AT528217B1 - Elektrolysemodul und Elektrolyseur - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysemodul (1) zur alkalische Wasserstoffelektrolyse, umfassend eine elektrische Anode (2), eine elektrische Kathode (3) und eine im Wesentlichen ionendurchlässige und elektrisch isolierende Trennschicht (4), die zwischen der Anode (2) und der Kathode (3) angeordnet ist, zwei Stützrahmen (10,10‘), die an ihren Rändern elektrisch isolierend miteinander verbunden sind, wobei die Anode (2) mit dem ersten Stützrahmen (10) verbunden ist, und die Kathode (3) mit dem zweiten Stützrahmen (10‘) verbunden ist, und wobei die Anode (2), die Kathode (3) und die Trennschicht (4) zwischen den beiden Stützrahmen (10, 10‘) angeordnet sind, sodass ein Anodenraum (6) und ein Kathodenraum (7) gebildet werden, und wobei an zumindest einem Stützrahmen (10, 10‘) eine großflächige, im Wesentlichen plane, metallische Bipolarplatte (11) angeordnet ist, wobei im Anodenraum (6) und im Kathodenraum (7) jeweils eine Trägerstruktur (12, 12‘) zur mechanischen Stabilisierung der Bipolarplatte (11) vorgesehen ist, wobei zumindest eine der Trägerstrukturen (12‘) als Drahtgestrick ausgebildet ist, wobei das Drahtgestrick eine metallische pseudoelastische Formgedächtnislegierung umfasst oder daraus besteht.

Description

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Beschreibung

ELEKTROLYSEMODUL UND ELEKTROLYSEUR

[0001] Die Erfindung betrifft ein Elektrolysemodul und einen Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff.

[0002] Die Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse ist im Stand der Technik bekannt. In der Industrie werden dabei besonders das Verfahren der alkalischen Elektrolyse und die Elektrolyse mittels Protonen-Exchange-Membran genutzt. Bekannte alkalische Elektrolyseure sind zumeist Systeme, die unter atmosphärischem Druck bzw. leichtem Überdruck bis 1 bar betrieben werden. Solche Systeme sind oft als zusammengeschaltete Einzelzellen ausgeführt, um so leichteren Transport und Aufbau des Elektrolyseurs zu ermöglichen. Die Zufuhr von Medium, oft eine Kaliumhydroxidlösung (KOH), im Fall eines alkalischen Elektrolyseurs erfolgt hierbei für jede Einzelzelle separat. Auch die Abfuhr von Produkt und überschüssiger KOH erfolgt für jede Einzelzelle separat.

[0003] Alkalische Elektrolyseure können auch als druckbehaftete Systeme ausgeführt sein. Hierbei werden sie in der Regel bei bis zu 30 bar betrieben. Druckbehaftete Elektrolyseure sind oft als integrierte Multizellen Stacks ausgeführt, das heißt, dass die Verteilung der Lauge und die Entnahme des Produkts innerhalb der Zellen erfolgt. Der Nachteil von Systemen, die unter Druck betrieben werden ist, dass sie schwer zu transportieren und zusammenzubauen sind. Derartige Systeme wiegen bis zu 90 Tonnen. Auch erschwert diese Ausführungsform die serienmäßige Fertigung von druckbehafteten Systemen.

[0004] Aus der AT 526232 B1 ist eine Elektrolysezelle bekannt, bei der eine Anode, eine Kathode und eine Trennschicht sowie zwei elektrisch leitende Halbschalen vorgesehen sind, die einen Anodenraum und einen Kathodenraum bilden. Die Halbschalen umfassen an ihren Rändern jeweils einen umlaufenden, massiven metallischen Stützrahmen zur Aufnahme von Druckkräften und fassen jeweils eine großflächige, im Wesentlichen plane, metallische Außenhaut ein. Mehrere Elektrolysezellen werden in Serie geschaltet, sodass die Außenhäute benachbarter Zellen einander berühren. Die Außenhäute sind als metallische Folien mit einer Dicke von unter 0,1 mm ausgebildet. Zur Stützung der Außenhäute sind im Anodenraum und im Kathodenraum elektrisch leitende Trägerstrukturen, vorzugsweise umfassend Metallgitter, angeordnet. Derartige Vorrichtungen sind leichter als herkömmliche Elektrolyseure.

[0005] Aus der DE 102018105115 A1, der CN 113549945 A, der US 2023140700 A1 und der EP 2 898 115 B1 sind Elektrolysemodule mit Stützelementen bekannt. Die KR 20040069212 A beschreibt eine elektrochemische Zelle, wobei eine Struktur der Zelle aus einer Formgedächtnislegierung besteht.

[0006] Ähnliche Elektrolysezellen zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse weisen Halbräume Anodenraum und Kathodenraum - auf, die auf einer Seite durch metallische Bipolarplatten und auf der anderen Seite durch eine Trennschicht begrenzt sind. Im sogenannten „Zero-Gap“-Design stehen sowohl die Trennschicht, als auch die metallischen Bipolarplatten in mechanischem und elektrischem Kontakt über eine elektrisch leitfähige Stützkomponente. Da die Stützkomponente durchlässig für den Elektrolyten sein muss, wird diese oft als Metallgitter oder Nickelschaum ausgeführt.

