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(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】2024-10-08
(54)【発明の名称】電気化学セルおよびスタック型デバイス用フレーム
(51)【国際特許分類】
C25B 13/02 20060101AFI20241001BHJP
C25B 9/05 20210101ALI20241001BHJP
C25B 9/19 20210101ALI20241001BHJP
C25B 9/73 20210101ALI20241001BHJP
H01M 8/0273 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/0276 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/0284 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/028 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/2465 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/0258 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/1004 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/248 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/2432 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/2484 20160101ALI20241001BHJP
【ＦＩ】
C25B13/02 302
C25B9/05
C25B9/19
C25B9/73
H01M8/0273
H01M8/0276
H01M8/0284
H01M8/028
H01M8/2465
H01M8/0258
H01M8/1004
H01M8/248
H01M8/2432
H01M8/2484
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024522291
(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】 EP2022078416
(87)【国際公開番号】W WO2023062088
(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】22162709.4
(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】22170349.9
(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
5H126
【Ｆターム（参考）】
4K021DB04
4K021DB49
5H126AA02
5H126AA13
5H126AA22
5H126AA25
5H126AA26
5H126BB06
5H126EE11
5H126EE13
5H126GG02
5H126GG18
5H126HH02
5H126JJ02
5H126JJ03
5H126JJ09
(57)【要約】
本発明は、電気化学セルおよびスタック型デバイス用の新規なフレームに関する。本発明の目的は、本発明によるフレーム、電気化学セル、予備組立アセンブリおよびスタック型デバイス、ならびに本発明によるフレームを含む予備組立アセンブリ、電気化学セルおよびスタック型デバイスの製造方法である。本発明によるフレーム、電気化学セルおよびスタック型装置は、加圧下での気体および液体の変換または生成に適している。本発明は、新しいフレームとシールの概念に基づいている。本発明はまた、スタック型装置のカバーに関する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スタック型デバイス（２３）用の電気化学セル（２）用のフレーム（１）であって、フレーム（１）は、平面状の第１の表面を有するフレームの第１の側（４）と、平面状の第２の表面を有する第１の側（４）に対向するフレーム（５）の第２の側と、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、フレームの第１の側（４）と、陽極フレーム（４’’）のフレームの第１の側（４）とは反対側の側と、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、フレームの第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、フレーム（５）の第２の側と、陰極フレーム（５’’）のフレームの第２の側（５）の反対側の側と、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、フレームの第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’’）のフレームの第１の側（４）に対向する側と、陰極フレーム（５’’）のフレームの第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’’）のフレームの第１の側（４）とは反対側の側と、陰極フレーム（５’’）のフレームの第２の側（５）とは反対側の側とが、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、段差（１２）が、固体電解質、例えば膜（１３）の支持面としての平面状の第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】
液体および気体を出し入れするための１つまたは複数のチャネルタイプＩ（１４）と、液体および気体を出し入れするための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）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、チャネルタイプＩＩ（１５）がチャネルタイプＩ（１４）と第１の開口部（６）および第２の開口部（９）とを接続しており、
陽極フレーム（８）は、フレーム（４）の第１の側の表面に、１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ（１５）を備え、これらのチャネルタイプ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、１つまたは複数のチャネルタイプＩ（１４）と第１の開口部（６）とを接続しており、
フレーム（１）が電気化学セル（２）またはスタック型装置（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’’）のフレーム（４）の第１の側とは反対側の面は、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】
液体および気体を出し入れするための１つまたは複数のチャネルタイプＩ（１４）と、液体および気体を出し入れするための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）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、チャネルタイプＩＩ（１５）がチャネルタイプＩ（１４）と第２の開口部（９）および第１の開口部（６）とを接続しており、
陰極フレーム（１１）は、フレーム（５）の第２の側の表面に、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）を第２の開口部（９）に接続する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）が電気化学セル（２）またはスタック型装置（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’’）のフレーム（５）の第２の側とは反対側の面は、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）を通る液体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（４）の第１の側で互いに隣接して配置され、第１の開口部の第１の側（２７）で隣接する２つのチャネルタイプＩＩ（１５）間の距離は≦３ｍｍであり、第１の開口部の第３の側（２９）で隣接する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’）によって形成されており、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）に接続された各チャネルタイプ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（５）の第２の側で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２の開口部の第４の側（３０’）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）及び第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’）における隣接するチャネルタイプＩＩ（１５）間の距離及び第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】
少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）が、第１の開口部（６）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）との間に扇形に配置されており、前記少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ（１５）が、前記第１の開口部（６）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）によって前記第１の開口部（６）に接続される前記チャネルタイプＩ（１４）との間に扇形に配置され、
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、陽極フレーム（８）のシール材製コーティング（２２）の層厚と比較して、シー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）の一部は、陰極フレーム（１１）のシール材製コーティング（２２）の層厚に比べて、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、第１の開口部（６）を取り囲むシール効果を高めるための円周方向の高さ（２６’’）を有し、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、第２の開口部（９）を取り囲むシール効果を高めるための円周方向の高さ（２６’’）を有する、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、陰極フレーム（１１）のピン（１９）または穴（１９）は、陽極フレーム（８）の穴（１８）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、ピン（１９）および穴（１８）が配置される、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】
固体電解質、例えば膜（１３）、陽極（７）、陰極（１０）からなる、４０バールまでの差圧下で作動し、高圧液体または高圧ガスを変換または生成するための電気化学セル（２）であって、電気化学セル（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）が陽極（７）を構成し、陰極フレーム（１１）の第２の開口部（９）が陰極（１０）を構成し、固体電解質、例えば膜（１３）は、陽極フレーム（４’’）のフレームの第１の側に対向する側と陰極フレーム（５’’）のフレームの第２の側に対向する側との間に配置されており、
固体電解質、例えば膜（１３）の一方の側は陽極（７）上に載り、固体電解質、例えば膜（１３）の他方の側は段差（１２）および陰極（１０）上に載ることを特徴とする、電気化学セル（２）。
【請求項13】
固体電解質、例えば膜（１３）は、８０μｍ以下、例えば５０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下の厚さを有する、請求項１２に記載の電気化学セル（２）。
【請求項14】
陽極フレーム（８）、陰極フレーム（１１）、ＢＰＰ（１６）、陽極（７）および陰極（１０）からなる、加圧下でガスおよび液体を電気化学的に変換または生成するためのスタック型デバイス（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の表面を有するフレームの第１の側（４）と、陽極フレーム（４’’）のフレームの第１の側（４）の反対側の側と、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、フレームの第１の側（４）から陽極フレーム（４’’）のフレームの第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）は、陽極フレーム（８）によって縁取られており、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、好ましくはピン（１９）を含んでおり、
陰極フレーム（１１）は、平面状の第２の表面を有するフレームの第２の側（５）と、陰極フレーム（５’’）のフレームの第２の側（５）とは反対側の側面と、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、フレームの第２の側（５）からカソードフレーム（５’’）のフレームの第２の側（５）とは反対側の側まで延び、陰極フレーム（１０）によって縁取られており、カソードフレーム（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、好ましくはピン（１９）を受容するための穴（１８）を備え、
ＢＰＰ（１６）は、フレームの第１の側（４）とフレームの第２の側（５）との間に配置され、
陽極フレーム（８）が、好ましくは金属製またはプラスチック製のコア（２１）と、シール材製コーティング（２２）とを備え、シール材製コーティング（２２）が、好ましくはゴム製コーティングであり、
ＢＰＰ（１６）は陽極（７）に接続されてＢＰＰ／陽極（３６）を形成し、ＢＰＰ／陽極（３６）は第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、
