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Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einer Elektrolyseanlage zur Herstellung von Wasserstoff geeignete Elektrolyseplatte. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrolyseplatte.
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Eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff mittels Elektrolyse ist beispielsweise in der
EP 2 507 410 B1 beschrieben. Die beschriebene Elektrolyseanlage soll dazu geeignet sein, mit Wasser betrieben zu werden, welches aus einer Salz-, Brack- oder Süßwasserquelle entnommen wird. Das Wasser wird hierbei einem Trägergasstrom zugeführt, so dass wenigstens ein Teil des Wassers in verdunsteter Form im Trägergasstrom aufgenommen wird. Der auf diese Weise beladene Trägergasstrom wird schließlich einem Elektrolysator zugeführt.
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Verschiedene in den Dokumenten
WO 2019/121947 A1 und
WO 2020/030644 A1 beschriebene elektrochemische Systeme weisen jeweils Anordnungen aus mehreren Separatorplatten auf, durch die Fluidräume begrenzt sind. Bei den beschriebenen elektrochemischen Systemen kann es sich um Brennstoffzellen oder Elektrolysezelle handeln.
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Die
EP 3 725 916 A1 offenbart eine zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Generierung von Wasserstoff vorgesehene Elektrolyseplatte, welche eine Öffnung zur Durchleitung von Gas aufweist, wobei Ränder der Öffnung mit einem elektrisch nicht leitfähigen Material abgedeckt sind.
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Aus der
EP 3 575 442 A1 ist ein bipolares elektrisches Gefäß bekannt, welches zur Herstellung von Wasserstoff vorgesehen ist. Die Anode und/oder Kathode des Gefäßes ist als poröse Elektrode ausgebildet. Bei einer Membran des bipolaren Gefäßes handelt es sich um eine poröse Membran mit anorganischen Bestandteilen. Die Vorrichtung nach der
EP 3 575 442 A1 soll zur alkalischen Elektrolyse geeignet sein.
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Methoden zur Einbindung von Wasserstoffelektrolysesystemen in umfassendere Systeme, in denen ein Energie- und/oder Medienfluss stattfindet, sind zum Beispiel in den Dokumenten
WO 2014/144556 A1 und
DE 20 2011 102 525U1 beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Elektrolyseplatten gegenüber dem Stand der Technik weiter zu entwickeln, wobei Fertigungstechnischen ebenso wie strömungstechnischen Aspekten Rechnungen getragen werden soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine insbesondere für die Wasserstoffelektrolyse geeignete Elektrolyseplatte nach Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrolyseplatte gemäß Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt die Elektrolyseplatte, sowie eine mehrere solcher Platten umfassende Elektrolyseanlage.
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Die Elektrolyseplatte umfasst mindestens ein geprägtes Blech, welches zur Begrenzung eines Strömungskanals ausgebildet ist und einzelne, tropfenförmige Prägeelemente aufweist.
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Die in der Draufsicht auf die Plattenebene tropfenförmigen, das heißt im Wesentlichen stromlinienförmigen Prägeelemente sind rationell durch umformende Verfahren herstellbar und tragen wesentlich zur mechanischen Stabilität der Elektrolyseplatte bei. Dies ist insbesondere bei großtechnischen Elektrolyseanlagen zur Herstellung von Wasserstoff relevant. Ebenso kann die Elektrolyseplatte in einer Brennstoffzelle oder in einer Redox-Flow-Zelle zum Einsatz kommen.