[0007] Ein Problem dieser und ähnlicher Elektrolysezellen ist jedoch, dass sich die Stützkomponente der Außenhaut bzw. der Bipolarplatte bei mechanischer Belastung, beispielsweise durch Druckunterschiede zwischen Anoden- und Kathodenraum von seriell geschalteten Zellen, irreversibel verformen kann. In Folge dessen liegen beispielweise die Außenhäute nicht mehr plan aneinander an oder die Stützkomponenten liegen nicht mehr an den Bipolarplatten an, sodass der elektrische Kontakt zwischen nebeneinanderliegenden Elektrolysezellen verschlechtert wird. Dieses und andere Probleme bekannter Elektrolysezellen werden durch ein Elektrolysemodul gemäß Anspruch 1 gelöst.

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[0008] Erfindungsgemäß ist ein Elektrolysemodul zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse vorgesehen, das eine elektrische Anode, eine elektrische Kathode und eine im Wesentlichen ionendurchlässige und elektrisch isolierende, vorzugsweise als Membran oder als Diaphragma ausgebildete Trennschicht umfasst, welche zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist.

[0009] Das Elektrolysemodul hat zwei vorzugsweise ringförmige Stützrahmen, die an ihren Rändern elektrisch isolierend miteinander verbunden sind. Die Anode ist mit dem ersten Stützrahmen vorzugsweise elektrisch leitend verbunden, und die Kathode mit dem zweiten Stützrahmen vorzugsweise elektrisch leitend verbunden. Die Anode, die Kathode und die Trennschicht sind zwischen den beiden Stützrahmen angeordnet, sodass ein Anodenraum und ein Kathodenraum gebildet werden. Die umlaufenden Stützrahmen sind zur Aufnahme von Druckkräften ausgebildet und können elektrisch leitend, aber auch isolierend sein.

[0010] An zumindest einem Stützrahmen ist eine großflächige, im Wesentlichen plane, elektrisch leitfähige und vorzugsweise metallische Bipolarplatte angeordnet. Die Bipolarplatte begrenzt den Anodenraum oder den Kathodenraum und kontaktiert die Anode oder die Kathode elektrisch. Gegebenenfalls kann eine erste Bipolarplatte die Anode elektrisch kontaktieren. Gegebenenfalls kann eine zweite Bipolarplatte die Kathode elektrisch kontaktieren. Wenn die Stützrahmen nicht elektrisch leitend sind, können elektrische Kontaktierungen durch die Stützrahmen geführt sein, um die Anode oder die Kathode mit der jeweiligen Bipolarplatte elektrisch leitend zu verbinden.

[0011] Im Anodenraum und im Kathodenraum ist jeweils eine Trägerstruktur zur mechanischen Stabilisierung vorgesehen. Die Trägerstruktur ist vorzugsweise metallisch und elektrisch leitend. Zumindest eine der Trägerstrukturen ist als Drahtgestrick ausgebildet, wobei das Drahtgestrick eine metallische pseudo- oder superelastische Formgedächtnisilegierung umfasst oder daraus besteht.

[0012] Ein erfindungsgemäßes Drahtgestrick aus einer pseudo- oder superelastischen Formgedächtnislegierung hat den Vorteil, dass es starken Belastungen unterzogen werden kann, ohne dass eine permanente plastische Verformung resultiert. Durch die Trägerstruktur in Form eines pseudoelastischen Drahtgestricks werden Verformungen der Bipolarplatte, welche durch Druckunterschiede zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum auftreten können, verringert oder verhindert. Dadurch können Wartungsarbeiten verzögert oder vermieden werden. Zudem bleibt die Andruckkraft der Elektroden auf die Trennschicht bei Druckspitzen in den Zellen gleich, sodass eine konstante elektrochemische Leistung vorhanden ist.

[0013] Die alkalische Wasserstoffelektrolyse kann die Elektrolyse mittels wässriger Kaliumhydroxidlösung (KOH) oder wässriger Natriumhydroxidlösung (NaOH) als Medium umfassen. Als Medium sind somit die Laugen KOH und NaOH, die Gase H2 und O,, sowie Mischungen dieser Substanzen zu verstehen.

[0014] Das Elektrolysemodul ist vorzugsweise als Zero-gap System ausgeführt. Das Zero-gap System erlaubt den direkten Kontakt der Elektroden mit der Trennschicht, wodurch eine höhere Stromdichte (z.B. bis zu 1000 mA/cm?) möglich ist als bei Elektrolysezellen, bei denen die Elektroden weiter voneinander entfernt angeordnet sind. Diese Ausführungsform erlaubt eine kompakte Bauweise und minimiert Überspannungen.

[0015] Die ionendurchlässige Trennschicht ist elektrisch isolierend, damit es nicht zu Kurzschlüssen zwischen den Elektroden kommt. Die Trennschicht ist vorzugsweise 0.05 mm bis 1 mm dick und permeabel. Die Trennschicht kann als permeable Membran oder als Diaphragma ausgebildet sein. Die lonendurchlässigkeit ist durch Lauge, die in die Trennschicht eindringt gegeben. Gas kann aufgrund der Polarität des Materials nicht durch die Trennschicht diffundieren, da die Trennschicht unpolare Verbindungen wie H2 und O2 im Wesentlichen abstößt. OH- - lonen können jedoch durch die Trennschicht diffundieren. Gase können in gelöster Form, aber nicht in gasförmiger Form, solange ein bestimmter treibender Druckgradient nicht überschritten wird, ebenso durch die Trennschicht diffundieren.

[0016] Die Trennschicht kann beispielsweise ein Textilgewebe aus Kunststofffasern mit oder ohne zusätzlicher hydrophiler Beschichtung sein. Ferner kann als Trennschicht auch ein Poly-

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phenylensulfid-gewebe, dass mit einer Mischung aus einem Polymer (z. B. Polysulfon) und Zirconiumoxid (ZrO2) beschichtet ist, vorgesehen sein.