陰極フレーム（１０）が、好ましくは金属またはプラスチック製のコア（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、陰極（１０）が、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）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、フレームの第１の側（４）およびフレームの第２の側（５）が、陽極フレーム（８）から陰極フレーム（１１）への移行部において段差（１２）を形成するように配置され、段差（１２）が、固体電解質、例えば膜（１３）の支持面として平面状の第３の面を形成し、
ＢＰＰ（１６）は、一方の面では陽極（７）および陽極フレーム（８）上に載り、他方の面では陰極（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】
加圧下でガスおよび液体を電気化学的に変換または生成するためのスタック型装置（２３）用の組立済みモジュール（２０）を製造する方法であって、以下のステップａ）～ｆ）を有することを特徴とするスタック型装置（２３）用の組立済みモジュール（２０）を製造する方法。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の表面を有するフレームの第１の側（４）と、陽極フレーム（４’’）のフレームの第１の側（４）とは反対側の側とを備え、フレームの第１の側（４）および陽極フレーム（４’’）のフレームの第１の側（４）と反対側の側は、フレームの第１の側（４）から陽極フレーム（４’’）のフレームの第１の側（４）と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、陽極フレーム（８）に、液体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、
ｂ）ａ）に従って製造された陽極フレーム（８）用の金属製のコア（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コア（２１）の表面の少なくとも９０％、加硫によってゴム製コーティングを形成するために、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、それによってシール材（２２）として金属製のコア（２１）上にゴム製コーティングが形成される、ゴム製コーティングの中で、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）とを接続する、陽極フレーム（８）が電気化学セル（２）またはスタック型装置（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’’）のフレームの第１の側（４）とは反対側のゴム製コーティングには、チャネルタイプＩＩ（１５）が形成されない、
ｃ）陽極（７）、好ましくはＢＰＰ（１６）に接続されてＢＰＰ／陽極（３６）を形成する陽極（７）が、ａ）およびｂ）に従って製造された陽極フレーム（８）に配置または押し付けられる、
ｄ）金属製のコア（２１）が陰極フレーム（１１）のために製造され、コア（２１）が、平面状の第２の表面を有するフレームの第２の側（５）と、陰極フレーム（５’’）のフレームの第２の側（５）とは反対側の側とから構成され、陰極フレーム（５）の第２の側（５）およびフレームの第２の側（５）の反対側の側は、フレームの第２の側（５）から陰極フレーム（５’’）の反対側の側まで延び、陰極フレーム（１１）によって縁取られる第２の開口部（９）を構成する、陰極フレーム（１１）に、液体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）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、例えば少なくとも１つの孔（１８）を備える、
ｅ）ｄ）に従って製造された陰極フレーム（１１）用の金属製のコア（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にｄ）に従って製造されたコア（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コーティングされ、その後加硫され、それによって金属製のコア（２１）上にシール材（２２）としてゴム製コーティングが形成される、ゴム製コーティングの中で、フレームの第２の側（５）の表面に１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ（１５）が形成され、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２の開口部（９）とを接続する、陰極フレーム（１１）が電気化学セル（２）またはスタック型装置（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）が形成されない、
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、好ましくは少なくとも１つのピン（１８）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つの穴（１９）は、少なくとも１つのピン（１８）上に塞がれ、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）は、フレームの第１の側（４）とフレームの第２の側（５）との間に配置され、陰極（１０）は、陰極フレーム（１１）内に挿入または押圧される。
【請求項16】
高圧の液体または気体を変換または生成するための差圧下で作動するスタック式装置（２３）の製造方法であって、以下のステップａ）～ｃ）を有することを特徴とする製造方法。ａ）請求項１４または請求項１５に従って得られる少なくともｘ個の組立済モジュール（２０）と、少なくともｘ＋１個の固体電解質、例えば少なくともｘ＋１個の膜（１３）とが、互いの上に交互に積み重ねられ、組立済モジュール（３）のスタックが製造され、組立済モジュール（３）のスタックにおいて、１個の組立済モジュール（２０）と１個の固体電解質とが、互いの上に交互に積み重ねられ、１個の固体電解質、例えば膜（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個の固体電解質、例えば膜（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る、１つの固体電解質、例えば膜（１３）が、組立済モジュール（３）のスタックの上側および下側に配置され、１つの固体電解質、例えば膜（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、
ｂ）ハーフセル陽極、好ましくはシングル陽極（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、外側固体電解質、例えば外側膜（１３）に平行に配置され、ハーフセル陰極、好ましくは、単一の陰極（１０’）と陰極フレーム（１１）、組立済モジュール（３）のスタックの他方の側で外側の固体電解質、例えば外側の膜（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、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、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】
高圧液体または高圧ガスの変換または生成のために差圧下で作動するためのスタック型装置（２３）であって、請求項１４または請求項１５に従って得られるｘ個の組立済モジュール（２０）と、ｘ＋１個の固体電解質、例えばｘ＋１個の膜（１３）と、単一陽極（７’）またはハーフセル陽極と、単一陰極（１０’）またはハーフセル陰極と、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）およびｘ＋１個の固体電解質、例えばｘ＋１個の膜（１３）は、組立済モジュール（３）のスタックを形成するために、他方の上に交互に１つずつ積層され、ここで、１個の組立済モジュール（２０）および１個の固体電解質、例えば膜（１３）は、組立済モジュール（３）のスタックにおいて他方の上に交互に１つずつ積層され、
１つの固体電解質、例えば膜（１３）が、組立済モジュール（３）のスタックの上側および下側に１つずつ配置され、１つの固体電解質、例えば膜（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、
単一陽極（７’）またはハーフセル陽極は、組立済モジュール（３）のスタックの一方の側で、外側固体電解質、例えば外側膜（１３）に対して平行に配置され、単一陰極（１０’）またはハーフセル陰極は、組立済モジュール（３）のスタックの他方の側で、外側固体電解質、例えば外側膜（１３）に対して平行に配置され、
エンドプレート（３３）は、それぞれ、単一陽極（７’）またはハーフセル陽極に平行に、かつ単一陰極（１０’）またはハーフセル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）の間で圧縮されて、スタック型装置（２３）が形成されていることを特徴とするスタック型装置（２３）。
ここでｘは整数、≧２である。
【請求項18】
高圧液体または高圧ガスを生成するための差圧下での操作のためのスタック型装置（２３）であって、ｘ＋１個の固体電解質、例えばｘ＋１個の膜（１３）およびｘ－１個のＢＰＰ（１６）と、上部エンドプレート（３８）および下部エンドプレート（４４）とを有する、請求項１２または１３に記載のｘ＋１個の電気化学セル（２）を備え、
ｘ＋１個の電気化学セル（２）およびｘ－１個のＢＰＰ（１６）は、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個の電気化学セル（２）および１個のＢＰＰ（１６）は、交互に１つずつ他方の上に積み重ねられ、１個のＢＰＰ（１６）は、スタックの上側および下側に配置され、１個のＢＰＰ（１６）は、２個の隣接する電気化学セル（２）の間に配置され、
スタックの上側にはＢＰＰ（１６）と平行に上側エンドプレート（３８）が配置され、スタックの下側にはＢＰＰ（１６）と平行に下側エンドプレート（４４）が配置され、生成されたスタックは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装置（２３）が形成されることを特徴とするスタック型装置（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デバイス（２３）、または、請求項１６に従って得られるスタック型装置（２３）において、ｘ＋１個の固体電解質の各々、例えばｘ＋１個の膜（１３）の各々は、５０μｍ、好ましくは２０μｍ以下の厚さを有する、スタック型装置（２３）。
【請求項20】
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装置（２３）、または、請求項１６に従って得られるスタック型装置（２３）であって、２つのエンドプレート（３３）を備え、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）が、液体の導入のための少なくとも１つの接続部（３９）と、液体の排出のための少なくとも１つの接続部（４０）と、少なくとも２つの分配カバー（４１）とを備えており、
液体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）において液体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つの分配カバー（４１）の各々が、分配カバー（４３）において液体の分配のための空間を有し、
スタック式装置（２３）への液体の導入のための少なくとも１つの分配カバー（４３）が、液体の導入のための少なくとも１つの接続部（３９）と、エンドプレート（４２）における液体の分配のための空間に接続されており、スタック式装置（２３）からの液体の排出のための少なくとも１つのさらなる分配カバー（４３）が、液体の排出のための少なくとも１つの接続部（４０）およびエンドプレート（４２）内の分配のための空間に接続されていることを特徴とするスタック型装置（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、スタック型装置（２３）への液体（３９）の導入のための少なくとも１つの接続部と、スタック型装置（２３）からの液体（４０）の排出のための少なくとも１つの接続部と、少なくとも２つの分配器カバー（４１）とを備えている、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装置（２３）のための蓋（３７）であって、エンドプレート（３３）は、液体のための空間を提供するために、エンドプレート（３３）内に液体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）内に液体の分配のための空間を有し、
少なくとも１つの分配器カバー（４３）が、スタック型装置（２３）への液体の導入のための少なくとも１つの液体導入用接続部（３９）と、エンドプレート（３３）における液体の分配のための空間とに接続されており、
少なくとも１つのさらなる分配器カバー（４３）が、スタック型装置（２３）からの液体の排出のための少なくとも１つの液体排出用接続部（４０）と、エンドプレート（３３）における液体の分配のための空間とに接続されていることを特徴とするスタック型装置（２３）のための蓋（３７）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、加圧下で気体および液体を電気化学的に変換または生成するための電気化学セル用フレームおよびスタック型デバイスに関する。本発明は、本発明によるフレーム、予備組立モジュールの製造方法、およびスタック型デバイスの製造方法を含む、電気化学セル、スタック型デバイス、および予備組立モジュール用の新しいフレームに関する。本発明によるフレーム、本発明による電気化学セル、および本発明によるスタック型装置は、圧力下の気体および液体の電気化学的変換または生成、例えば電解セル、燃料セル、または電気化学的圧縮用セルに適している。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、スタック式装置の蓋に関する。
【0002】
電気化学電池は、電気を流すことによって物質を変換したり、他の物質を形成したりして電気を発生させることができる。電気化学セルには、電子伝導体として働く少なくとも２つの電極と、イオン伝導体として働く電解質がある。ここで開発されたセルに好ましい電解質は、固体電解質、例えばイオン伝導膜である。
【0003】
固体電解質を用いた古典的な電気化学セルは、イオン伝導性の膜で構成され、この膜は触媒でコーティングすることができ、ここで反応が起こる。陽極側と陰極側では、多孔質の電極（陽極と陰極）が気体や液体を電解質に向かって、あるいは電解質から遠ざける。圧力下の気体や液体の流入や流出は、従来の金属や高強度プラスチック（ＰＥＥＫ）製のフレームによって確保することができる。電極（陽極または陰極）はこのフレームに挿入される。電気化学セルからガスや液体が漏れないように、フレームはＯリングやフラットガスケット、注入シールなどのシールで横方向に密閉されている。製品を増やすために、電気化学セルを直列に接続してセルスタックを形成することができる。それぞれの電気化学セルは、いわゆるバイポーラプレートによって互いに分離される。このような配置からなる装置は、スタック型装置２３と呼ばれる。