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Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen weist jedes tropfenförmige Prägeelement einen Punkt maximaler Prägetiefe auf, dessen Abstand zum einen Ende des Tropfens mindestens das 1,2-fache und maximal das 2,4-fache des Abstandes zum anderen Ende des Tropfens beträgt. Statt eines punktuellen Bereiches, in welchem die maximale Prägetiefe gegeben ist, kann hierbei auch ein flächiger Bereich, in dem die Prägetiefe durchgehend maximal ist, existieren. In diesem Fall bezieht sich die angegebene Relation zwischen den verschiedenen Abständen auf die in Längsrichtung zu messenden Abstände einerseits zwischen der Spitze des tropfenförmigen Prägeelementes und der breitesten Stelle des Prägeelementes und andererseits zwischen dieser breitesten Stelle und dem hinteren Ende des Prägeelementes. Stellt man sich das Prägeelement als fallenden Tropfen vor, so würde sich das sogenannte hintere Ende des Tropfens oben befinden. Insgesamt ist in jedem Fall ein dreidimensionales, stromlinienförmiges Design der Prägeelemente gegeben. Innerhalb einer Prägestruktur der Elektrolyseplatte können sämtliche Prägeelemente eine einheitliche Form aufweisen. Ebenso sind Ausführungsformen der Elektrolyseplatte realisierbar, in welchen innerhalb der Prägestruktur verschiedene Prägeelemente existieren. Damit ist insbesondere eine gezielte Strömungsleitung an Stellen, an welchen ein Fluid in ein Aktivfeld eingeleitet oder aus diesem ausgeleitet wird, möglich.
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Sofern verschieden geformte Prägeelemente der Elektrolyseplatte existieren, können diese im geometrischen Sinne ähnlich, das heißt bei identischen Abmessungsverhältnissen lediglich skaliert, sein. Ebenso können Prägeelemente ein und derselben Elektrolyseplatte grundsätzlich unterschiedliche Merkmale, insbesondere Längen-BreitenVerhältnisse, aufweisen. In beiden Fällen kann eine Kontur des Prägeelementes, welche von demjenigen Ende, das den geringeren Abstand zum Punkt maximaler Erhebung hat, das heißt vom sogenannten vorderen Ende, ausgeht, beispielsweise eine Parabelform beschreiben. Scharfkantige Strukturen werden in sowohl strömungstechnisch als auch fertigungstechnisch vorteilhaften Ausgestaltungen innerhalb des Prägeelemente ebenso wie an Übergängen zwischen dem Prägeelement und einem das Prägeelement allseitig umgebenden ebenen Bereich der Elektrolyseplatte vermieden.
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Die Prägeelemente können eine Zeilen-Spalten-Anordnung bilden, wobei eine Überlapp zwischen Prägeelementen in zumindest einer Richtung gegeben ist. Insbesondere können sich sowohl die Zeilen, in welchen die Prägeelemente angeordnet sind, überlappen, als die Spalten, welche jeweils durch eine Reihe an Prägeelementen gebildet sind. Auf diese Weise ist eine Prägestruktur bereitstellbar, mit welcher eine Elektrolyseplatte besonders widerstandsfähig gegen Knickbelastungen ist.
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Was die Ausrichtung der einzelnen tropfenförmigen Prägeelemente auf der Elektrolyseplatte betrifft, existieren zahlreiche mögliche Varianten. Im einfachsten Fall sind sämtliche Prägeelemente in derselben Richtung, typischerweise in der gewünschten Strömungsrichtung eines Fluids, ausgerichtet. Ebenso sind Varianten realisierbar, in denen die Prägeelemente spaltenweise in alternierende Richtungen, nämlich in Längsrichtung des Bleches, aus welchem die Elektrolyseplatte gefertigt ist, beziehungsweise in die Gegenrichtung, ausgerichtet sind. Mit dieser Variante ist eine besonders dichte Packung der Prägeelemente auf einer vorgegebenen Fläche erzielbar, was eine besonders große Gesamtoberfläche der Elektrolyseplatte im Vergleich zu ihrer Grundfläche bedeutet. Alternativ können die Prägeelemente gegenüber der Längsrichtung der Elektrolyseplatte schräg gestellt sein. Insbesondere kann durch die Prägeelemente ein Muster mit spaltenweise alternierender Schrägstellung der einzelnen, zumindest geringfügig länglichen Elemente gebildet sein. Besonders mit einem solchen Muster, in welchem die schräg gestellten Prägeelemente einer Spalte reißverschlussartig in die benachbarten Spalten, in welche eine entgegengesetzte Orientierung der Schrägstellung der Prägeelemente gegeben ist, eingreifen, sind ausgeprägte strömungsleitende Effekte erzielbar.