[0017] Die Stützrahmen des Elektrolysemoduls sind miteinander verbunden, wobei die Verbindung vorzugsweise durch Verschrauben der Stützrahmen hergestellt wird. Durch Anlegen einer Gleichspannung von mindestens 1,23 Volt werden im Kathodenraum H2 und OH- und im Anodenraum O>; und H2O gebildet. Da für die anodische Halbreaktion OH- zu O2 und H2O umgesetzt wird, diffundiert OH- durch die Trennschicht in den Anodenraum. Typischerweise herrscht während des Betriebs für ein einzelnes Einzelmodul eine Spannung 1,48 Volt oder mehr zwischen Anode und Kathode.

[0018] Ein erfindungsgemäßes Drahtgestrick kann durch das Verflechten von Drähten zu einer textilähnlichen Struktur geformt sein. Es kann aus Metalldrähten, gegebenenfalls aus verschiedenen Metallen, oder einer Kombination aus Metall mit anderen Materialien wie Kunststoffen, gebildet sein.

[0019] Bei der erfindungsgemäßen pseudoelastischen oder superelastischen Formgedächtnislegierung handelt es sich um einen metallischen Werkstoff, der unter Belastung eine große, reversible elastische Deformation erlaubt. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Formgedächtnislegierung eine Nickel-Titan-Legierung mit einem Nickelanteil von mindestens 48 Gew.% umfasst oder daraus besteht. Vorzugsweise ist der Nickelanteil mindestens 50 Gew.%, besonders bevorzugt mindestens 55 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Nickel-Titan-Legierung.

[0020] Die Nickel-Titan-Legierung kann im Wesentlichen Nickel und Titan umfassen oder daraus bestehen. Die Nickel-Titan-Legierung kann eine bekannte Nitinol-Verbindung umfassen. Es ist allerdings auch möglich, dass die Nickel-Titan-Legierung weitere Metalle wie beispielsweise Palladium umfasst, sodass dass Drahtgestrick eine Nickel- Titan-Palladium Legierung umfasst oder daraus besteht.

[0021] Derartige Legierungen sind unter den Betriebsbedingungen eines erfindungsgemäßen Elektrolysemoduls oder eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs im Wesentlichen korrosionsbeständig.

[0022] Gegebenenfalls weist die Formgedächtnislegierung eine Martensit-Deformationstemperatur auf, die über 80°C, vorzugsweise über 90°C liegt, sodass die Formgedächtnislegierung bei Temperaturen von Raumtemperatur bis zu 80°C, vorzugsweise bis zu 90°C, einsetzbar ist.

[0023] Gegebenenfalls weist die Formgedächtnislegierung eine Austenit-Finish-Temperatur auf, die unter etwa 20°C, vorzugsweise unter etwa 10°C liegt. Die Austenit-Finish-Temperatur ist jene Temperatur, bei der der Austenit-Zustand einer Formgedächtnislegierung im Wesentlichen vollständig ausgebildet ist. Pseudoelastizität bzw. Superelastizität liegt im Wesentlichen im Temperaturbereich zwischen der Austenit-Finish-Temperatur und der Martensit-Deformationstemperatur vor.

[0024] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Formgedächtnislegierung ihr pseudo- bzw. Superelastisches Verhalten in einem Temperaturbereich von etwa 10°C bis etwa 90°C, insbesondere etwa 20°C bis etwa 80°C im Wesentlichen behält. In diesem Temperaturbereich ist die erfindungsgemäße Formgedächtnislegierung im Wesentlichen pseudoelastisch bzw. superelastisch.

[0025] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Drahtgestrick den Anodenraum und/oder den Kathodenraum im Wesentlichen vollständig ausfüllt oder sogar überfüllt.

[0026] Dabei kann ein erstes Drahtgestrick derart im Anodenraum angeordnet sein, dass es die Bipolarplatte, die Anode und gegebenenfalls auch den Stützrahmen kontaktiert. Auch kann ein zweites Drahtgestrick derart im Kathodenraum angeordnet sein, dass es die Bipolarplatte, die Kathode und den Stützrahmen kontaktiert. Diese Ausführungsform kann vorteilhaft sein, da hierdurch dauerhafte Verformungen über die gesamte Fläche, der Elektroden und/oder der Trennschicht verringert oder verhindert werden können.

[0027] Eine Überfüllung bedeutet, dass das Drahtgestrick im entspannten Zustand über den Ano

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denraum oder Kathodenraum hinausragt und erst durch die Bipolarplatte oder ein benachbartes Elektrolysemodul beim Zusammenbau komprimiert wird. Dadurch steht das Drahtgestrick im zusammengebauten Zustand unter einer mechanischen Spannung. Beispielsweise kann das Drahtgestrick im entspannten Zustand um 10%, 20%, oder 50% über den Anodenraum oder den Kathodenraum hinausragen.

[0028] Es kann vorgesehen sein, dass sowohl der Anodenraum, als auch der Kathodenraum ein erfindungsgemäßes Drahtgestrick aufweist. Vorzugsweise ist jedoch in einem der Elektrodenräume eine herkömmliche Trägerstruktur vorgesehen, die als Stützblech, insbesondere Trapezblech, Wellblech oder Fachwerkstruktur ausgebildet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass in einem Elektrodenraum, beispielsweise im Anodenraum, eine herkömmliche Trägerstruktur angeordnet ist und im anderen Elektrodenraum, beispielsweise im Kathodenraum, ein erfindungsgemäßes Drahtgestrick angeordnet ist. Durch das superelastische Drahtgestrick in einem Elektrodenraum können Fertigungstoleranzen der herkömmlichen Trägerstruktur im anderen Elektrodenraum ausgeglichen werden.