【0004】
電気化学セルおよびフレームからなるスタック型装置は従来技術で知られている。
【0005】
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。
【0006】
ＤＥ ２５ ３３ ７２８ Ａ１ は、並べて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。
【0007】
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。
【0008】
古典的な電気化学セルを加圧下で作動させるときに一般的に起こる困難は、次のようなものである：
１．セルスタック、すなわちスタックタイプの装置では、多数の電気化学セルのフレームが互いに積み重ねられ、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、気密性に問題がある。その結果、フレームの一部に使用されているＯリングやその他のシールの接触圧が不十分となることがある。特に、気体や液体に圧力がかかっている場合、既知のシールでは気密性を確保することが難しいか、不可能である。
２．フレームの機械的安定性：圧力下で気体や液体が変換されたり発生したりすると、プラスチックフレームは変形する（図２）。
３．電極とフレーム１の間にはわずかな隙間１７が残る。この隙間１７に固体電解質、例えば膜１３が差圧操作中に押し込まれる。固体電解質、例えばメンブレン１３は、隙間１７に押し込まれるか、または這い上がる。この効果は、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）、隙間１７が大きくなるように強まる（図２）。
４．フレームには、液体やガスを供給・除去するための流路が設けられていることが多い。当技術分野では、流路をフレームから、すなわち金属やプラスチック部分から削り出すことが知られているが、これは高いコストにつながる。
１．セルスタック、すなわちスタックタイプの装置では、多数の電気化学セルのフレームが互いに積み重ねられ、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、気密性に問題がある。その結果、フレームの一部に使用されているＯリングやその他のシールの接触圧が不十分となることがある。特に、気体や液体に圧力がかかっている場合、既知のシールでは気密性を確保することが難しいか、不可能である。
２．フレームの機械的安定性：圧力下で気体や液体が変換されたり発生したりすると、プラスチックフレームは変形する（図２）。
３．電極とフレーム１の間にはわずかな隙間１７が残る。この隙間１７に固体電解質、例えば膜１３が差圧操作中に押し込まれる。固体電解質、例えばメンブレン１３は、隙間１７に押し込まれるか、または這い上がる。この効果は、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）、隙間１７が大きくなるように強まる（図２）。
４．フレームには、液体やガスを供給・除去するための流路が設けられていることが多い。当技術分野では、流路をフレームから、すなわち金属やプラスチック部分から削り出すことが知られているが、これは高いコストにつながる。
【0009】
電気化学セルによって工業用に高圧下で気体や液体を発生させたり、高圧下の気体や液体を電気化学セルに導入したりするためには、高圧下で作動させることができ、上記のような欠点がない、改良された電気化学セルが必要である。
【0010】
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。
【0011】
本発明の目的は、スタック型デバイス２３用の電気化学セル２用のフレーム１であって、フレーム１は、平面状の第１表面を有するフレーム４の第１側面と、平面状の第２表面を有するフレーム４の第１側面と対向するフレーム５の第２側面と、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、フレーム４の第１の側面と、陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側面の反対側の側面と、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、フレーム４の第１の側面から陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側面の反対側の側面まで延びている、
ここで、陰極フレーム１１は、フレーム５の第２の側面と、陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側面の反対側の側面と、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、フレーム５の第２の側面から陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側面の反対側の側面まで延びている、
ここで、陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側に対向する側と、陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側に対向する側とは、互いに隣接して配置される、
ここで陽極フレーム８と陰極フレーム１１は互いに接続されている、
これにより、第１の開口部６と第２の開口部９は互いに連通している、
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’’のフレーム４の第１の側に対向する側および陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側に対向する側が、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、フレーム４の第１の側面と、陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側面の反対側の側面と、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、フレーム４の第１の側面から陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側面の反対側の側面まで延びている、
ここで、陰極フレーム１１は、フレーム５の第２の側面と、陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側面の反対側の側面と、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、フレーム５の第２の側面から陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側面の反対側の側面まで延びている、
ここで、陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側に対向する側と、陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側に対向する側とは、互いに隣接して配置される、
ここで陽極フレーム８と陰極フレーム１１は互いに接続されている、
これにより、第１の開口部６と第２の開口部９は互いに連通している、
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’’のフレーム４の第１の側に対向する側および陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側に対向する側が、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。
【0012】
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、段部１２は、好ましくは、固体電解質、例えば膜１３の支持面としての平面状の第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は好ましくは陰極フレーム１１の一部であり、固体電解質、例えば膜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、正極フレーム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、固体電解質、例えば膜１３の支持面として平面状の第３の面を形成する。
【0013】
本発明によれば、膜１３として好ましくはイオン伝導性膜を使用することができる。
【0014】
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、コア２１はシール材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のコア２１は、シール材２２からなるコーティングで全体的または部分的に被覆されている。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構成される。好ましくは、カソードフレーム１１は、好ましくは金属または他の適切な材料からなるコア２１からなり、コア２１はシール材２２からなるコーティングで被覆されている。正極フレーム１１のコア２１は、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。シール材２２のコーティングとしては、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、シール材２２のコーティングはＥＰＤＭから成っていてもよいし、ＥＰＤＭから成っていてもよい。シール材２２からなるコーティングは、好ましくは、電気化学セル２またはスタック型装置２３のシールであるか、またはシールとして機能する。本発明の対象は、好ましくは金属製のコア２１を有する電気化学セル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）。アノードフレーム８のコア２１は、シール材２２、特にシール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。カソードフレーム１１のコア２１は、シール材２２、特にシール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。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。
【0015】
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、高強度プラスチック（ＰＥＥＫ）、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などである。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）からなるコーティングは、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。
【0016】
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、陽極フレーム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、シール材からなるコーティング。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ている。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。
【0017】
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、電解セル２の完全な封止を可能にするために必要な、封止材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の領域がコーティングされる。例えば、カソードフレーム１１のコア２１の表面の面積は０．５ｃｍから２．５ｃｍ、好ましくは１ｃｍから２ｃｍ、例えば１．５ｃｍであり、これは第２の開口部９を直接取り囲んでいる。
【0018】
金属は良好な機械的安定性を提供し、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。
【0019】
例えば金属製の安定したコア２１およびシール材２２製のコーティングのさらなる利点は、陽極７および陰極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（ｐｒｅｓｓ ｆｉｔ）できることである。これにより、電気を発生させる物質の変換時、または高圧下または差圧下で電気を使用する物質の変換時、例えば最大４０バールの差圧で行われる電気分解時に、電気化学セル２またはスタック型装置２３、フレーム１またはフレーム１の変形が防止される。スタック型装置２３で構成される電気化学セル２またはフレーム１において、フレーム１内の個々の構成要素間、および個々の構成要素とフレーム１またはフレーム１との間に、より大きなギャップ１７が形成される。例えば、カソード１０とフレーム１との間、および／またはアノード７とフレーム１との間には、より大きなギャップ１７が形成されない（図８）。
【0020】
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０．０１～１ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍのステンレス鋼であり得る。陽極フレーム８の被覆されたコア２１、すなわちコア２１とシール材２２からなる被覆とを合わせたもの、および／または陰極フレーム１１の被覆されたコア２１、すなわちコア２１とシール材２２からなる被覆とを合わせたものは、例えば１～５ｍｍ、好ましくは２～３ｍｍ、例えば２．２ｍｍの厚さを有することができる。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。
【0021】
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からなる被膜の厚さは、例えば１～４．５ｍｍ、例えば２～３ｍｍである。好ましくは、陽極フレーム８のコア２１を囲むシール材２２からなる被覆の厚さは、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厚さは、どこでも同じである。特定の実施形態では、陽極フレーム８のコア２１は、シール材２２からなるコーティングの層厚と比較して、シール材２２からなるコーティングの層厚’’が減少した領域を有する（図１０ｂ～図１０ｄ、図１４、図１６および図１７）。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、封口材２２’’からなる被膜の層厚は、封口材２２からなる被膜の層厚に比べて１ｍｍ減少している。例えば、シール材２２からなるコーティングの層厚は４ｍｍであり、シール材２２’’からなるコーティングの減少した層厚は３ｍｍである。例えば、シーリング材２２からなるコーティングの層厚、１０ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ以下、１．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以下、２．８ｍｍ以下、１．９ｍｍ以下、１．４５ｍｍ以下、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。