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Gemäß möglicher Weiterbildungen, die mit sämtlichen bereits beschriebenen geometrischen Merkmalen der Elektrolyseplatte kombinierbar sind, ist ein Teil der Prägeelemente als Erhebungen ausgebildet, wogegen, der andere Teil der Prägeelemente als gleichartig geformte Vertiefungen ausgebildet ist. Damit sind auf beiden Seiten der Elektrolyseplatte gleiche strömungstechnische Bedingungen herstellbar. Die zu jeder Seite des Bleches, das heißt beispielsweise Oberseite und Unterseite im Fall einer horizontalen Anordnung, separat zu messende Prägetiefe der Prägeelemente beträgt in typischen Ausgestaltungen mindestens das Dreifache, jedoch nicht mehr als das Zehnfache der auf den nicht geprägten Bereich des Bleches bezogenen Blechdicke. Damit wird zum einen eine in Relation zu den äußeren Abmessungen der Elektrolyseplatte große strukturierte, das heißt geprägte, Oberfläche zur Verfügung gestellt, und zum anderen eine zu starke Reduktion der Materialstärke in den umgeformten Bereichen der Elektrolyseplatte vermieden.
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Innerhalb einer fertiggestellten elektrochemischen Zelle kann sich auf der durch die Prägeelemente gebildeten Prägestruktur der Elektrolyseplatte eine Gasdiffusionsschicht befinden. Trotz der voneinander getrennten Anordnung der einzelnen Prägeelemente liegt die Gasdiffusionsschicht hierbei praktisch flächig auf der Prägestruktur auf, wobei sich durch die Ausgestaltung der Tropfenprofile eine gezielte Strömung in Richtung Gasdiffusionsschicht im gesamten Prägebereich ergibt. Was die auf den Einzelfall abzustimmende Form und Anordnung der Prägeelemente betrifft, spielt unter anderem der Staudruck, auf welchen die elektrochemische Zelle ausgelegt ist, eine Rolle. Mit der Elektrolyseplatte kann insbesondere eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Vorrichtung bereitgestellt werden.
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Die Elektrolyseplatte ist rationell durch Umformung eines Bleches herstellbar, wobei innerhalb des Bleches eine Prägestruktur in Form einzelner, voneinander beabstandeter tropfenförmiger Prägeelemente erzeugt wird. Die Umformung kann insbesondere in einem kontinuierlichen Verfahren, beispielsweise Walzverfahren, erfolgen.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Elektrolyseplatte für die Wasserelektrolyse,
- 2 ein Detail der Elektrolyseplatte nach 1,
- 3 die Elektrolyseplatte nach 1 in einer Schnittdarstellung einschließlich einer Gasdiffusionsschicht,
- 4 eine alternative Ausgestaltung einer Elektrolyseplatte in einer Darstellung analog 2,
- 5 die Elektrolyseplatte nach 4 in einer Schnittdarstellung,
- 6 ein Prägeelement der Elektrolyseplatte nach 4,
- 7 ein Prägeelement der Elektrolyseplatte nach 1,
- 8 eine alternative Anordnung von Prägeelementen einer Prägestruktur einer Elektrolyseplatte,
- 9 eine weitere mögliche Anordnung von Prägeelementen einer Prägestruktur einer Elektrolyseplatte,
- 10 eine Prägestruktur mit erhabenen und vertieften Prägeelementen.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile und Konturen sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die Elektrolyseplatte 1 ist in sämtlichen Ausführungsformen als Profilblech 2 gestaltet, welches einen rahmenförmigen Verbindungsbereich 3 und einen in diesem Bereich 3 liegenden rechteckigen Profilbereich 4 aufweist. Bei dem Profilblech 2 handelt es sich um Stahlblech, welches beschichtet sein kann.
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An der Oberfläche des Profilbereichs 4 strömt ein Medium, insbesondere eine saure oder alkalische wässrige Flüssigkeit, im Wesentlichen in Längsrichtung LR des Profilblechs 2. Die Breite des Profilblechs 2 ist mit B2, die Höhe des Profilblechs 2 mit H2 angegeben. Der Profilbereich 4 weist eine Breite B4 und eine Höhe H4 auf.
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Innerhalb des Verbindungsbereichs 3 befinden sich Öffnungen 6, welche die Durchleitung von Medien ermöglichen, sowie im Vergleich zu den kreisrunden Öffnungen 6 kleinere Bohrungen 5, durch die nicht dargestellte Spannanker gesteckt werden können, um zahlreiche Elektrolyseplatten 1 innerhalb eines Stacks mechanisch miteinander zu verbinden.