[0029] Gegebenenfalls kann das Drahtgestrick stoffschlüssig, vorzugsweise verschweißt, mit dem Stützrahmen verbunden sein. Es können aber auch andere Verbindungsmöglichkeiten vorgesehen sein.

[0030] Gegebenenfalls kann das Drahtgestrick zwei oder mehr metallische Formgedächtnislegierungen umfassen. So kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Drahtgestrick mehrere Formgedächtnislegierungen aufweist, deren pseudoelastische Eigenschaften sich voneinander unterscheiden. Dadurch kann beispielsweise ermöglicht werden, dass das Drahtgestrick in unterschiedlichen Temperaturbereichen sehr gute elastische Eigenschaften aufweist, sodass der Elektrolyseur über einen weiteren Temperaturbereich anwendbar ist.

[0031] Gegebenenfalls kann das Drahtgestrick ein einschichtiges oder mehrschichtiges Flachgestrick, ein Wellgestrick oder ein komprimiertes Gestrick sein. Gegebenenfalls ist das Drahtgestrick einteilig oder mehrteilig ausgebildet.

[0032] Das Drahtgestrick kann eine Maschengröße von 0,2 mm bis 20 mm, vorzugsweise weniger als 10 mm, aufweisen. Der Durchmesser des Drahtes des Drahtgestricks kann vorzugweise 0,1 mm bis 0,4 mm betragen. Ein Wellgestrick kann beispielsweise eine Höhe von 0,5 mm bis 10 mm aufweisen. Ein komprimiertes Gestrick kann eine Porosität von 50% bis 99% aufweisen. Es sind jedoch auch andere Parameter möglich.

[0033] Der Stützrahmen und die Bipolarplatte können stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschweißt, sein. Die Bipolarplatte kann als laugenbeständiges, metallisches Blech mit einer Dicke von etwa 0,8 mm bis etwa 1,2 mm, vorzugsweise etwa 1,0 mm, ausgebildet sein. Die Bipolarplatte kann einen laugenbeständigen Edelstahl, Nickel oder eine Nickel- Legierung umfassen oder daraus bestehen.

[0034] Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass der Stützrahmen um einen Faktor von etwa 20 bis etwa 200 dicker ist als die Bipolarplatte. Die Tiefe des Stützrahmens kann etwa 1 cm bis etwa 20 cm betragen. Dadurch wird ein stabiler Stützrahmen gebildet, der dazu geeignet ist, im Inneren des Elektrolysemoduls herrschende radiale Druckkräfte aufzunehmen.

[0035] Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass der Stützrahmen im Wesentlichen ringförmig und die Bipolarplatte im Wesentlichen kreisförmig ist. Der Stützrahmen kann aber auch die Form eines quadratischen oder rechteckig geformten Rahmens haben. Zur besseren Aufnahme von radialen Druckkräften ist jedoch ein ringförmiger Stützrahmen bevorzugt, vor allem bei größeren Dimensionen.

[0036] Zur elektrischen Isolierung und zur Abdichtung der Stützrahmen ist gegebenenfalls eine umlaufende Kunststoffdichtung vorgesehen. Zur Verbindung der Stützrahmen können vorzugsweise mehrere Schraubverbindungen vorgesehen sein.

[0037] Beispielsweise können die Stützrahmen einen Durchmesser von etwa 1 m bis etwa 3m und eine Dicke von etwa 1 cm bis etwa 3 cm aufweisen, sodass das Elektrolysemodul eine Dicke

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von etwa 2 cm bis etwa 6 cm aufweisen kann. Dadurch kann die Stabilität des Elektrolysemoduls sichergestellt werden, während der Materialaufwand niedrig ist und ein relativ geringes Gewicht von etwa 150 kg bis 250 kg für ein einzelnes Elektrolysemodul mit einer aktiven Fläche von mehreren m? erreichbar ist.

[0038] Gegebenenfalls können die Stützrahmen jeweils zumindest eine Ausnehmung zur Zuleitung und zur Ableitung für ein Elektrolysemedium umfassen.

[0039] Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Elektrolysemodul dazu ausgebildet ist, als Elektrolysemedium eine Kaliumhydroxidlösung bei einer Temperatur im Bereich von 10°C bis 90°C und einem Druck von über etwa 10 bar, vorzugsweise über etwa 30 bar einzusetzen. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, weil hierdurch kein Komprimieren der Produktgase H2 und O2 nach deren Herstellung zur Weiterverwendung notwendig ist.

[0040] Die Anode kann Nickel oder eine Nickellegierung, mit oder ohne Beschichtung umfassen. Die Kathode kann Nickel oder eine Nickellegierung, mit oder ohne Beschichtung umfassen. Die Beschichtungen kann sowohl nicht edie Metalle oder Mineralien, als auch Edelmetalle wie Platin, Ruthenium oder Iridium umfassen. Die Elektroden sind porös, um eine Kontrolle über die Verteilung der Reaktion und den Transport der Stoffe zu ermöglichen.