【0022】
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乃至１ｍｍ、例えば２ｍｍ以上、０．５ｃｍ、好ましくは１ｃｍ、特に好ましくは１．５ｃｍ以上大きい。好ましくは、大きい方の第１の開口部６と小さい方の第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）。あるいは、段差１２は異なる箇所で異なる幅を有することができる。段差１２の幅、したがって固体電解質を保持するための平面状の第３の表面、例えば膜１３の幅は、異なる点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。
【0023】
陽極フレーム８は、例えば、外形寸法２０～７０ｃｍ×２０～７０ｃｍ、例えば５０ｃｍ×５０ｃｍまたは３５ｃｍ×３５ｃｍ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。
【0024】
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。
【0025】
横漏れを回避するために、活性領域上の圧力は、例えば、シール材２２からなるコーティングの層厚の円周方向の増加２６’’、例えば、円周方向のゴム増加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の周方向の増加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の増加部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。
【0026】
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。
【0027】
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、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高さ２６’’を有する、フレーム１である。
【0028】
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。
【0029】
電気化学セル２またはスタック型装置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って節約することができ、特に陽極フレーム８および陰極フレーム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領域に配置されるゴムリップ２５から構成される。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２２からなるコーティングおよび／または陰極フレーム１１のシールが、シール機能に加えて他の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からなる被覆は、対応する実施形態、例えばゴムリップ２５からなる。
【0030】
他の必要な部品は、シール材２２からなるコーティングから直接製造することができるので、電気化学セル２またはスタック型装置２３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、スタック型装置２３の組み立てにかかる労力が大幅に削減される。同様に、陽極フレーム８と陰極フレーム１１を接続するための手段、例えばピン１９と穴１８を挿入することにより、追加の組立補助具が不要になる。
【0031】
好ましい実施形態では、シーリング材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、シール材２２でできたコーティングの窪みまたは凹みであり、シール効果には寄与しない。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。つの隣接する流路タイプＩＩ１５の間の高台２６は、例えば、コア２１が、層厚が減少していないシール材２２からなる被膜を有する領域である。個々のチャネルタイプＩＩ１５が配置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することができ、コーティングの低減された層厚を有することができる。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。
【0032】
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４０バールの差圧、すなわち電気化学セル２のカソード側のみが加圧下で作動される場合、またはスタック型デバイス２３のカソード側のみが加圧下で作動される場合、液体圧力または気体圧力（どちらの媒体が加圧下であるかによって、気体または液体である）がアノードフレーム８とアノード７との間のギャップ１７を押圧しないことを意味する。固体電解質、例えば膜１３は、陽極７に押し付けられ、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、固体電解質、例えば膜１３が、フレーム１、例えば陽極フレーム８と電極、例えば陽極７との間の隙間１７に押し込まれたり、這わされたりすることが防止される。
【0033】
フレーム１、電気化学セル２、スタック型デバイス２３の代替実施形態では、陽極フレーム８はより小さく、陰極フレーム１１はより大きい。これらの代替実施形態では、段差１２は陽極フレーム８によって形成される。その結果、差圧、例えば４０バールの差圧、すなわち電気化学セル２のアノード側のみが加圧下で作動される場合、またはスタック型デバイス２３のアノード側のみが加圧下で作動される場合、媒体圧力はカソードフレーム１１とカソード１０との間のギャップ１７を押圧しない。固体電解質、例えば膜１３は、陰極１０に押し付けられ、陰極１０に機械的に支持されるだけである。このようにして、固体電解質、例えば膜１３が、フレーム１、例えば正極フレーム１１と電極、例えば正極１１との間の隙間１７に押し込まれたり、クロール２４されたりすることを防止することができる。
【0034】
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。
【0035】
好ましくは、フレーム１は、フレーム１内への液体および気体の供給およびフレーム１外への気体の除去のために、それぞれ１つまたは複数の流路タイプＩ１４を備える。好ましくは、Ｉ型チャンネル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つ以上のＩ型チャンネル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型チャンネル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。
【0036】
さらに、フレーム１は、好ましくは、液体および気体の第一開口部６への供給、第一開口部６からの液体および気体の除去、液体および気体の第二開口部９への供給、第二開口部９からの液体および気体の除去のための一つ以上の流路ＩＩ型１５から構成される。好ましくは、ＩＩ型流路１５がＩ型流路１４と第１開口部６とを接続する。好ましくは、ＩＩ型流路１５はＩ型流路１４と第二の開口部９を接続する。
【0037】
用途によって、供給される液体と排出されるガスは異なる。
【0038】
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型チャンネル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ているシール材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、および場合によっては他のパラメータがツールに転送される。工具は、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にスタンプするように、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が加硫により封入される。
【0039】
フレーム１の好ましい実施形態では、陽極フレーム８は、フレーム４の第１の側の表面上に、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が電気化学セル２またはスタック型装置２３に設置されるとき、ＢＰＰ１６の方向に配置され、陽極フレーム４’’のフレームの第１の側とは反対側の面がチャネルタイプＩＩ１５を構成しない、１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ１５を構成する。
【0040】
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、フレーム５の第２の側の表面上に、チャネルタイプＩ１４に接続され、チャネルタイプＩ１４を第２の開口部９に接続し、フレーム１が電気化学セル２またはスタック型装置２３に設置されるとき、ＢＰＰ１６に向かう方向に配置され、カソードフレーム５’’のフレームの第２の側とは反対側の面がチャネルタイプＩＩ１５を構成しない、１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ１５を構成する。
【0041】
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、１つまたは複数の流路タイプ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において、陽極フレーム８は、第１の側面４の表面上に、１つまたは複数のチャネルタイプＩ１４に接続され、１つまたは複数のチャネルタイプＩ１４を第１の開口部６に接続し、フレーム１が電気化学セル２またはスタック型デバイス２３に設置されるとき、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とは反対側の側面は、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の表面上に、１つまたは複数のチャネルタイプＩ１４に接続され、１つまたは複数のチャネルタイプＩ１４を第２の開口部９に接続し、フレーム１が電気化学セル２またはスタック型装置２３に設置されるとき、ＢＰＰ１６に向かう方向に配置され、カソードフレーム５’’の第２の側面５に対向する側面がチャネルタイプＩＩ１５を構成しない、１つまたは複数のチャネルタイプＩＩ１５を構成する。
【0042】
好ましい実施形態では、本発明によるフレーム１は、液体および気体の供給および除去のための少なくとも２つの流路Ｉ型１４と、少なくとも２つの流路ＩＩ型１５とを備え、流路Ｉ型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、フレーム４の第１の側の表面に、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が電気化学セル２またはスタック型装置２３に設置されるとき、ＢＰＰ１６に向かう方向に配置され、陽極フレーム４’’のフレームの第１の側とは反対側の面はチャネルタイプＩＩ１５を含んでいない、少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ１５を含んでいる。好ましくは、フレーム４の第１の側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において、カソードフレーム１１は、フレーム５の第２の側の表面上に、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が電気化学セル２またはスタック型装置２３に設置されるとき、ＢＰＰ１６に向かう方向に配置され、カソードフレーム５’’のフレームの第２の側とは反対側の面がチャネルタイプＩＩ１５を構成しない、少なくとも２つのチャネルタイプＩＩ１５を構成する。好ましくは、フレーム５の第２の側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２の開口部９に接続する。
【0043】
液体および気体の供給および除去のために、Ｉ型チャネル１４を第１の開口部６および第２の開口部９と接続する、すなわち陽極７および陰極１０をＩ型チャネル１４と接続するＩＩ型チャネル１５は、ＢＰＰ１６の方向を向き、固体電解質、例えば膜１３の方向を向かないように、陽極フレーム８および／または陰極フレーム１１に配置される。気体または液体がＩ型１４の流路を通って流れても、固体電解質、例えば膜１３はこの影響を受けない。なぜなら、固体電解質、例えば膜１３が載っている陽極フレーム７の側面および陰極フレーム１１の側面は、ＩＩ型１５の流路を構成しないからである。すなわち、固体電解質、例えば膜１３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のすぐ近くにはＩＩ型１５チャンネルがない。固体電解質、例えば膜１３は、流路のない滑らかな平坦面上に置かれるため、４０バールまでの差圧でも十分に支持される。同時に、陽極コンパートメント（陽極コンパートメントは、陽極フレーム７、固体電解質、例えばメンブレン１３およびＢＰＰ１６によって形成される）、陰極コンパートメント（陰極コンパートメントは、陰極フレーム１１、固体電解質、例えばメンブレン１３およびＢＰＰ１６によって形成される）および電気化学セル２全体は、４０バールまでの差圧であっても完全に密閉され、ガスや液体が漏れることはない。
【0044】
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ＩＩ型チャンネル１５、例えば少なくとも１００個のＩＩ型チャンネル１５、好ましくは少なくとも２００個のＩＩ型チャンネル１５、またはそれ以上、例えば５０個以下から構成される。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。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型チャンネル１５がＩ型チャンネル１４を第１の開口部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型チャンネル１５が、Ｉ型チャンネル１４を第２開口部９に接続する。
【0045】
例えば、第１の開口部６に連通するチャネルタイプＩＩ１５は、フレーム４の第１の側において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。
【0046】
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。
【0047】
