードフレーム１１はＩ型チャネル１４からなり、Ｉ型チャネル１４の一部は丸い形状を有し、Ｉ型チャネル１４の一部は楕円形の形状を有する。楕円形のＩ型チャネル１４は、ＩＩ型チャネル１５を介して第２の開口部９に接続されている。カソードフレーム１１は、単一電圧測定を隔離するためのゴムリップ２５から構成される。陽極フレーム８も同様の配置を有することができる。
【図11】カソードフレーム１１とアノードフレーム８からなる組立済みモジュール２０（ＰＴＬカソード１０なし、ＣＣＭ１３なしで示す）の一実施形態を示す。段差１２は、第１の開口部６と第２の開口部９の大きさが異なることによって形成されている。段差１２の一部にはＩＩ型チャネル１５が配置されているが、正極フレーム１１に覆われているため、部分的にしか見えない。
【図12】ＰＥＭ電解セル２のスタック、絶縁プレート３２、エンドプレート３３、タイロッド３４および集電プレート３５を備えた、本発明によるスタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置を示す。
【図13】ＰＴＬ陽極７の好ましい実施形態を示しており、ＢＰＰ１６が陽極７に接続されてＢＰＰ／ＰＴＬ陽極３６を形成している。
【図14】図１０ｂに示すようなアノードフレーム８を有する本発明によるＰＥＭ電解セル２内の圧力分布を示す。このセルは、２枚のエンドプレート３３の間に規定のトルクで締め付けられた。アノードフレーム８と適合するカソードフレーム１１の間には、ＣＣＭ１３の代わりに、異なる圧力で異なるトリガーを発する感圧箔が配置された。感圧フォイルを評価することにより、陽極フレーム８のどの領域でどの圧力が優勢であるかが決定された。１０～１５ＭＰａの最も高い圧力は、コア２１がシール材２２からなるコーティングで被覆されている陽極フレーム８の領域、すなわち、例えば、第１の開口部２７の第１の側に沿って、および第１の開口部２９の第２の側に沿って、およびチャネルタイプＩ１４の周囲の領域にある。陽極フレーム８のこの領域は、シール材２２’’からなるコーティングの層厚が減少した領域よりも０．２ｍｍ厚い層厚を有する。第１の開口部６をチャネルタイプＩ１４に接続するチャネルタイプＩＩ１５および高台２６が配置される領域は、ここから除外される。この領域では、圧力はわずか１～２ＭＰａである。陽極枠８の外縁部において、コア２１がシール材２２からなる被覆に比べて減少した層厚（＝シール材２２’’からなる被覆の減少した層厚）で被覆されている領域では、圧力はさらに低く、０．１～０．５ＭＰａである。
【図15a】スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置用の本発明による蓋３７を示す。蓋３７はエンドプレート３３、例えば上部エンドプレート３８で構成され、このエンドプレート３３は２つの分配器カバー４１に接続され、１つの分配器カバー４１、入力３９用の水接続部を構成し、もう１つの分配器カバー４１は排出口４０用の水接続部を構成する。
【図15b】スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置の蓋３７を、エンドプレート４２内の配水空間およびエンドプレート４２内の配水空間に接続されたＩ型流路１４がエンドプレート３３内に見えるように、分配器カバー４１を取り外した状態で示している。
【図15c】スタックタイプ２３のＰＥＭ電解装置用の、本発明による蓋３７用の分配器カバー４１を示し、分配器カバー４３内の水分配用の空間が見える。
【図15d】本発明による蓋３７内で水がどのように分配されるかをシミュレーションした図である。この図には、蓋３７の異なる箇所と、Ｉ型流路１４への移行部における異なる流速も示されている。
【図16】Ｉ型チャネル１４とＩＩ型チャネル１５、およびシール材２２でコーティングされた領域と層厚を薄くしたシール材２２’’でコーティングされた領域を配置した陽極フレーム７を示す。ＩＩ型チャネル１５は、Ｉ型チャネル１４の一部と第１開口部６とを接続しています。これらの流路は、第一開口部２７の第一側面に沿って、および第一開口部２９の第三側面に沿って、一定の間隔で配置されており、各流路ＩＩ型１５が第一開口部６または活性領域の同じ領域に水を導入するか、または水およびガスを排出するようになっている。
【図17】Ｉ型チャネル１４とＩＩ型チャネル１５、およびシール材２２でできたコーティングが施された領域と層厚を薄くしたシール材２２’’でできたコーティングが施された領域を配置したカソードフレーム１１を示す。ＩＩ型チャネル１５は、Ｉ型チャネル１４の一部と第２開口部９とを接続しています。これらは、第２の開口部２８’の第２の側面に沿って、および第２の開口部３０’の第４の側面に沿って、一定の間隔で配置されており、各流路ＩＩ型１５が、第１の開口部６または活性領域の同じ領域に水を導入するか、または水およびガスを排出するようになっている。
【図1】
【図2】
【図3a】
【図3b】
【図4】
【図5】
【図6a)】
【図6b)】
【図6c)】
【図6d)】
【図6e)】
【図7】
【図7a】
【図7b-7c】
【図8】
【図8a】
【図9a】
【図9b】
【図10a】
【図10b】
【図10c】
【図10d】
【図10e】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15a】
【図15b】
【図15c】
【図15d】
【図16】
【図16a】
【図16b】
【図16c】
【図17】
【図17a】
【図17b】
【図17c】
【国際調査報告】