[0041] Die Erfindung betrifft ferner einen Elektrolyseblock zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfassend mehrere erfindungsgemäße Elektrolysemodule. Die Elektrolysemodule sind derart aneinandergereiht, dass je ein geschlossener Kathodenraum eines ersten Elektrolysemoduls an einen geschlossenen Anodenraum eines zweiten Elektrolysemoduls grenzt und mit einer Bipolarplatte elektrisch leitend verbunden sind. Die Elektrolysemodule können durch Verbindungsmittel, insbesondere Schraubverbindungen, zusammengehalten sein, wobei die Verbindungsmittel gegebenenfalls durch die Stützrahmen verlaufen und diese aneinander pressen. Gegebenenfalls können die Schraubverbindungen dazu ausgebildet sein, die Stützrahmen von mehreren, vorzugsweise bis zu etwa 400, seriell angeordneten Elektrolysemodulen zusammenzuhalten. Eine Verwendung derartiger vorgefertigter Elektrolyseblöcke erleichtert die Errichtung und Handhabung eines Elektrolyseurs, da die Elektrolyseblöcke einzeln transportiert werden können und erst auf der Baustelle zusammengesetzt werden müssen.

[0042] Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfassend mehrere, zwischen einem elektrischen Plus-Pol und einem elektrischen Minus-Pol seriell und vorzugsweise horizontal angeordnete Elektrolysemodule.

[0043] Die Elektrolysemodule sind derart aneinandergereiht, dass je ein geschlossener Kathodenraum eines ersten Elektrolysemoduls an einen geschlossenen Anodenraum eines zweiten Elektrolysemoduls grenzt, und mit einer Bipolarplatte elektrisch leitend verbunden sind.

[0044] Vorzugsweise können etwa 100 bis 200 Elektrolysemodule seriell aneinander geordnet werden, wobei auch bis 400 Elektrolysemodule aneinandergereiht werden können. Zwischen dem elektrischen Plus-Pol und dem elektrischen Minus-Pol wird eine Gleichspannung von etwa 1,5 bis 2,5 Volt je Modul angelegt.

[0045] Der Elektrolyseur kann aber auch zumindest einen, gegebenenfalls mehrere seriell zwischen dem elektrischen Plus-Pol und dem elektrischen Minus-Pol vorzugsweise horizontal aneinandergereihte erfindungsgemäße Elektrolyseblöcke umfassen, wobei jeder Elektrolyseblock eine Vielzahl erfindungsgemäßer Elektrolysemodule aufweist.

[0046] Erfindungsgemäße Elektrolysemodule und Elektrolyseure sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie bei einem Druck von etwa 30 bar und höher, etwa 60 bar, betrieben werden können. In diesem Fall herrscht in jedem Elektrolysemodul ein Druck von etwa 30 bar oder höher.

[0047] Bevorzugt ist ein Elektrolyseur vorgesehen, bei dem die Elektrolysemodule und/oder die Elektrolyseblöcke zwischen zwei Endplatten angeordnet sind, wobei die Endplatten durch vorzugsweise mehrere Zugstangen fest verspannt sind, und wobei zwischen den Endplatten und den Polen Isolierelemente angeordnet sind.

[0048] Die Erfindung wird nun an Hand von nicht-ausschließlichen Ausführungsbeispielen näher

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erläutert. Es zeigen:

[0049] Figur 1a eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektrolysemoduls;

[0050] Figur 1b eine schematische Frontansicht eines erfindungsgemäßen Elektrolysemo-

duls;

[0051] Figur 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektrolyseblocks;

[0052] Figur 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs.

[0053] Figur 1a zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektrolysemoduls 1 zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse. Ein derartiges Elektrolysemodul 1 kann einzeln und somit in serieller Bauweise hergestellt werden. Die verwendeten Materialien und Komponenten sind im Wesentlichen laugebeständig, sauerstoffbeständig sowie wasserstoffbeständig. Auch ist das Elektrolysemodul 1 in Kombination mit angrenzenden Elektrolysemodulen 1 flüssigkeitsdicht und gasdicht ausgeführt.

[0054] Das Elektrolysemodul 1 umfasst eine elektrische Anode 2, an der O2 und H2O gebildet werden, und eine elektrische Kathode 3, an der H2 und OH- gebildet werden. Zwischen den beiden Elektroden ist eine elektrisch isolierende Trennschicht 4 in Form einer Membran oder eines Diaphragmas angeordnet, die ionendurchlässig ist, wodurch OH--lonen durch die Trennschicht 4 diffundieren können und ein geschlossener Stromkreis gebildet werden kann. Die Anode 2, die Trennschicht 4 und die Kathode 3 sind direkt aneinander angeordnet, sodass eine Zero-Gap Anordnung entsteht. Die Anode 2 und die Kathode 3 stehen nicht miteinander in Kontakt.

[0055] Die Trennschicht 4 besteht in dieser Ausführungsform aus einem Polyphenylensulfid-Gewebe, das mit einer Mischung aus Polysulfon und Zirconiumoxid (ZrO2) sowie gegebenenfalls Polytetrafluorethylen und anorganische Zusatzstoffe enthält. Sie kann aber auch ein Textilgewebe aus Kunststofffasern mit oder ohne zusätzlicher (hydrophiler) Beschichtung sein. Sie ist etwa 0,2 mm dick und weist eine Porosität von beispielhaft 55% auf. Die Anode 2 und die Kathode 3 bestehen aus Nickel.

[0056] Das Elektrolysemodul 1 umfasst zwei Stützrahmen, die an ihren Rändern elektrisch isolierend miteinander verschraubt sind. Die Stützrahmen 10,10‘ bestehen aus Nickel oder vernickeltem (Edel-)Stahl und zumindest einer planen Bipolarplatte 11 aus einer Nickellegierung oder vernickeltem (Edel-)Stahl, die in diesem Ausführungsbeispiel miteinander verschweißt sind. Der Stützrahmen 10,10‘ ist ringförmig und die Bipolarplatte 11 kreisförmig. Der Stützrahmen 10,10‘ hat eine Dicke von etwa 1,5 cm und eine Tiefe von etwa 10 cm. Die Bipolarplatte 11 hat eine Dicke von etwa 1,0 mm.