フレーム１の流路は、液体がスタック型装置２３内のタイプＩ１４の流路を通って分配され、液体がタイプＩＩ１５の流路を通って個々の電気化学セル２に到達するように設計されている。Ｉ型１４の流路は、好ましくは、陽極フレーム８の第１開口部６に沿って、または平行に、一定の間隔で配置される。Ｉ型１４の流路は、好ましくは、正極フレーム１１の第二開口部９に沿って、または正極フレーム１１の第二開口部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型チャンネル１４がある。
【0048】
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、またはスタック型装置２３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流入媒体（液体、気体）を供給するように配置される。
【0049】
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ンネルＩＩ型１５が、各チャンネルＩ型１４またはチャンネル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。
【0050】
第１の開口部６に沿って、または第２の開口部９に沿って、フレーム１の全幅にわたって、例えば第１の開口部２７の第１の側の全幅に沿って、および第１の開口部２９の第３の側の全幅に沿って（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の活性セル領域全体（＝第１の開口部６＋第２の開口部９）にわたって液体を特に良好に分布させる。液体は電気化学セル２内を均一に流れる。流入する液体の大部分が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熱放散につながる。このような流路ＩＩ型１５の配置により、電気化学反応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、電気化学セル２またはスタック型デバイス２３にとって重要なパラメータである。
【0051】
本発明に従って、異なるデザインと構造を持つスタック型装置２３が含まれる。
【0052】
フレーム１、電気化学セル２、予め組み立てられたモジュール２０およびスタック型デバイス２３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、それぞれのスタック型デバイス２３の他の流路タイプＩＩ１５と比較して、流体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、すなわち、例えば、フレーム４の第１の側の流路ＩＩ型１５の配置の端部に位置する流路ＩＩ型１５、例えば第１の開口部２７の第１の側に関してＩＩ型流路１５の配置の端部に位置するＩＩ型流路１５は、フレーム１、電気化学セル２、予め組み立てられたモジュール２０、スタック型デバイス２３の他のＩＩ型流路１５と比較して、流れる液体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、流路タイプＩＩ１５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（＝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を流れる液体の体積流量がより多い特定の領域が、流れる液体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、例えば、液体が流れることにより、活性セル領域の冷却が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。関連するＩＩ型流路１５の断面積は、例えば、Ｉ型流路１４内の流体圧力の差を補うように、小さくするなどして適合させることができる。好ましくは、均一または均質な流体圧が、活性細胞領域全体にわたって生成される。例えば個々に適合され、例えば異なる開口断面積を有する流路Ｉ１５により、流路Ｉ型１４における異なる圧力損失を補償し、全ての流路Ｉ１５を通る流れを均一化することができる。
【0053】
本発明によれば、フレーム１、電気化学セル２、組立済みモジュール２０およびスタック型デバイス２３が構成され、それぞれのフレーム１、それぞれの電気化学セル２、それぞれの組立済みモジュール２０、それぞれのスタック型デバイス２３の個々の流路タイプＩＩ１５は、それぞれの流路タイプＩＩ１５が活性セル領域の同じ大きさの領域に液体を供給するように配置される。
【0054】
本発明によれば、フレーム１、電気化学セル２、予め組み立てられたモジュール２０、およびスタック型デバイス２３が構成され、それぞれのフレーム１、それぞれの電気化学セル２、それぞれの予め組み立てられたモジュール２０、およびそれぞれのスタック型デバイス２３の個々の流路ＩＩ型１５は、すべての流路ＩＩ型１５が同時に同じ量の液体または気体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る。これは、例えば、全ての流路タイプＩＩ１５が液体または気体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が活性セル領域の同じ大きさの領域に液体または気体を供給するように配置される。特に好ましくは、流路ＩＩ型１５は、各流路ＩＩ型１５が活性セル領域の同じ大きさの領域に液体または気体を供給するように配置され、すべての流路ＩＩ型１５が同じである。このようにすることで、活性セル領域全体に均一に液体または気体を供給することができる。
【0055】
Ｉ型チャンネル１４の数、形状および配置、ならびにＩ型チャンネル１４に関するその他のパラメータ、ならびにＩＩ型チャンネル１５の数、形状および配置、ならびにＩＩ型チャンネル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。
【0056】
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。
【0057】
本発明の主題は、高圧ガスおよび液体を生成するための最大４０バールの差圧下で動作する電気化学セル２であって、固体電解質、例えば膜１３、陽極７、陰極１０を含み、電気化学セル２が本発明によるフレーム１を構成し、陽極フレーム８の第１の開口部６が陽極７を構成し、陰極フレーム１１の第２の開口部９が陰極１０を構成し、固体電解質が、例えば膜１３が陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側面と反対側の側面と陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側面と反対側の側面との間に配置されている電気化学セル２である、固体電解質、例えば膜１３は、陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側に対向する側と、陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側に対向する側との間に配置され、固体電解質、例えば膜１３の一方の側は陽極７上に載り、固体電解質、例えば膜１３の他方の側は段差１２および陰極１０上に載る（図７ｂおよび図７ｃ）。電解セル２が差圧下で運転されるとき、差圧は、陽極フレーム８と陽極７との間の間隙１７の領域において、固体電解質、例えば膜１３に作用しない。これにより、固体電解質、例えば膜１３が隙間７に押し込まれたり、這い上がったり２４することが防止される（図８および８ａ）。
【0058】
好ましい実施形態では、本発明による電気化学セル２は、固体電解質、例えば８０μｍ以下の厚さを有する膜１３、例えば５０μｍ以下の厚さを有する膜１３、特に好ましくは２０μｍ以下の厚さを有する膜１３、例えば１５μｍ以下。特に好ましい実施形態では、本発明による電気化学セル２は、固体電解質、例えば膜１３、好ましくは８０μｍ以下の厚さを有するイオン伝導膜１３、例えば５０μｍ以下の厚さを有するイオン伝導膜１３、特に好ましくは２０μｍ以下、例えば１５μｍ以下の厚さを有するイオン伝導膜１３からなる。
【0059】
本発明による電気化学セル２において、陽極フレーム８のコア２１のシール材２２、例えばゴム製のコーティング、好ましくはＥＰＤＭ製のコーティング、陰極フレーム１１のコア２１のシール材２２、例えばゴム製のコーティング、好ましくはＥＰＤＭ製のコーティング、およびステップ１２は、固体電解質と相互作用する、例えば膜１３（図７ｃおよび図８ａ）は、固体電解質、例えば膜１３が陽極フレーム８と陽極７との間の隙間１７に押し込まれたり這わされたりすることなく、電気化学セル２、陽極コンパートメントおよび陰極コンパートメントを完全に密閉する。ＩＩ型流路１５の特別な配置は、液体およびガスの供給および除去の両方、ならびに固体電解質、例えば膜１３の安定性、および電気化学セル２の完全な密閉を完全に保証する。したがって、本発明によるフレーム１は、厚さが８０μｍ以下、例えば５０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、例えば１５μｍ以下の固体電解質、例えば膜１３の使用を可能にする。これらの固体電解質、例えば膜１３は、薄い固体電解質または薄い膜１３と呼ばれる。本発明によるフレーム１により、電気化学セル２は、従来技術における通常よりも薄い固体電解質、例えば薄い膜１３を用いて製造することができる。さらに、これらの電気化学セル２は、固体電解質、例えば膜１３を損傷することなく、または電気化学セル２が漏れることなく、セルの一方の側の液体または気体が最大４０バールの圧力で蓄積されるように操作することができる。
【0060】
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。
【0061】
好ましい実施形態では、陽極７は、プロセス媒体、特に液体のための少なくとも１つの粗い分配器と少なくとも１つの細かい分配器からなる。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）に液体を効率的に分配する。微細分配器は、液体を固体電解質、例えば膜１３に輸送し、固体電解質、例えば膜１３への良好な電気的接触を可能にし、同時に固体電解質、例えば膜１３を機械的に支持する。陽極７の粗配電体として、例えばエキスパンドメタルを使用することができる。陽極７の微細分配器としては、例えば焼結粉末からなる板を用いることができる。粗い分配器と細かい分配器、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て陽極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陽極７を製造することもできる。陽極７はＢＰＰ１６に接続することができる。好ましくは、ＢＰＰ１６は陽極７と同じ材料で作られている。特に好ましい実施形態では、ＢＰＰ１６および陽極７はチタン製である。代替的な好ましい実施形態では、ＢＰＰ１６と陽極７は少なくとも８０％が同じ材料、例えばチタンからなる。ＢＰＰ１６と陽極７との間の接続は、例えば、抵抗溶接によって、好ましくはいくつかの点で実現することができる。ＢＰＰ／陽極３６において、ＢＰＰ１６の表面はフレーム１の外面に対応するか、またはＢＰＰ／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／陽極３６の陽極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に適合するように適合される。２つの部品（ＢＰＰ１６と陽極７）の代わりに、組み立てに必要な部品はＢＰＰ／陽極３６の１つだけである。つまり、部品が１つ節約できる。
【0062】
液体または気体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型チャンネル１４には、様々な形状とそれに対応する適合が可能である。
【0063】
本発明の課題は、本発明によるフレーム１からなるスタック型デバイス２３を製造するための組立済みモジュール２０である。例えば、本発明の対象は、陽極フレーム８、陰極フレーム１１、ＢＰＰ１６、陽極７および陰極１０からなるスタック型デバイス２３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４の第１の側面と、陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側面の反対側の側面と、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、フレーム４の第１の側面から陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側面の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、
陰極フレーム１１が、平面状の第２の表面を有するフレーム５の第２の側面と、陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側面とは反対側の側面と、陰極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、フレーム５の第２の側面から陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側面とは反対側の側面まで延び、陰極フレーム１１によって取り囲まれており、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を受け入れるための穴１８から構成されている、
ここで、ＢＰＰ１６はフレーム４の第１の側とフレーム５の第２の側との間に配置され、ＢＰＰ１６はＢＰＰ／陽極３６の一部とすることができる、
ここで、陽極フレーム８は、コア２１と、シール材からなるコーティング２２とからなり、コア２１は、シール材からなるコーティング２２で完全にまたは部分的に被覆され、例えば、コア２１は、金属からなるか、または金属からなり、シール材からなるコーティング２２は、からなる、好ましくは、ＢＰＰ１６が陽極７に接続されてＢＰＰ／陽極３６を形成し、陽極７またはＢＰＰ／陽極３６が第１の開口部６に挿入または押圧され、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、コア２１とシール材製コーティング２２とからなり、コア２１は、全体的または部分的にシール材製コーティング２２で被覆され、例えば、コア２１は、金属からなるかまたは金属からなり、シール材製コーティング２２は、例えば、シール材からなるかまたはシール材、例えば、ゴム、好ましくはＥＰＤＭからなり、カソード１０は、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によって縁取られる、
これにより、陽極フレーム８と陰極フレーム１１が陽極フレーム８と陰極フレーム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と陰極フレーム１１が互いに接続される、
