DE102020117884A1

DE102020117884A1 - Elektrolysezelle, sowie Elektrolyseur

Info

Publication number: DE102020117884A1
Application number: DE102020117884.0A
Authority: DE
Inventors: Florian Dörrfuß
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2022-01-13
Also published as: WO2022007989A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle (1), umfassend eine Polymerelektrolytmembrane (2), welche eine Anodenseite (A) und eine Kathodenseite (K) voneinander trennt, wobei beiderseits der Polymerelektrolytmembrane (2) jeweils eine Katalysatorschicht (3a, 3b) umfassend jeweils ein Katalysatormaterial sowie eine Fluiddiffusionsschicht (4a, 4b) an die Katalysatorschicht (3a, 3b) angrenzend angeordnet sind. Die Fluiddiffusionsschichten (4a, 4b) sind jeweils angrenzend an eine Elektrode (5a, 5b) angeordnet und über diese elektrisch kontaktiert, wobei mindestens eine der Fluiddiffusionsschichten (4a, 4b) durch einen offenporösen Graphitkörper mit Poren ausgebildet ist, die einen Porendurchmesser im Bereich von 180 bis 220 µm aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektrolyseur (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, umfassend eine Polymerelektrolytmembrane, welche eine Anodenseite und eine Kathodenseite voneinander trennt, wobei beiderseits der Polymerelektrolytmembrane jeweils eine Katalysatorschicht umfassend jeweils ein Katalysatormaterial sowie eine Fluiddiffusionsschicht an die Katalysatorschicht angrenzend angeordnet sind, und wobei die Fluiddiffusionsschichten jeweils angrenzend an eine Elektrode angeordnet und über diese elektrisch kontaktiert sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser.
Elektrolysezellen der eingangs genannten Art sind hinreichend bekannt. So offenbart die DE 10 2018 213 404 A1 eine Elektrolyseeinheit zum Zerlegen von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit wenigstens einer Elektrolysezelle. Die Elektrolysezelle weist einen Kathodenraum und einen Anodenraum auf, wobei der Kathodenraum vom Anodenraum mittels einer Protonenaustauschmembran (PEM) getrennt ist. Die Elektrolysezelle umfasst weiterhin eine Anode und eine Kathode verbunden mit je einer Bipolarplatte mit Strömungskanälen. Die Bipolarplatten grenzen jeweils an eine poröse Trägerstruktur an. Durch diese Trägerstruktur fließt das Edukt Wasser durch die Elektrolysezelle. Die poröse Trägerstruktur grenzt wiederum an eine elektrokatalytische Schicht. Eine elektrokatalytische Schicht ist im Anodenraum angeordnet, eine weitere elektrokatalytische Schicht ist im Kathodenraum angeordnet. Zwischen diesen beiden katalytisch wirkenden Schichten befindet sich die Protonenaustauschmembran, hier umfassend ein sulfoniertes Fluorpolymer, wie Perfluorosulfonsäure.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrisch leitfähige und besonders korrosionsbeständige Fluiddiffusionsschicht bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für eine Elektrolysezelle, umfassend eine Polymerelektrolytmembrane, welche eine Anodenseite und eine Kathodenseite voneinander trennt, wobei beiderseits der Polymerelektrolytmembrane jeweils eine Katalysatorschicht umfassend jeweils ein Katalysatormaterial sowie eine Fluiddiffusionsschicht an die Katalysatorschicht angrenzend angeordnet sind, und wobei die Fluiddiffusionsschichten jeweils angrenzend an eine Elektrode angeordnet und über diese elektrisch kontaktiert sind, dadurch gelöst, dass mindestens eine der Fluiddiffusionsschichten durch einen offenporösen Graphitkörper mit Poren ausgebildet ist, die einen Porendurchmesser im Bereich von 180 bis 220 µm aufweisen.
Eine Fluiddiffusionsschicht aus Graphit weit eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Die Herstellung einer solchen Fluiddiffusionsschicht kann besonders schnell und kostengünstig erfolgen. Die eingestellte offene Porosität ermöglicht eine gute Versorgung der Polymerelektrolytmembrane mit Reaktionsmedien sowie einen ungehinderten Abtransport der Reaktionsprodukte.
Der Graphitkörper ist dabei insbesondere starr ausgebildet. Die Herstellung des Graphitkörpers erfolgt bevorzugt durch Siebdrucken oder durch Schäumen. Dabei hat es sich bewährt, wenn der Graphitkörper plattenförmig ausgebildet ist. Die ermöglicht eine platzsparende Anordnung in einem Elektrolyseur, wo eine Vielzahl an Elektrolysezellen stapelförmig angeordnet werden.
Es hat sich zudem bewährt, wenn der jeweilige Graphitkörper gleichzeitig die Elektrode bildet, also die Funktion der Elektrode übernimmt. Dies spart Platz und Fertigungskosten.
Der Graphitkörper kann alternativ auch durch einen Graphitfilz gebildet sein.
Es hat sich bewährt, wenn die Katalysatorschicht mit der angrenzenden Polymerelektrolytmembrane und/oder dem angrenzenden Graphitkörper unlösbar verbunden ist. So kann die Katalysatorschicht auf der Polymerelektrolytmembrane aufgebracht sein oder auf der Fluiddiffusionsschicht angeordnet werden. Auch ein fester Verbund von Membrane, Katalysatorschicht und Fluiddiffusionsschicht ist möglich.
Insbesondere bildet der Graphitkörper lediglich auf der Kathodenseite die Fluiddiffusionsschicht. Sofern auf der Anodenseite Spannungen von > 2 Volt auftreten, können diese zu einer Zerstörung des Graphitkörpers führen, so dass in einem solchen Fall von einer Ausbildung der Fluiddiffusionsschicht aus Graphit abzusehen ist.
Sofern die Elektroden nicht einstückig mit der jeweiligen Fluiddiffusionsschicht ausgebildet sind, weisen die Elektroden an ihrer der Fluiddiffusionsschicht zugewandten Seite bevorzugt Strömungskanäle auf, die eine Zufuhr von Reaktionsmedien zur Polymerelektrolytmembrane und eine Abfuhr von Reaktionsprodukten von der Polymerelektrolytmembrane erleichtern.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser, umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle.
Die 1 bis 3 sollen die Erfindung beispielhaft erläutern. So zeigt