[0057] Der Stützrahmen 10,10‘ und die Bipolarplatte 11 haben einen Durchmesser von etwa 2 m. Das Elektrolysemodul 1 wiegt bei diesen Dimensionen etwa 150 kg bis etwa 250 kg.

[0058] Die Anode 2 kann elektrisch leitend mit dem Stützrahmen 10 verbunden sein, während die Kathode 3 elektrisch leitend mit dem zweiten Stützrahmen 10‘ verbunden sein kann. Die Anode 2 mitsamt erstem Stützrahmen 10 wird durch die Trennschicht 4 von der Kathode 3 samt zweitem Stützrahmen 10‘ getrennt, sodass ein Anodenraum 6 und ein Kathodenraum 7 gebildet werden. Zwischen den beiden Stützrahmen 10, 10° kann außerdem eine elektrisch isolierende Kunststoffdichtung angeordnet sein.

[0059] Im Stützrahmen 10,10‘ sind Ausnehmungen 5 vorgesehen sein, die für die Zuleitungen 8, 8‘ bzw. Ableitungen 9, 9‘ für ein Medium geeignet sind, wobei das zugeleitete Medium in diesem Ausführungsbeispiel eine KOH-Lösung mit einer Konzentration zwischen etwa 10 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%. ist. Das aus dem Anodenraum 6 abgeleitete Medium ist eine Mischung aus O2 und KOH-Lösung. Das aus dem Kathodenraum 7 abgeleitete Medium ist eine Mischung aus H; und KOH-Lösung.

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[0060] In diesem Ausführungsbeispiel ist im Anodenraum 6 eine Trägerstruktur 12 und im Kathodenraum 7 eine Trägerstruktur 12‘ angeordnet, wobei die Trägerstruktur 12‘ im Kathodenraum 7 als Drahtgestrick ausgebildet ist und die Trägerstruktur 12 als Stützblech in Form eines Trapezblechs. Das Drahtgestrick füllt den Kathodenraum 7 im Wesentlichen vollständig aus, sodass es die Bipolarplatte 11 und den jeweiligen Stützrahmen 10, 10‘ sowie die Kathode 3 kontaktiert. Das Drahtgestrick kann den Kathodenraum 7 sogar überfüllen, sodass dieses in einem zusammengebauten Elektrolyseur komprimiert ist und den Elektrodenraum im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Das Drahtgestrick ist mit dem Stützrahmen 10, 10‘ verschweißt.

[0061] Das Drahtgestrick ist aus Drähten, welche eine Nickel-Titan-Legierung umfassen oder daraus bestehen, gebildet. Die Nickel-Titan-Legierung umfasst etwa 55 Gew.% Nickel bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung. Es handelt sich bei der Nickel-Titan-Legierung um eine pseudoelastische Formgedächtnislegierung. Die Drähte haben einen Durchmesser von etwa 0,3 mm. Das Drahtgestrick ist unter Betriebsbedingungen des Elektrolysemoduls 1 oder des Elektrolyseurs im Wesentlichen korrosionsbeständig.

[0062] Das Stützblech ist im Wesentlichen korrosionsbeständig und besteht aus oder umfasst vernickelten (Edel)Stahl.

[0063] Die Nickel-Titan-Legierung ist derart ausgebildet, dass sie sich unter Betriebsbedingungen des Elektrolysemoduls 1 oder des Elektrolyseurs pseudoelastisch bzw. superelastisch verhält. Dadurch können Belastungen und Verformungen der Bipolarplatte des Elektrolysemoduls 1 verringert oder verhindert werden.

[0064] Figur 1b zeigt eine Frontansicht eines erfindungsgemäßen Elektrolysemoduls 1. Die Frontansicht zeigt die Ausnehmungen 5, welche die Zuleitungen 8, 8‘ und Ableitungen 9, 9‘ zeigen, durch die Elektrolysemedium zu- und abgeführt und das Produkt abgeführt wird. Die Ausnehmungen 5 können im Wesentlichen als Bohrungen durch den Stützrahmen vorgesehen sein, wobei die Ausnehmungen 5 bei aneinandergereihten Elektrolysemodulen 1 eine rohrartige Verbindung bilden.

[0065] Der Stützrahmen 10, der den Anodenraum 6 bildet, weist eine Ausnehmung 5 für die Zuleitung 8 und eine Ausnehmung 5 für die Ableitung 9 auf, wobei die Ausnehmung 5 der Zuleitung 8 und der Ableitung 9 jeweils eine Bohrung aufweisen, welche eine Verbindung zwischen dem Anodenraum 6 und der Ausnehmung 5 bildet.

[0066] Der Stützrahmen 10‘, der den Kathodenraum 7 bildet, weist eine Ausnehmung 5 für die Zuleitung 8‘ und eine Ausnehmung 5 für die Ableitung 9‘ auf, wobei die Ausnehmung 5 der Zuleitung 8‘ und der Ableitung 9‘ jeweils eine Bohrung aufweisen, welche eine Verbindung zwischen dem Kathodenraum 7 und der Ausnehmung 5 bildet.