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、フレーム４の第１の側およびフレーム５の第２の側が、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、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を縁取る陰極フレーム１１の部分である、段差１２は、好ましくは、固体電解質、例えば膜１３の支持面として平面状の第３の面を形成し、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／陽極３６のＢＰＰ１６は、一方の側で陽極７および陽極フレーム８に載り、他方の側で陰極１０、陰極フレーム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、液体および気体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４の第１の側面と、陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側面の反対側の側面と、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、フレーム４の第１の側面から陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側面の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、
陰極フレーム１１が、平面状の第２の表面を有するフレーム５の第２の側面と、陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側面とは反対側の側面と、陰極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、フレーム５の第２の側面から陰極フレーム５’’のフレーム５の第２の側面とは反対側の側面まで延び、陰極フレーム１１によって取り囲まれており、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を受け入れるための穴１８から構成されている、
ここで、ＢＰＰ１６はフレーム４の第１の側とフレーム５の第２の側との間に配置され、ＢＰＰ１６はＢＰＰ／陽極３６の一部とすることができる、
ここで、陽極フレーム８は、コア２１と、シール材からなるコーティング２２とからなり、コア２１は、シール材からなるコーティング２２で完全にまたは部分的に被覆され、例えば、コア２１は、金属からなるか、または金属からなり、シール材からなるコーティング２２は、からなる、好ましくは、ＢＰＰ１６が陽極７に接続されてＢＰＰ／陽極３６を形成し、陽極７またはＢＰＰ／陽極３６が第１の開口部６に挿入または押圧され、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、コア２１とシール材製コーティング２２とからなり、コア２１は、全体的または部分的にシール材製コーティング２２で被覆され、例えば、コア２１は、金属からなるかまたは金属からなり、シール材製コーティング２２は、例えば、シール材からなるかまたはシール材、例えば、ゴム、好ましくはＥＰＤＭからなり、カソード１０は、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によって縁取られる、
これにより、陽極フレーム８と陰極フレーム１１が陽極フレーム８と陰極フレーム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と陰極フレーム１１が互いに接続される、
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、フレーム４の第１の側およびフレーム５の第２の側が、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、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を縁取る陰極フレーム１１の部分である、段差１２は、好ましくは、固体電解質、例えば膜１３の支持面として平面状の第３の面を形成し、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／陽極３６のＢＰＰ１６は、一方の側で陽極７および陽極フレーム８に載り、他方の側で陰極１０、陰極フレーム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、液体および気体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。
【0064】
発明が解決しようとする課題
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、以下の方法ステップを含む方法である。
ａ）アノードフレーム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の表面を有するフレーム４の第１の側面と、アノードフレーム４’’のフレーム４の第１の側面に対向する側面とを備え、フレーム４の第１の側面およびアノードフレーム４’’のフレーム４の第１の側面に対向する側面は、フレーム４の第１の側面からアノードフレーム４’’のフレーム４の第１の側面に対向する側面まで延び、アノードフレーム８によって縁取られる第１の開口部６を備える、液体および気体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、完全にまたは部分的に、例えばアノードフレーム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．ＩＩ型１５の２つ以上のチャネルが、フレーム４の第１の側の表面に生成され、これらのチャネルは、Ｉ型１４の１つ、２つ以上のチャネルに接続され、Ｉ型１４１４のチャネルまたはチャネルを第１の開口部６に接続し、陽極フレーム８が電気化学セル２またはスタック型装置２３に設置されるとき、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／陽極３６のＢＰＰ側に向かって配置され、陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側とは反対側の表面にはＩＩ型１５のチャネルは生成されない、
ｃ）陽極７とＢＰＰ１６またはＢＰＰ／陽極３６は、ａ）およびｂ）に従って製造された陽極フレーム８に配置または圧入される、
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の表面を有するフレーム５の第２の側面と、カソードフレーム５’’のフレーム５の第２の側面に対向する側面とから構成され、フレーム５の第２の側面およびカソードフレーム５’’のフレーム５の第２の側面に対向する側面は、フレーム５の第２の側面からカソードフレームのフレーム５の第２の側面に対向する側面まで延び、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から構成される、液体および気体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、穴１８を備える。例えば穴１８、
ｅ）ｄ）に従って製造されたカソードフレーム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、例えばカソードフレーム８のためのｄ）に従って製造されたコア２１の表面の少なくとも９０％が、天然ゴムまたは合成ゴムでコーティングされ、次いで加硫され、それによってコア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．ＩＩ型１５の２つまたはそれ以上のチャネルが、フレーム５の第２の側面の表面上に生成され、これらのチャネルは、Ｉ型１４の１つ、２つまたはそれ以上のチャネルに接続され、Ｉ型１４のチャネルまたはチャネルを第２の開口部９に接続し、そして、これらのチャネルは、Ｉ型１４のチャネルまたはチャネルを第２の開口部９に接続する、カソードフレーム１１が電気化学セル２またはスタック型デバイス２３に設置される場合、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／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’’のフレーム５の第２の側とは反対側の表面には、チャネルタイプＩＩ１５が生成されない、
ｆ）ｄ）およびｅ）に従って製造された陰極フレーム１１は、例えば、陰極フレーム１１が陽極フレーム８に差し込まれ、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／陽極３６のＢＰＰがフレーム４の第１の側とフレーム５の第２の側との間に配置され、その後、陰極１０が陰極フレーム１１に挿入または押し込まれることによって、陽極フレーム８に接続される。
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、以下の方法ステップを含む方法である。
ａ）アノードフレーム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の表面を有するフレーム４の第１の側面と、アノードフレーム４’’のフレーム４の第１の側面に対向する側面とを備え、フレーム４の第１の側面およびアノードフレーム４’’のフレーム４の第１の側面に対向する側面は、フレーム４の第１の側面からアノードフレーム４’’のフレーム４の第１の側面に対向する側面まで延び、アノードフレーム８によって縁取られる第１の開口部６を備える、液体および気体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、完全にまたは部分的に、例えばアノードフレーム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．ＩＩ型１５の２つ以上のチャネルが、フレーム４の第１の側の表面に生成され、これらのチャネルは、Ｉ型１４の１つ、２つ以上のチャネルに接続され、Ｉ型１４１４のチャネルまたはチャネルを第１の開口部６に接続し、陽極フレーム８が電気化学セル２またはスタック型装置２３に設置されるとき、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／陽極３６のＢＰＰ側に向かって配置され、陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側とは反対側の表面にはＩＩ型１５のチャネルは生成されない、
ｃ）陽極７とＢＰＰ１６またはＢＰＰ／陽極３６は、ａ）およびｂ）に従って製造された陽極フレーム８に配置または圧入される、
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の表面を有するフレーム５の第２の側面と、カソードフレーム５’’のフレーム５の第２の側面に対向する側面とから構成され、フレーム５の第２の側面およびカソードフレーム５’’のフレーム５の第２の側面に対向する側面は、フレーム５の第２の側面からカソードフレームのフレーム５の第２の側面に対向する側面まで延び、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から構成される、液体および気体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、穴１８を備える。例えば穴１８、
ｅ）ｄ）に従って製造されたカソードフレーム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、例えばカソードフレーム８のためのｄ）に従って製造されたコア２１の表面の少なくとも９０％が、天然ゴムまたは合成ゴムでコーティングされ、次いで加硫され、それによってコア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．ＩＩ型１５の２つまたはそれ以上のチャネルが、フレーム５の第２の側面の表面上に生成され、これらのチャネルは、Ｉ型１４の１つ、２つまたはそれ以上のチャネルに接続され、Ｉ型１４のチャネルまたはチャネルを第２の開口部９に接続し、そして、これらのチャネルは、Ｉ型１４のチャネルまたはチャネルを第２の開口部９に接続する、カソードフレーム１１が電気化学セル２またはスタック型デバイス２３に設置される場合、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／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’’のフレーム５の第２の側とは反対側の表面には、チャネルタイプＩＩ１５が生成されない、
ｆ）ｄ）およびｅ）に従って製造された陰極フレーム１１は、例えば、陰極フレーム１１が陽極フレーム８に差し込まれ、ＢＰＰ１６またはＢＰＰ／陽極３６のＢＰＰがフレーム４の第１の側とフレーム５の第２の側との間に配置され、その後、陰極１０が陰極フレーム１１に挿入または押し込まれることによって、陽極フレーム８に接続される。
【0065】
本発明の主題は、本発明によるフレーム１、本発明による組立済みモジュール２０、電気化学セル２からなる、加圧下で気体および液体を変換または生成するためのスタック型装置２３の製造方法である。本発明の主題は、例えば、高圧液体または高圧ガスの変換または生成のための差圧下での運転のためのスタック型装置２３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個の予備組立モジュール２０と、少なくともｘ＋１個の固体電解質、例えば少なくともｘ＋１個の膜１３とが、交互に１つずつ他方の上に積み重ねられ、予備組立モジュール３のスタックが製造され、予備組立モジュール３のスタックにおいて、１つの予備組立モジュール２０と１つの固体電解質とが、交互に１つずつ他方の上に積み重ねられ、１つの固体電解質、例えば膜１３が、予備組立モジュール３のスタックの上側と下側とに配置される、１つの固体電解質、例えば膜１３が、交互に１つずつ他方の上に積み重ねられ、１つの固体電解質、例えば膜１３が、予備組立モジュール３のスタックの上側および下側に配置され、固体電解質、例えば膜１３が、隣接する２つの予備組立モジュール２０のそれぞれの間に配置され、そしてここで
ｂ）そして、予備組立モジュール３のスタックの一方の側には、単一の陽極７’が、例えば膜１３のような外側固体電解質に平行に配置され、予備組立モジュール３のスタックの他方の側には、単一の陰極１０’が、例えば膜１３のような外側固体電解質に平行に配置される、
ｃ）エンドプレート３３が単一の陽極７’に平行に、かつ単一の陰極１０’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型装置２３が形成される、
ここでｘは整数、≧２である。
ａ）本発明による少なくともｘ個の予備組立モジュール２０と、少なくともｘ＋１個の固体電解質、例えば少なくともｘ＋１個の膜１３とが、交互に１つずつ他方の上に積み重ねられ、予備組立モジュール３のスタックが製造され、予備組立モジュール３のスタックにおいて、１つの予備組立モジュール２０と１つの固体電解質とが、交互に１つずつ他方の上に積み重ねられ、１つの固体電解質、例えば膜１３が、予備組立モジュール３のスタックの上側と下側とに配置される、１つの固体電解質、例えば膜１３が、交互に１つずつ他方の上に積み重ねられ、１つの固体電解質、例えば膜１３が、予備組立モジュール３のスタックの上側および下側に配置され、固体電解質、例えば膜１３が、隣接する２つの予備組立モジュール２０のそれぞれの間に配置され、そしてここで