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Im Profilbereich 4 ist eine Profilierung in Form eines Prägemusters 8 ausgebildet. Die als Prägemusters 8 gestaltete Profilierung hat zum einen eine strömungstechnische Funktion und erhöht zum anderen im Vergleich zu einer ebenen Platte die mechanische Stabilität der Elektrolyseplatte 1. Das Prägemuster 8 liegt in Form einzelner Prägeelemente 10, 24 vor, welche Zeilen 7 und Spalten 9 bilden. Hierbei ist jede Zeile 7 quer zur Längsrichtung LR des Profilbereichs 4 angeordnet, wogegen die Spalten 9 in Längsrichtung LR ausgerichtet sind. Ein gasförmiges oder flüssiges Medium, welches über den Profilbereich 4 strömt, fließt im Wesentlichen in Längsrichtung LR. In den 2 und 4 entspricht die Längsrichtung LR der x-Richtung.
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Die Prägeelemente 10, 24 sind tropfenförmig gestaltet und tragen maßgeblich dazu bei, dass das fließfähige Medium überwiegend laminar und ohne Kavitation im Aktivfeld, welches durch das Prägemuster 8 profiliert ist, strömt. Eine auf dem Profilblech 2 aufliegender Gasdiffusionsschicht ist mit 11 bezeichnet.
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Die Erstreckung eines jedes Prägeelementes 10, 24 in Längsrichtung LR ist mit B10 angegeben. In Querrichtung hierzu ist eine Erstreckung H10 der Prägeelemente 10, 24 gegeben. Die Prägetiefe der Prägeelemente 10, 24 ist mit H8 angegeben, unabhängig davon, ob es sich um ein erhabenes Prägeelement 10 oder vertieftes Prägeelement 24 handelt. Die Prägetiefe H8 beträgt mindestens das Dreifache der Blechdicke d des Profilblechs 2, wobei die Blechdicke d im mit 14 bezeichneten ebenen Bereich des Blechs 2 zu messen ist.
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Die Prägeelemente 10, 24 weisen eine Stromlinienform auf, welche auch als Tropfenform bezeichnet wird. Die Spitze eines jeden Prägeelementes 10, 24 ist mit 12, das hintere Ende des Prägeelementes 10, 24 mit 13 bezeichnet. Ein von der Spitze 12 ausgehender Frontbereich 21 des Prägeelementes 10, 24 geht in einen Heckbereich 22 über, welcher sich bis zum Ende 13 erstreckt. Ein mit 17 bezeichneter Punkt maximaler Prägetiefe befindet sich an der Grenze zwischen dem Frontbereich 21 und dem Heckbereich 22. Da je nach Ausführungsform eine über eine ausgedehntere Region einheitliche Prägetiefe gegeben sein kann, wird allgemein von einem Bereich 17 maximaler Prägetiefe gesprochen. Die Länge des Frontbereichs 21 ist mit L21, die Länge des Bereichs 22 mit L22 bezeichnet. Die Summe aus den Längen L21, L22 der Bereiche 21, 22 entspricht der Erstreckung B10 des Prägeelementes 10, 24. Die zwischen der Spitze 12 und dem punktuellen Bereich 17 zu messende Länge L21 des Frontbereichs 21 beträgt mindestens 30% und nicht mehr als 45% der gesamten Erstreckung B10 des Prägeelementes 10, 24 in Längsrichtung LR.
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Von der Spitze 12 geht eine Frontkontur 18 aus, welche zumindest abschnittsweise parabelförmig ist oder der Form einer Parabel angenähert ist. Im Heckbereich 22 liegende Flanken 19, die Abschnitte der äußeren Kontur des Prägeelementes 10, 24 darstellen, gehen zum Ende 13 hin in eine gekrümmte Heckkontur 20 über. An jedem Punkt der Heckkontur 20 ist ein endlicher Krümmungsradius gegeben; ein spitzes Auslaufen des Prägeelementes 10, 24 wird in allen Fällen vermieden.
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Durch die Zeilen-Spalten-Anordnung der Prägeelemente 10, 24 sind Überlappbereiche 15 zwischen den Zeilen 7 und Überlappbereiche 16 zwischen den Spalten 9 gegeben. Die Breite der Überlappbereiche 15 ist mit U15, die Breite der Überlappbereiche 16 mit U16 angegeben. In den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 7 sind sämtliche Prägeelemente 10 gleich ausgerichtet.
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Das Ausführungsbeispiel nach 8 unterscheidet sich hiervon dadurch, dass die Prägeelemente 10 in einer ersten Spalte 9 in eine erste Richtung und die Prägeelemente 10 der nächsten Spalte 9 in Gegenrichtung ausgerichtet sind. Es liegt somit eine alternierende Ausrichtung der Prägeelemente 10 in nebeneinander angeordneten Spalten 9 vor. Diese Anordnung der Prägeelemente 10 hat den Vorteil, dass ein besonders großer Anteil des Profilbereichs 4 mit Prägeelementen 10 gefüllt sein kann, das heißt der ebene Bereich 14 innerhalb des Prägemusters 8 minimiert ist. Dies kommt insbesondere der mechanischen Stabilität des Profilblechs 2 zugute, wobei zugleich günstige strömungstechnische Eigenschaften gegeben sind und die Gesamtoberfläche der Elektrolyseplatte 1 maximiert ist, was auch hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften von Vorteil ist.
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Im Ausführungsbeispiel nach 9 sind sämtliche Prägeelemente 10 derart schräg zur Längsrichtung LR gestellt, so dass insgesamt ein Muster 23 mit spaltenweise alternierender Schrägstellung der Prägeelemente 10 gebildet ist. Ein Vorteil dieser Gestaltung liegt insbesondere in einer besonders großen Kontaktfläche zur Gasdiffusionsschicht.
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Das Ausführungsbeispiel nach 10 unterscheidet sich vom Ausführungsbespiel nach 1 dadurch, dass alternierend eine Zeile 7 vorliegt, in welcher die Prägeelemente 10 als Erhebungen gestaltet sind, und eine nächste Zeile 7, in welcher es sich bei den Prägeelementen 24 um Vertiefungen handelt. Die Form der in entgegengesetzte Richtungen aus dem ebenen Bereich 14 herausragenden Prägeelemente 10, 24 ist identisch. Auch im Fall von 10 ist ein Überlapp zwischen benachbarten Zeilen 7 sowie zwischen benachbarten Spalten 9 gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrolyseplatte
- 2
- Profilblech
- 3
- Verbindungsbereich
- 4
- Profilbereich
- 5
- Bohrung
- 6
- Öffnung
- 7
- Zeile
- 8
- Prägemuster
- 9
- Spalte
- 10
- Prägeelement, Erhebung
- 11
- Gasdiffusionsschicht
- 12
- Spitze des Prägeelementes
- 13
- hinteres Ende des Prägeelementes
- 14
- ebener Bereich des Profilbleches
- 15
- Überlappbereich zwischen den Zeilen
- 16
- Überlappbereich zwischen den Spalten
- 17
- Bereich maximaler Prägetiefe
- 18
- parabelförmige Fronkontur
- 19
- Flanke
- 20
- gekrümmte Heckkontur
- 21
- Frontbereich
- 22
- Heckbereich
- 23
- Muster mit schräggestellten Prägeelementen
- 24
- Prägeelement, Vertiefung
- B2
- Breite des Profilblechs
- B4
- Breite des Profilbereichs
- B10
- Erstreckung des Prägeelementes in Längsrichtung
- d
- Blechdicke
- H2
- Höhe des Profilblechs
- H4
- Höhe des Profilbereichs
- H8
- Prägetiefe des Prägemusters
- H10
- Erstreckung des Prägeelementes in Querrichtung
- L21
- Länge des Frontbereichs
- L22
- Länge des Heckbereichs
- LR
- Längsrichtung
- U15
- Breite des Überlappbereichs zwischen den Zeilen
- U16
- Breite des Überlappbereichs zwischen den Spalten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2507410 B1 [0002]
- WO 2019/121947 A1 [0003]
- WO 2020/030644 A1 [0003]
- EP 3725916 A1 [0004]
- EP 3575442 A1 [0005]
- WO 2014/144556 A1 [0006]
- DE 202011102525 U1 [0006]