[0067] Figur 2 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektrolyseblocks 13 zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse. Der Elektrolyseblock 13 umfasst mehrere Elektrolysemodule 1 wie in Figur 1 dargestellt. Die Elektrolysemodule 1 sind derart aneinandergereiht, dass je ein geschlossener Kathodenraum 7 und ein geschlossener Anodenraum 6 gebildet werden. Der Anodenraum 6 und der Kathodenraum 7 sind an ihren Außenseiten von einer Bipolarplatte 11 begrenzt, sodass die einzelnen Elektrolysemodule 1 durch je eine einzelne Bipolarplatte 11 voneinander getrennt und elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

[0068] Die Elektrolysemodule 1 sind durch Verbindungsmittel, insbesondere nicht dargestellte Schraubverbindungen zusammengehalten. Im vorliegenden Beispiel sind zwei Schraubverbindungen vorgesehen, es können aber auch mehr als zwei Verbindungsmittel vorgesehen sein. Die Verbindungsmittel verlaufen gänzlich durch die Stützrahmen 10, 10° und pressen diese fest aneinander, sodass sich ein guter elektrischer Kontakt der Elektrolysemodule 1 ergibt.

[0069] Es kann in einer nicht dargestellten Ausführungsform vorgesehen sein, dass auf den beiden Stirnseiten des Elektrolyseblocks 13 elektrisch leitende Adapterplatten mit Ausnehmungen vorgesehen sind, um die Endstücke der Verbindungsmittel, nämlich die Schraubenmuttern, bündig aufzunehmen. Dadurch können mehrere Elektrolyseblöcke 13 seriell und mit gutem elektrischem Kontakt aneinander angeordnet werden.

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[0070] Figur 3 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs. Der Elektrolyseur umfasst etwa 200 zwischen einem elektrischen Plus-Pol 14 und einem elektrischen Minus-Pol 15 seriell angeordnete Elektrolysemodule 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel aus der Figur 1. Die Elektrolysemodule 1 sind derart aneinandergereiht sind, dass je ein geschlossener Kathodenraum 7 und ein geschlossener Anodenraum 6 gebildet werden. Der Anodenraum 6 und der Kathodenraum 7 sind an ihren Außenseiten von einer Bipolarplatte 11 begrenzt, sodass die einzelnen Elektrolysemodule 1 durch je eine einzelne Bipolarplatte 11 voneinander getrennt sind, und elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

[0071] Das Drahtgestrick in den Kathodenräumen 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem zusammengebauten Elektrolyseur komprimiert, sodass es den Kathodenraum im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Kathodenraum 7 und der Anodenraum 6 durch jeweils ein Drahtgestrick ausgefüllt sind.

[0072] Die seriell angeordneten Elektrolysemodule 1 sind zwischen zwei Endplatten 17 eingespannt, wobei zwischen den Endplatten 17 und dem Plus-Pol 14 sowie dem Minus-Pol 15 Isolierelemente 16 angeordnet sind.

[0073] Die Endplatten 17 sind in diesem Ausführungsbeispiel durch nicht dargestellte Zugstangen miteinander verbunden und sind fest miteinander verspannt.

[0074] Ein Elektrolyseur kann alternativ mit zwischen einem elektrischen Plus-Pol 14 und einem elektrischen Minus-Pol 15 seriell und horizontal angeordnete Elektrolyseblöcke 13 ausgebildet sein. Die Außenflächen benachbarter Elektrolyseblöcke 13 sind bündig und elektrisch leitend angeordnet, sodass ein guter und vollflächiger elektrischer Kontakt gewährleistet ist.

[0075] Die Elektrolyseblöcke 13 können zwischen zwei massiven Endplatten 17 angeordnet sein, wobei die Endplatten 17 durch mehrere (nicht dargestellte) Zugstangen fest verspannt sein können. Zwischen den Endplatten 17 und den Polen 14, 15 sind Isolierelemente 16 angeordnet.

[0076] Im Betrieb des Elektrolyseurs wird durch die Zuleitungen 8, 8‘ KOH-Lösung in die Elektrolysemodule 1 eingeführt. Der Druck von bis zu 30 bar und mehr innerhalb der Elektrolysemodule 1 wird durch das geregelte Rückhalten der Produktgase oder durch hydraulische Verdichtung aufgebaut. Der Stützrahmen 10,10‘ ist so ausgebildet, dass er entstehende radiale Druckkräfte aufnimmt. Die Endplatten 17, die mit Zugstangen verspannt sind, nehmen axial auf die Elektrolysemodule 1 wirkende Druckkräfte auf, sodass trotz der dünnen Bipolarplatten 11 der einzelnen Elektrolysemodule 1 ein hoher Druck angelegt werden kann.

[0077] In weiterer Folge wird zwischen dem Plus-Pol 14 und dem Minus-Pol 15 eine Gleichspannung von 1,5 bis 2,5 Volt je Zelle angelegt, wodurch die Elektrolyse initiiert wird. Hierbei wird an der Anode 2 O2 und H2O gebildet, an der Kathode 3 H2 und OH”. Zwischen den beiden Elektroden können OH--lonen durch die Trennschicht 4 vom Kathodenraum 7 in den Anodenraum 6 diffundieren. Die Produktgase H2 und O2 können durch Ableitungen 9, 9‘, die im oberen Bereich der Stützrahmen 10, 10‘ vorgesehen sind, aus den einzelnen Elektrolysemodulen 1 in Drucksammelleitungen eingebracht werden und Separatoren für die Trennung der Lauge und H; bzw. O2 zugeführt werden.

[0078] Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Vorrichtungen und Verfahren im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche.