ｂ）そして、予備組立モジュール３のスタックの一方の側には、単一の陽極７’が、例えば膜１３のような外側固体電解質に平行に配置され、予備組立モジュール３のスタックの他方の側には、単一の陰極１０’が、例えば膜１３のような外側固体電解質に平行に配置される、
ｃ）エンドプレート３３が単一の陽極７’に平行に、かつ単一の陰極１０’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型装置２３が形成される、
ここでｘは整数、≧２である。
【0066】
本発明によるスタック型デバイス２３の製造方法の好ましい実施形態では、１つ以上の、好ましくはｘ＋１個の固体電解質のそれぞれ、例えばスタック型デバイス２３のｘ＋１個の膜１３のそれぞれは、８０μｍ以下の厚さ、好ましくは５０μｍ以下の厚さ、より好ましくは２０μｍ以下の厚さ、例えば１５μｍ以下の厚さを有し、ｘは整数であり、≧２である。
【0067】
本発明の主題は、本発明による１つまたは複数のフレーム１からなる、高圧液体または高圧ガスを変換または生成するための差圧下で動作するスタック型装置２３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からなるスタック型装置２３である。本発明の課題は、本発明による１つまたは複数の電気化学セル２からなるスタック型装置２３である。
【0068】
本発明の主題は、例えば、高圧液体または高圧気体の変換または生成のための差圧下での動作のためのスタック型装置２３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個の固体電解質と、例えばｘ＋１個の膜１３のそれぞれと、単一の陽極７’と、単一の陰極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個の固体電解質は、例えばｘ＋１個の膜１３のように、交互に互いの上に積み重ねられ、予備組立モジュール３のスタックを形成する、スタック型装置２３である、例えばｘ＋１個の膜１３が、交互に１つずつ他方の上に積み重ねられて、組立済みモジュール３のスタックを形成し、組立済みモジュール３のスタックにおいて、各場合において、１つの組立済みモジュール２０とｘ＋１個の膜１３とが、１つずつ他方の上に積み重ねられて、組立済みモジュール３のスタックを形成し、ここで、１つの組立済みモジュール２０と１つの固体電解質、例えば膜１３とが、交互に１つずつ他方の上に積み重ねられて、組立済みモジュール３のスタックを形成する、ここで、１つの固体電解質、例えば膜１３は、予備組立モジュール３のスタックの上側および下側に配置され、１つの固体電解質、例えば膜１３は、２つの隣接する予備組立モジュール２０の間に配置され、１つの陽極７’は、外側の固体電解質に平行に配置される、１つのエンドプレート３３が単一の陽極７’に平行に配置され、１つのエンドプレート３３が単一の陰極１０’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型デバイス２３が形成される、
ここでｘは整数、≧２である。
ここでｘは整数、≧２である。
【0069】
本発明によるスタック型デバイス２３の好ましい実施形態において、１つ以上の、好ましくはｘ＋１個の固体電解質の各々、例えばスタック型デバイス２３のｘ＋１個の膜１３の各々は、８０μｍ以下の厚さ、好ましくは５０μｍ以下の厚さ、特に好ましくは２０μｍ以下の厚さ、例えば１５μｍ以下の厚さを有し、ｘは整数であり、≧２。
【0070】
要件に応じて、スタック型装置２３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、固体電解質、例えば膜１３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、ねじが使用される場合に、エンドプレート３３が短絡することを防止する。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。
【0071】
本発明の別の主題は、高圧液体または高圧ガスを変換または生成するための差圧下で動作するスタック型装置２３であって、本発明によるｘ個の予め組み立てられたモジュール２０と、ｘ＋１個の固体電解質、例えば膜１３と、単一の陽極７、ここで、ｘ個の予備組立モジュール２０およびｘ＋１個の固体電解質、例えば膜１３は、予備組立モジュール３のスタックを形成するように交互に１つずつ他方の上に積み重ねられ、予備組立モジュール３のスタックにおいて、各場合において、１個の予備組立モジュール２０および１個の固体電解質、例えば膜１３が積み重ねられる、固体電解質、例えば膜１３が、予備組立モジュール３のスタックの上側および下側に配置され、各場合において、１つの固体電解質、例えば膜１３が、隣接する２つの予備組立モジュール２０の間に配置される、ここで、予備組立モジュール３のスタックの一方の側には、ハーフセルアノードが外側固体電解質、例えば膜１３と平行に配置され、予備組立モジュール３のスタックの他方の側には、ハーフセルカソードが外側固体電解質、例えば膜１３と平行に配置される、
ここで、エンドプレート３３は、ハーフセルアノードに平行に、ハーフセルカソードに平行に配置され、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、スタック型デバイス２３を形成する、
ここで、ｘは整数であり、≧２である。
ここで、エンドプレート３３は、ハーフセルアノードに平行に、ハーフセルカソードに平行に配置され、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、スタック型デバイス２３を形成する、
ここで、ｘは整数であり、≧２である。
【0072】
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。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。
【0073】
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。
【0074】
好ましい実施形態では、スタック型装置２３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、本発明による多数のｘ個の予め組み立てられたモジュール２０（ｘは整数であり、≧２である）に加えて、本発明によるスタック型デバイス２３は、カソードフレーム１１、固体電解質、例えば膜１３、アノードフレーム８および２つのエンドプレート３３から構成される。好ましくは、本発明によるスタック型装置２３において、最初と最後の電気化学セル２は、その間に位置するものとは異なる。例えば、スタック型デバイス２３を製造するために、固体電解質、例えば膜１３がカソードフレーム１１上に配置され、ｘ個の予め組み立てられたモジュール２０とｘ個の固体電解質、例えば膜１３とが交互に固体電解質、例えば膜１３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の間で圧縮されてスタック型デバイス２３を形成し、ｘは整数で≧２である。
【0075】
スタック型装置２３において、好ましくは、２つのエンドプレート３３のうちの一方は、例えばスタック型装置２３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。スタック型装置２３において、好ましくは、２つのエンドプレート３３の一方は、例えばスタック型装置２３において下部に配置される下部エンドプレート４４である。
【0076】
スタック型装置２３は、好ましくはフローリアクターとして運転される。液体および／または気体がスタック式装置２３に連続的に供給され、液体および／または気体がスタック式装置２３から連続的に排出される。液体は、スタック式装置２３の液体導入用接続口（＝液体接続口）３９から流路Ｉ型１４に分配されなければならない。同時に、液体はＩ型流路１４から液体排出用接続口（＝液体接続口）４０に送られなければならない。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型装置２３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。
【0077】
発明が解決しようとする課題
本発明は、スタック式装置２３の装置用蓋３７である。本発明による蓋３７は、端板３３全体を不必要に厚くすることなく、液体のための空間をできるだけ多く形成する構造を有する。
本発明は、スタック式装置２３の装置用蓋３７である。本発明による蓋３７は、端板３３全体を不必要に厚くすることなく、液体のための空間をできるだけ多く形成する構造を有する。
【0078】
本発明の主題は、スタック型装置２３のための蓋３７であって、端板３３、例えば上側端板３８が、液体の導入のための少なくとも１つの接続部３９と、液体の排出のための少なくとも１つの接続部４０と、少なくとも２つの分配器カバー４１とを備え、液体のための空間を形成するための上側端板３８が、上側端板４２に液体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のそれぞれが、分配器カバー４３に液体の分配のための空間を有する、蓋３７である、スタック型装置２３への液体の導入のための少なくとも１つの分配器カバー４３が、液体の導入のための少なくとも１つの接続部３９と、端部プレート４２の液体分配のための空間とに接続され、スタック型装置２３からの液体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、液体の排出のための少なくとも１つの接続部４０と、端部プレート４２の液体分配のための空間とに接続されている。
【0079】
発明が解決しようとする課題
本発明の目的は、本発明による蓋３７を構成する本発明による積み重ね型装置２３である。本発明の対象は、本発明による蓋３７を構成する本発明によるスタック型装置２３である。
本発明の目的は、本発明による蓋３７を構成する本発明による積み重ね型装置２３である。本発明の対象は、本発明による蓋３７を構成する本発明によるスタック型装置２３である。
【0080】
電気化学セル２の個々のフレーム１およびスタック型装置２３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を十分なボルト力または接触圧で緊張させる必要がある。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のフレーム４の第１の側にシール材２２からなるコーティングの大きな面積を有し、大きな第１の開口部６を有し、すなわち、第１の開口部２７の長い第１の側および場合によっては第１の開口部２８の長い第２の側を有する。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層厚は、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。
【0081】
陽極枠８および／または陰極枠１１のコア２１の表面のうち、シール材２２からなる被膜の層厚が減少していない領域は、主にスタック型装置２３をクランプしたときに圧力を受ける（図１、１０～１５ＭＰａ）。コア２１の表面のシール材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の内側開口部６、第２の内側開口部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。特定の実施形態において、封止材２２からなるコーティングは、封止材２２からなるコーティング２２’’が低減された層厚を有する陽極フレーム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、すなわち、特定の実施形態において、表面のこの領域において、コア２１は封止材２２からなるコーティングで被覆されない。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、圧縮し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、スタック型装置２３のフレーム１を圧縮するのに必要な接触圧力も最大５０％低減される。
【0082】
好ましくは、本発明によるスタック型装置２３は、１０～９５℃、好ましくは４０～８０℃、特に好ましくは６８～７２℃の温度範囲の液体の電気分解に使用される。本発明によるスタック型装置２３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。
【0083】
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。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、工具に一旦転写される。好適な工具は、例えば陽極フレーム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。例えば、ＩＩ型チャンネル１５の配置、直径、長さ、場合によってはその他のパラメータがツールに転送されます。このツールにより、チャンネルＩＩ型１５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にスタンプするように、シーリング２２に転写することができる。工具の助けを借りて、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は、加硫によりシーリング２２で被覆され、同時に、例えばフレーム４の第１面またはフレーム５の第２面上のチャネルＩＩ型１５のような所望の構造がシーリング２２に生成される。フレーム１のこの製造方法では、好ましくはゴム、例えばＥＰＤＭからなるシーリング２２が使用される。この実施形態では、コア２１がシール２２で被覆され、それにより、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の所望の領域にチャネルタイプＩＩ１５を同時に製造することができる。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。例えば、射出成形または３Ｄ印刷などの代替工程が知られている。
【0084】
スタック型装置２３は、好ましくは、固体電解質、例えば膜１３に電圧ピークが生じないように、全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。中圧において、固体電解質、例えば膜１３が陽極７および／または陰極１０の細孔に押し込まれたり、這わされたりするのを防止するために、例えば細孔直径＜０．１ｍｍの陽極７および／または陰極１０が使用される。
【0085】
陽極フレーム８と陰極フレーム１１は、封止部２２と陽極フレーム８、または封止部２２と陰極フレーム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、組立済みモジュール２０を製造するために、陽極７に接続されたＢＰＰ１６、、すなわちＢＰＰ／陽極３６が使用される。例えば、ＢＰＰ１６と陽極７が一つの部品ＢＰＰ／陽極３６として存在するように、ＢＰＰ１６と陽極７が溶接される。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を陽極７またはＢＰＰ／陽極３６の陽極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／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／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を備える。挿入または圧入された陽極７およびＢＰＰ１６またはＢＰＰ／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、陽極フレーム８に接続され得る。その後、陰極１０を陰極フレーム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型装置２３を製造するために、例えばセンタリングピンを介して固体電解質、例えば膜１３と交互に積み重ねることができる。
【0086】
参考標識一覧
フレーム １
電気化学セル 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
陽極フレーム８のフレーム４の第１面と反対側の面 ４’’
フレーム１の第２面 ５
正極フレーム１１のフレーム５の第２面と反対側の面 ５’’
最初のオープニング ６
陽極 ７
シングル陽極 ７’
陽極フレーム ８
セカンド・オープニング ９
陰極 １０
シングルカソード １０’
カソードフレーム １１
ステップ １２
メンブレン １３
チャンネル・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
ペン 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’’
スタック型デバイス 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とアノード７が接続されている（＝ＢＰＰ／アノード） ３６
スタック式装置の蓋２３ ３７
アッパーエンドプレート ３８
液体導入用接続（＝液体接続入力） ３９
液体排出用接続口（＝液体接続口） 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内の液体分配用スペース ４２
ディストリビューターカバー内の液体分配用スペース ４３
下部エンドプレート ４４
フレーム １
電気化学セル 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
陽極フレーム８のフレーム４の第１面と反対側の面 ４’’
フレーム１の第２面 ５
正極フレーム１１のフレーム５の第２面と反対側の面 ５’’
最初のオープニング ６
陽極 ７
シングル陽極 ７’
陽極フレーム ８
セカンド・オープニング ９
陰極 １０
シングルカソード １０’
カソードフレーム １１
ステップ １２
メンブレン １３
チャンネル・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
ペン 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’’
スタック型デバイス 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とアノード７が接続されている（＝ＢＰＰ／アノード） ３６
スタック式装置の蓋２３ ３７
アッパーエンドプレート ３８
液体導入用接続（＝液体接続入力） ３９
液体排出用接続口（＝液体接続口） 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内の液体分配用スペース ４２
ディストリビューターカバー内の液体分配用スペース ４３
下部エンドプレート ４４
【図面の簡単な説明】
【0087】
【図1】当技術分野におけるフレーム１、固体電解質、例えば膜１３、バイポーラプレート（ＢＰＰ）１６、アノード７、フレーム１とアノード７およびフレーム１とカソード１０の間にギャップ１７を有するカソード１０を備えた電気化学セルの古典的構造。ここに示すフレーム１は、水とガスの供給と除去のためのチャンネルＩ型１４から構成されている。
【図2】フレーム１が変形し、フレーム１と陽極７およびフレーム１と陰極１０との間に大きな間隙１７が形成され、フレーム１と陽極７およびフレーム１と陰極１０との間の拡大された間隙１７に固体電解質、例えば膜１３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被覆されたコア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ＩＩ１５の一部から構成されている。
【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’によって縁取られた第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と１０個のチャンネルＩ型１４とを接続する数個のチャンネルＩＩ型１５からなり、各チャンネルＩ型１４は、数個のチャンネルＩＩ型１５によって第２の開口部９に接続されている。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型チャンネル１４と第二の開口部９とを接続するＩＩ型チャンネル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、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、液体および気体の供給および除去のために陰極フレーム１１の２０の流路Ｉ型１４と相互作用できるように配置された２０の流路Ｉ型１４とを備える。アノードフレーム８は、第一面４にＩＩ型チャンネル１５を有し、第一開口部６と１０本のＩ型チャンネル１４を接続している。陽極フレーム４’’のフレーム４の第１の側とは反対側の側には、Ｉ型チャンネル１４と第１の開口部６とを接続するＩＩ型チャンネル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からなる。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】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：陽極７とＢＰＰ１６が接続される（ＢＰＰ／陽極３６）、ｂ）第１ステップ：陽極フレーム８のピン１９がＢＰＰ／陽極３６の穴１８に挿入される、ｃ）第２ステップ：ｄ）第３ステップ：陰極フレーム１１を配置に挿入、ｅ）第４ステップ：陰極１０を第２開口部９に挿入。
【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／アノード３６、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／アノード３６、カソード１０の配置。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。正極フレーム１１のＩＩ型チャンネル１５は、正極フレーム１１の視認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の第二の側におけるそれらの配置は、陰極フレーム５’’のフレームの第二の側とは反対側の側に薄い灰色でマークされている。
【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つの部品が見える：カソードフレーム１１、アノードフレーム８、ＢＰＰ／アノード３６、カソード１０。ＩＩ型チャンネル１５は、すべてＢＰＰ／陽極３６に向かう方向に配置されており、したがって、組立前構成部品２０の内部に配置されているため、組立前構成部品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フレームの第２の側とは反対側の側＝５’’）に薄い灰色で示されている。
【図7b】組立済みモジュール２０の側面図である。陽極フレーム８と陰極フレーム１１が接続されている。陽極７は陽極フレーム８に挿入され、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、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型装置２３の概略構造の一部、すなわち組立済みモジュール３のスタックを示す。この配置は、３つの電気化学セル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液体電解中のガス圧の方向を示す。
【図8a】ステップ１２を備えた電気化学セル２の一部の拡大断面図。矢印は、差圧で固体電解質、例えば膜１３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型チャンネル１５が第２開口部９とＩ型チャンネル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型チャンネル１５が第一開口部６とＩ型チャンネル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型チャンネル１４とＩＩ型チャンネル１５とからなり、ＩＩ型チャンネル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とからなり、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からなり、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からなり、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からなり、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からなる。陽極フレーム８の対向する２つの側面において、５つのＩ型チャンネル１４はそれぞれ８つのＩ型チャンネル１５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型チャンネル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、規定された層厚を有し、この層厚は縁取りされた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’’の周囲のシール効果を高めるための円周方向の高さ２６である。Ｉ型チャンネル１４およびＩＩ型チャンネル１５と第１の開口部６とを囲む負極フレーム８の領域は、規定された層厚でシール材２２からなる被膜で被覆されている。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定義された厚さに比べて、シール材２２からなるコーティングの厚さ２２’’が減少している。
【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ンネルは、高台（＝定義された層厚を有するシール材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はチャネルタイプＩ１４からなり、チャネルタイプＩ１４の一部は丸い形状を有し、チャネルタイプＩ１４の一部は楕円形の形状を有する。楕円形のチャネルＩ型１４は、チャネルＩＩ型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、単一電圧測定を絶縁するためのゴムリップ２５からなる。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（カソード１０なし、固体電解質なし、例えば膜１３なしで示す）の実施形態を示す。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型チャンネル１５が配置され、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】電気化学セル２、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を積み重ねた本発明によるスタック型装置２３を示している。
【図13】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／陽極３６を形成している。
【図14】図１０ｂに示すような陽極フレーム８を有する電気化学セル２内の圧力分布を示す。１０～１５ＭＰａの最も高い圧力は、コア２１が規定された層厚でシール材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。ここから除外されるのは、第１の開口部６とＩ型流路１４とを接続するＩＩ型流路１５と、高台２６とが配置される領域である。この領域では、圧力はわずか１～２ＭＰａである。０．１～０．５ＭＰａのさらに低い圧力は、陽極フレーム８の外縁部における、層厚が規定されたシール材２２からなるコーティングと比較してコア２１がコーティングされた、層厚が低減されたシール材２２からなるコーティング（＝層厚が低減されたシール材２２’’からなるコーティング）が有する領域である。
【図15a】スタック型装置２３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、液体３９の導入用接続部を構成し、もう１つの分配器カバー４１は液体４０の排出用接続部を構成する。
【図15b】分配器カバー４１を取り外したスタック型装置２３の蓋３７を示し、エンドプレート４２内の液体分配用空間と、エンドプレート４２内の液体分配用空間に接続された流路タイプＩ１４とが、エンドプレート３３内に見えるようになっている。
【図15c】スタック型装置２３のための、本発明による蓋３７用の分配器カバー４１を示しており、これにより、分配器カバー４３内の配水スペースが見える。
【図15d】例えば、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、流路タイプＩ１４への移行の領域における異なる流速も示されている。
【図16】チャネルタイプＩ１４およびチャネルタイプＩＩ１５、ならびにシール材２２のコーティング領域および層厚を減らしたシール材２２’’のコーティング領域を配置した陽極フレーム７を示す。流路タイプＩＩ１５は、チャネルタイプＩ１４の一部と第１の開口部６とを接続しており、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３の側に沿って、一定の間隔で配置されており、各チャネルタイプＩＩ１５が液体または気体を第１の開口部６または活性表面の同じ領域に導入するか、または液体および気体を排出するようになっている。
【図17】Ｉ型チャンネル１４とＩＩ型チャンネル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型チャンネル１５は、Ｉ型チャンネル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】