1 eine Fluiddiffusionsschicht in Form eines plattenförmigen Graphitkörpers,
2 eine Elektrolysezelle, und
3 schematisch einen Elektrolyseur umfassend mehrere Elektrolysezellen.

1 zeigt einen Fluiddiffusionskörper 4 in Form eines plattenförmigen, starren Graphitkörpers in stark vergrößerter Darstellung, der eine offene Porosität mit Poren mit einem Porendurchmesser im Bereich von 180 bis 220 µm aufweist. Der Graphitkörper ist hier durch Siebdrucken ausgebildet worden.
2 zeigt eine Elektrolysezelle 1 umfassend eine Polymerelektrolytmembrane 2, welche eine Anodenseite A und eine Kathodenseite K voneinander trennt. Beiderseits der Polymerelektrolytmembrane 2 ist jeweils eine Katalysatorschicht 3a, 3b umfassend jeweils ein Katalysatormaterial sowie eine Fluiddiffusionsschicht 4a, 4b an die Katalysatorschicht 3a, 3b angrenzend angeordnet. Die Fluiddiffusionsschichten 4a, 4b sind jeweils angrenzend an eine Elektrode 5a, 5b angeordnet und über diese elektrisch kontaktiert. Die Elektroden 5a, 5b weisen jeweils Strömungskanäle 6a, 6b auf ihren den Fluiddiffusionsschichten 4a, 4b zugewandten Seiten auf, um eine Zufuhr von Reaktionsmedium (Wasser) und eine Abfuhr von Reaktionsprodukten (Wasserstoff, Sauerstoff) zu verbessern. Die Fluiddiffusionsschicht 4a ist hier auf der Kathodenseite K durch den offenporösen Graphitkörper gemäß 1 ausgebildet.
3 zeigt schematisch einen Elektrolyseur 10 zur Elektrolyse von Wasser, umfassend mehrere parallel geschaltete Elektrolysezellen 1, die jeweils einen Aufbau gemäß 2 aufweisen. Den Elektrolysezellen 1 wird elektrische Energie E und Wasser zugeführt. Es wird Wasserstoff und Sauerstoff gebildet und getrennt abgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Elektrolysezelle
2: Polymerelektrolytmembrane
3a, 3b: Katalysatorschicht
4, 4a, 4b: Fluiddiffusionsschicht
5a, 5b: Elektrode
6a, 6b: Strömungskanal
E: elektrische Energie
A: Anodenseite
K: Kathodenseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018213404 A1 [0002]

Claims

Elektrolysezelle (1), umfassend eine Polymerelektrolytmembrane (2), welche eine Anodenseite (A) und eine Kathodenseite (K) voneinander trennt, wobei beiderseits der Polymerelektrolytmembrane (2) jeweils eine Katalysatorschicht (3a, 3b) umfassend jeweils ein Katalysatormaterial sowie eine Fluiddiffusionsschicht (4a, 4b) an die Katalysatorschicht (3a, 3b) angrenzend angeordnet sind, und wobei die Fluiddiffusionsschichten (4a, 4b) jeweils angrenzend an eine Elektrode (5a, 5b) angeordnet und über diese elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Fluiddiffusionsschichten (4a, 4b) durch einen offenporösen Graphitkörper mit Poren ausgebildet ist, die einen Porendurchmesser im Bereich von 180 bis 220 µm aufweisen.
Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitkörper starr ausgebildet ist.
Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitkörper durch Siebdrucken oder durch Schäumen hergestellt ist.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitkörper plattenförmig ausgebildet ist.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Graphitkörper gleichzeitig die Elektrode (5a, 5b) bildet.
Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitkörper durch einen Graphitfilz gebildet ist.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht (3a, 3b) mit der angrenzenden Polymerelektrolytmembrane (2) und/oder dem angrenzenden Graphitkörper unlösbar verbunden ist.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitkörper lediglich auf der Kathodenseite (K) die Fluiddiffusionsschicht (4a) bildet.
Elektrolyseur (10) zur Elektrolyse von Wasser, umfassend mindestens eine Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.