A ‚hes AT 528 217 B1 2025-11-15

Ss N

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Elektrolysemodul 2 Anode

3 Kathode

4 Trennschicht

5 Ausnehmung

6 Anodenraum

7 Kathodenraum 8, 8‘ Zuleitung

9, 9‘ Ableitung

10,10° Stützrahmen

11 Bipolarplatte

12, 12°‘ Trägerstruktur 13 Elektrolyseblock 14 Plus-Pol

15 Minus-Pol

16 Isolierelement 17 Endplatten

Claims (14)

A ‚hes AT 528 217 B1 2025-11-15 Ss N Patentansprüche

1. Elektrolysemodul (1) zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfassend:

- eine elektrische Anode (2), eine elektrische Kathode (3) und eine im Wesentlichen ionendurchlässige und elektrisch isolierende Trennschicht (4), die zwischen der Anode (2) und der Kathode (3) angeordnet ist,

- zwei vorzugsweise ringförmige Stützrahmen (10,10°, die an ihren Rändern elektrisch isolierend miteinander verbunden sind,

- wobei die Anode (2) mit dem ersten Stützrahmen (10) vorzugsweise elektrisch leitend verbunden ist, und die Kathode (3) mit dem zweiten Stützrahmen (10°) vorzugsweise elektrisch leitend verbunden ist, und

- wobei die Anode (2), die Kathode (3) und die Trennschicht (4) zwischen den beiden Stützrahmen (10, 10°) angeordnet sind, sodass ein Anodenraum (6) und ein Kathodenraum (7) gebildet werden, und

- wobei an zumindest einem Stützrahmen (10, 10°) eine großflächige, im Wesentlichen plane, elektrisch leitfähige Bipolarplatte (11) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- Im Anodenraum (6) und im Kathodenraum (7) jeweils eine Trägerstruktur (12, 12°) vorgesehen ist, wobei

- zumindest eine der Trägerstrukturen (12°) als ein Drahtgestrick ausgebildet ist, das eine metallische pseudoelastische Formgedächtnislegierung umfasst oder daraus besteht.

2. Elektrolysemodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung eine Nickel-Titan-Legierung mit einem Nickelanteil von mindestens 48 Gew.%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.%,, besonders bevorzugt mindestens 55 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Nickel-Titan-Legierung umfasst oder daraus besteht.

3. Elektrolysemodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung eine Martensit-Deformationstemperatur von über 80°C, vorzugsweise über 90°C aufweist.

4. Elektrolysemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung eine Austenit-Finish-Temperatur aufweist, die unter etwa 20°C, vorzugsweise unter etwa 10°C liegt.

5. Elektrolysemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung in einem Temperaturbereich von etwa 20°C bis etwa 80°C, vorzugsweise etwa 10°C bis etwa 90°C, im Wesentlichen pseudoelastisch ist.

6. Elektrolysemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtgestrick den Anodenraum (6) und/oder den Kathodenraum (7) im Wesentlichen vollständig ausfüllt und gegebenenfalls überfüllt, wobei das Drahtgestrick derart im Anodenraum (6) und/oder im Kathodenraum (7) angeordnet ist, dass es die Bipolarplatte (11), die Anode (2) und/oder die Kathode (3) sowie gegebenenfalls auch den jeweiligen Stützrahmen (10, 10°) kontaktiert.

7. Elektrolysemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Trägerstruktur (12) als Stützblech, insbesondere als Trapezblech oder Wellblech, oder als Fachwerkstruktur ausgebildet ist.

8. Elektrolysemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtgestrick zwei oder mehr metallische Formgedächtnislegierungen umfasst, die sich in ihren pseudoelastischen Eigenschaften unterscheiden.

9. Elektrolysemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtgestrick ein einschichtiges oder mehrschichtiges Flachgestrick, ein Wellgestrick oder ein komprimiertes Gestrick ist.

10 / 15

A ‚hes AT 528 217 B1 2025-11-15

Ss N

10. Elektrolysemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrahmen (10, 10°) jeweils mehrere Ausnehmungen (5) für Zuleitungen (8, 8‘) und für Ableitungen (9, 9°) eines Elektrolysemediums aufweisen.

11. Elektrolyseblock (13) zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfassend mehrere Elektrolysemodule (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Elektrolysemodule (1) derart aneinandergereiht sind, dass je ein geschlossener Kathodenraum (7) eines ersten ElektroIysemoduls (1) an einen geschlossenen Anodenraum (6) eines zweiten Elektrolysemoduls (1) grenzt und mit einer Bipolarplatte (11) elektrisch leitend verbunden sind.

12. Elektrolyseur zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfassend mehrere, zwischen einem elektrischen Plus-Pol (14) und einem elektrischen Minus-Pol (15) seriell und vorzugsweise horizontal angeordnete Elektrolysemodule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Elektrolysemodule (1) derart aneinandergereiht sind, dass je ein geschlossener Kathodenraum (7) eines ersten Elektrolysemoduls (1) an einen geschlossenen Anodenraum (6) eines zweiten Elektrolysemoduls (1) grenzt und mit einer Bipolarplatte (11) elektrisch leitend verbunden sind.

13. Elektrolyseur zur alkalischen Wasserstoffelektrolyse, umfassend zumindest einen, gegebenenfalls mehrere seriell zwischen einem elektrischen Plus-Pol (14) und einem elektrischen Minus-Pol (15) vorzugsweise horizontal aneinandergereihte Elektrolyseblöcke (13) nach Anspruch 11.

14. Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysemodule (1) und/oder die Elektrolyseblöcke (13) zwischen zwei Endplatten (17) angeordnet sind, wobei die Endplatten (17) vorzugsweise durch mehrere Zugstangen fest verspannt sind, und wobei zwischen den Endplatten (17) und den Polen (14, 15) Isolierelemente (16) angeordnet sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen