DE102021117722A1

DE102021117722A1 - Elektrode

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Publication number: DE102021117722A1
Application number: DE102021117722.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Lange; Martin Forstner
Original assignee: Baumgartner & Lamperstorfer Instr GmbH; Baumgartner & Lamperstorfer Instruments GmbH
Current assignee: Baumgartner & Lamperstorfer Instr GmbH; Baumgartner & Lamperstorfer Instruments GmbH
Priority date: 2021-07-08
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2023-01-12
Also published as: CA3227075A1; KR20240033031A; AU2022308891A1; WO2023280938A2; EP4367296A2; WO2023280938A3

Abstract

Eine hocheffiziente Elektrode, insbesondere, aber nicht ausschließlich, für einen Elektrolyser zur Erzeugung von Wasserstoff, enthält wenigstens eine elektrisch leitfähige Platte, wenigstens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes mit Ausbuchtungen in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Platte und mit Maschennetzdurchlässen für die Strömung eines elektrisch leitfähigen Mediums seitlich durch das Maschennetz sowie eine poröse Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials, die eine Oberfläche der wenigstens einen Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes fern von der leitfähigen Platte beschichtet. Die poröse Schicht ist in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt mit dem Maschennetz und weist eine planare Oberfläche fern von der elektrisch leitfähigen Platte auf. Eine Porengröße der porösen Schicht ist wesentlich kleiner als eine Porengröße der Maschennetzdurchlässe.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode mit allgemeiner Nutzbarkeit und eine Elektrode, die spezifisch für die Verwendung in einem Elektrolyser des Typs, der eine Anionenaustauschmembran verwendet, ausgelegt ist. Elektroden des hier beschriebenen Typs können in Elektrolysern aller Arten, in Brennstoffzellen, in Batterien und in Katalysatoren wie etwa Reformern verwendet werden.
Bekannte Typen von Elektrolysern umfassen häufig einen Stapel, der durch eine Anode, eine oder mehrere Bipolarplatten und eine Katode mit porösen Elektrodenschichten auf Nickelgrundlage, die in Paaren zwischen der Anode und einer ersten Bipolarplatte, zwischen der ersten Bipolarplatte und weiteren Bipolarplatten und zwischen der letzten Bipolarplatte und einer Katode angeordnet sind, gebildet ist. Zwischen jedem Paar poröser Elektrodenschichten sind Anionenaustauschmembranen vorgesehen. Üblicherweise umfassen die porösen Elektrodenschichten zwei oder drei kalandrierte Lagen aus porösem Nickelschaum, wobei die Grö-ßen der Poren in der zu den Platten benachbarten Lage am größten sind und benachbart zu den lonenaustauschmembranen am kleinsten sind.
Im Betrieb wird der Stapel der Platten und Elektroden zusammengedrückt und wird zwischen der Anode und der Katode eine Potentialdifferenz angelegt, während durch Anodenräume, die auf der Anodenseite jeder Membran gebildet sind, Wasser mit einer Zugabe eines leitfähigen Materials wie etwa eines Alkalimetallhydroxids, insbesondere KOH, gepumpt wird. Das zwischen der Anode und der Katode erzeugte elektrische Feld führt dazu, dass die Bipolarplatten gleitende Potentiale annehmen, so dass eine Seite jeder Bipolarplatte als eine Anode und die andere Seite als eine Katode wirkt. Von der porösen Elektrode auf der Anodenseite der Anodenmembran werden Wasser und O₂ und von der Katodenseite der Membranen H₂ und OH extrahiert.
In der Praxis entstehen mit diesem System mehrere Nachteile. Zunächst sind die elektrischen Kontaktwiderstände zwischen den porösen Elektrodenschichten und zwischen den Platten und den benachbarten porösen Schichten schwierig zu steuern, weisen sie eine ungleichmäßige Verteilung auf und führen sie außerdem zu Widerständen, die für die wirtschaftliche Erzeugung von Wasserstoff zu hoch sind. Darüber hinaus ist es schwierig, die Porosität der einzelnen porösen Schichten zu steuern, sodass in dem Stapel eine ungleichmäßige Porositätsverteilung vorhanden ist. Dies ist für die wirtschaftliche Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse ebenfalls nachteilig.
Außerdem erfordern Elektrolyserstapel der beschriebenen Art die Verwendung von sehr reinem, zweimal destilliertem Wasser, wobei die Kosten der Erzeugung von derartigem zweimal destilliertem Wasser sehr hoch sind, was die Kosten der Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse wiederum erheblich erhöht.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Elektrode und eines Elektrodenstapels sowie von Verfahren zum Erzeugen von Elektroden und Elektrodenstapeln, die, während sie in der Elektrolyse, in Brennstoffzellen und in Batterien allgemeine Nutzbarkeit aufweisen, besonders für die wirtschaftliche Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse geeignet sind, die keinen hohen elektrischen Widerstand oder ungleichförmigen elektrischen Widerstand oder ungleichförmige Porosität erleiden und die vorzugsweise nicht die Verwendung von zweimal destilliertem Wasser erfordern.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Elektrode geschaffen, die wenigstens eine elektrisch leitfähige Platte, wenigstens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes mit Ausbuchtungen in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Platte und mit Maschennetzdurchlässen für die Strömung eines elektrisch leitfähigen Mediums seitlich durch das Maschennetz sowie eine poröse Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials, die eine Oberfläche der wenigstens einen Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes fern von der leitfähigen Platte, in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt damit und mit einer planaren Oberfläche fern von der elektrisch leitfähigen Platte beschichtet, enthält, wobei eine Porengröße der porösen Schicht wesentlich kleiner als eine Porengröße der Maschennetzdurchlässe ist.
Zweckmäßig wird eine Elektrode dieser Art, die als eine Anode oder als eine Katode verwendet werden kann, durch ein Verfahren hergestellt, das die folgenden Schritte enthält:

a) Einleiten eines Breis von Partikeln in einem härtbaren und reduzierbaren Bindemittel in eine Form mit einer planaren Grundfläche,
b) Platzieren einer Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes mit Ausbuchtungen auf der ersten Schicht und Beschichten der Ausbuchtungen mit dem Brei,
c) Platzieren einer Metallplatte auf Ausbuchtungen des Maschennetzes fern von dem Brei,
d) teilweises Härten oder vollständiges Härten des Bindemittels vor oder nach dem Schritt c), und
e) Erwärmen der Elektrode in einer reduzierenden Atmosphäre, um das Bindemittel zu entfernen und die Elektrodenanordnung zusammenzusintern.

Für eine Elektrode zur Verwendung in einem Elektrolyser für die Erzeugung von Wasserstoff sind die leitfähige Platte, die wenigstens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes und die elektrisch leitfähigen Partikel, die das Maschennetz beschichten und die in der porösen Schicht vorhanden sind, vorzugsweise alle Nickel, obwohl andere Materialien wie etwa Kupfer, Gold, Kohlenstoff oder Platin betrachtet werden können.
Da die Schicht des elektrisch leitfähigen Maschennetzes auf die zusammengesinterten Metallpartikel und auf die leitfähige Metallplatte in regelmäßig verteilten Ausbuchtungen des Maschennetzes gesintert und somit aufgeschmolzen ist, gibt es zwischen der porösen Schicht und der Platte einen ausgezeichneten und gleichförmigen elektrischen Kontakt und niedrigen Widerstand. Außerdem weist die planare Oberfläche der porösen Schicht, deren Qualität durch die Qualität der planaren Oberfläche der Form bestimmt ist, ausgezeichnete Übereinstimmung und ausgezeichneten Kontakt mit der Anionenaustauschmembran auf. Da die zu der Anionenmembran benachbarte poröse Schicht einen hohen und einen gleichförmigen Grad der Porosität, d. h. eine sehr hohe Anzahl sehr kleiner Poren, typisch in der Größenordnung einer Größe von einem Mikrometer, aufweist, wird die Bewegung der Sauerstoffionen durch die poröse Schicht in die wenigstens eine Schicht des leitfähigen Maschennetzes erleichtert. Die Poren der porösen Schicht sind offene Poren, d. h., sie stehen miteinander in Verbindung, um eine Strömung durch die poröse Schicht zu ermöglichen.
Ein Problem, das bei einem Entwurf der oben erwähnten Art auftreten kann, ist, dass die Schrumpfung der porösen Schicht während des Sinterns eine Rissbildung des leitfähigen Maschennetzes verursachen kann. Falls dies ein Problem ist, sind mehrere Lösungen möglich. Eine ist die Verwendung eines gewebten oder gewirkten Maschennetzes mit Maschenschlaufen, die in der Weise geformt sind, dass sie die Schrumpfung der porösen Schicht erlauben oder aufnehmen. Eine andere Lösung ist die Verwendung nicht nur einer Schicht eines Maschennetzes, sondern vielmehr einer ersten und einer zweiten Schicht. Die Schicht, die zu der porösen Schicht benachbart ist, kann eine verhältnismäßig feine Webart oder Wirkart mit kleinerer Drahtgröße und kleineren Maschennetzdurchlässen sein, die beständiger gegen Rissbildung ist, während die zu ihr und zu der leitfähigen Metallplatte benachbarte Schicht eine gröbere Webart oder Wirkart mit größeren Maschennetzdurchlässen sein kann. In einem derartigen Entwurf sind die erste und die zweite Schicht an ihren Kontaktpunkten zusammengesintert. Wenn das Maschennetz von einer gröberen Wirkart ist, ist die Durchlässigkeit des Maschennetzes für die seitliche Strömung des Elektrolyten höher und gibt es weniger Strömungswiderstand.
Somit umfasst die wenigstens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes in einer derartigen Elektrode eine erste und eine zweite Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes, wobei die erste Schicht mit der porösen Schicht in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt ist und erste Maschennetzdurchlässe aufweist und die zweite Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes zweite Maschennetzdurchlässe, die größer als die ersten Maschennetzdurchlässe sind, aufweist, wobei die zweite Schicht mit der ersten Schicht und mit der elektrisch leitfähigen Platte in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt ist. Das heißt, eine Porengröße der Maschennetzdurchlässe der ersten Schicht des Maschennetzes ist typisch kleiner als eine Porengröße der Maschennetzdurchlässe der zweiten Schicht des Maschennetzes.
Da die erste und die zweite Schicht des Maschennetzes an Punkten, an denen sie in Kontakt miteinander stehen, und an Punkten, an denen Nickelpartikel der porösen Schicht an die ersten Schichten gesintert sind, zusammengesintert sind, gibt es zwischen der ersten und der zweiten Schicht sowie zwischen der leitfähigen Platte und den Partikeln der porösen Schicht darüber hinaus einen guten „aufgeschmolzenen“ elektrischen Kontakt. Das Wort „aufgeschmolzen“, wie es hier verwendet ist, ist so zu verstehen, dass es anstelle eines einfachen physikalischen Kontakts einen kontinuierlichen Metallübergang von einer Komponente der Elektrode zu der nächsten bedeutet.
Somit ist eine Elektrode dieser Art, die an beiden Enden eines Stapels als eine Anode oder als eine Katode verwendet werden kann, zur Verwendung in einem Elektrolyser ideal geeignet.
Darüber hinaus ist es unter Verwendung einer ähnlichen Technik oder Anordnung leicht möglich, auf beiden Seiten einer sogenannten Bipolarplatte weitere Elektroden mit denselben vorteilhaften Eigenschaften zu entwickeln. Der Name „Bipolarplatte“ entsteht daher, dass eine Elektrodenplatte zwischen zwei benachbarten Elektroden für eine Zelle als eine Anode und für die Nachbarzelle als eine Katode wirkt.
Um eine derartige Bipolarplatten- und Elektrodenanordnung zu erzeugen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung zunächst mit einer Elektrode der anfangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung begonnen und wird auf einer Oberfläche der elektrisch leitfähigen Platte, die von der ersten Schicht fern ist, ein elektrischer Kontakt mit Ausbuchtungen einer dritten Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes mit einer Porengröße der Maschennetzdurchlässe und mit einer Durchlässigkeit, die mit jenen der zweiten Schicht vergleichbar sind, bereitgestellt, wobei die dritte Schicht optional mit einer weiteren porösen Schicht entweder direkt oder indirekt über eine vierte Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes mit einer Porengröße der Maschennetzdurchlässe und mit einer Durchlässigkeit, die mit jenen der ersten Schicht vergleichbar sind, in elektrischem Kontakt steht, wobei die weitere poröse Schicht eine planare Oberfläche fern von der elektrisch leitfähigen Platte und eine kleinere Porengröße als eine Porengröße der Maschennetzdurchlässe der dritten Schicht, oder, falls vorgesehen, der vierten Schicht aufweist. Die Poren der weiteren porösen Schicht sind wieder offene Poren, die die Strömung durch die weitere poröse Schicht zulassen.
Somit können die Elektroden auf der Katoden- und auf der Anodenseite jeder Bipolarplatte auf der Katodenseite im Wesentlichen gleich oder einfacher sein, falls keine vierte Schicht des Maschennetzes vorgesehen ist. Da es keine aktiv gepumpte Strömung des Elektrolyten durch die Katodenräume gibt, ist auf der Katodenseite jeder Zelle ein einfacherer Entwurf der Elektrodenkomponenten möglich. Stattdessen sind diese einfach mit Elektrolyt befeuchtet, was völlig ausreichend ist, um zu ermöglichen, dass Ionen, z. B. KOH-Ionen, auf der Katodenseite jeder Bipolarplatte in K-Atome und OH-Ionen aufspalten. Die K-Atome (Kaliumatome) reagieren bei der Katodenplatte und auf der Katodenseite jeder Bipolarplatte mit Wasser in dem Elektrolyten, um Wasserstoff zu erzeugen, der daraufhin seitlich durch den Katodenraum zu einem Auslass entweicht.
Eine Bipolarplatte dieser Art kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren der anfangs genannten Art und das die folgenden weiteren Schritte umfasst hergestellt werden:

g) Wiederholen der Schritte a), b), c) und d),
h) Umdrehen der resultierenden Elektrodenanordnung,
l) Wiederholen der Schritte a) und b),
j) Platzieren der umgedrehten Elektrodenanordnung des Schritts h) auf der Anordnung, die sich aus den wiederholten Schritten a) und b) ergibt, und Ausführen oder Wiederholen der Schritte d) und e).

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das elektrisch leitfähige Maschennetz der ersten und der zweiten und der dritten und der vierten Schicht zu verwirklichen. Zum Beispiel kann irgendeine der Schichten ein gewebtes Drahtmaschennetz, ein gewirktes Drahtmaschennetz und ein Streckmetallgitter sein. In der Theorie kann für die Maschennetze irgendein bekannter Typ einer Webart wie etwa eine Leinwandbindung verwendet werden und können sie auf Wunsch vor dem Einbau in eine Elektrode kalandriert werden, um flache Ausbuchtungen bereitzustellen, die zu einem verbesserten Kontakt mit einer Nachbarplatte, mit einer Nachbarschicht des Maschennetzes und/oder mit einer porösen Schicht eines leitfähigen Mediums führen. Insbesondere für das Maschennetz mit größeren Maschennetzdurchlässen ist eine besonders bevorzugte Webart eine sogenannte fünfbindige Atlasbindung, die von dem Unternehmen GKD Gebr. Kufferadt AG, Metallweberstraße 46, 52323 Düren, Deutschland, unter der Artikelnummer 16370260 verfügbar ist. Diese Webart weist eine Maschennetzbreite von 0,795 mm × 1,064 mm und eine Maschennetzöffnung von 1027 Mikrometern auf. Dafür ist der Drahtdurchmesser sowohl des Schuss- als auch des Kettdrahts 0,900 mm. GKD liefert diese Webart normalerweise unter Verwendung eines rostfreien Stahldrahts, wobei für einen Elektrolyser allerdings ein Nickeldraht bevorzugt ist. Für das feinere Maschennetz, z. B. für die erste Schicht, kann ein quadratisches Maschennetz gemäß DIN ISO 9044 mit einer 2/2-Bindung verwendet werden. Das Maschennetz ist von GKD unter Verwendung eines rostfreien Stahldrahts unter der Bezeichnung 10371575 verfügbar. Anstelle des für die Webart verwendeten rostfreien Stahldrahts, der durch GKD gemäß dieser Artikelnummer geliefert wird, ist es notwendig, für die Kett- und Schussdrähte einen Nickeldraht mit einem Durchmesser von 0,26 mm in einer Webart mit 60 Mesh mit Maschennetzöffnungen von 0,163 mm zu verwenden. Eine andere Alternative für das feinere Maschennetz ist eine quadratische Maschennetzwebart derselben Art (ebenfalls in 60 Mesh von GKD verfügbar), aber mit einer Maschennetzbreite von 0,173 mm, wobei die Kett- und Schussfäden jeweils einen Drahtdurchmesser von 0,25 mm aufweisen. GKD vertreibt diese Struktur in einem Reinnickeldraht als Artikel 10231568.
Die Website von GKD listet eine Vielzahl von Webarten auf, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung potentiell angenommen werden können, und listet Porengrößen für einzelne Webarten auf. Allerdings sind die für die einzelnen Webarten erwähnten Anwendungen hauptsächlich zur Verwendung als Filter und entsprechen die aufgelisteten Porengrößen der Größe von Partikeln, die durch die einzelnen Webarten herausgefiltert werden. Dagegen ist die Porengröße, die für die vorliegende Erfindung von Interesse ist, die Porengröße der einzelnen Webarten für die seitliche Strömung durch das Maschennetz. Die Idee ist hier nicht, die Strömung zu filtern, sondern eine ausreichende Durchlässigkeit für seitliche Strömung zu erzielen. In einer Webart gibt es ausnahmslos zwei aufeinanderfolgende Schussfäden, die sich von gegenüberliegenden Seiten eines Kettfadens, der in der Kettrichtung einen Schussdurchlass mit einem näherungsweise V-förmigen Querschnitt bildet, treffen. Hier wird die maximale Größe einer Kugel, die entlang eines derartigen Schussdurchlasses durchgeht, als die Porengröße der Webart für die seitliche Strömung durch die Webart angesehen. Sie ist allgemein dieselbe oder geringfügig kleiner als die Querschnittsgröße der Kettfäden, die verwendet sind. Ein derartiges Porengrößenkonzept steht in Übereinstimmung mit der Definition, die auf der Website von GKD in Bezug auf durch die Universität Stuttgart erfolgte Arbeit gegeben ist.
Dies bedeutet weder, dass die Schussfäden alle in dem Sinn, dass sie von entgegengesetzten Seiten eines Kettfadens, d. h. von über und unter einem Kettfaden, kommen, abwechselnd sein müssen, noch, dass sich abwechselnde Schussfäden um jeden Kettfaden abwechseln müssen. Zum Beispiel könnten für jede Schusswiederholung zwei oder mehr Schussfäden durch jeden Schussraum zwischen Sätzen von Kettfäden parallel gehen und könnten für jede Kettwiederholung zwei oder mehr Kettfäden durch die Webart parallel verlaufen.
Die gewählte Webart kann aus einem Draht mit kreisförmigem Querschnitt oder aus einem Draht mit abgeflachtem Querschnitt oder aus einem Flachdraht mit einem allgemein rechteckigen Querschnitt hergestellt werden. Derartige Drähte können sowohl für die Schuss- als auch für die Kettfäden oder für beide verwendet werden.
Außerdem können Drähte irgendeiner der obigen Art vorteilhaft in einem gewirkten Stoff verwendet werden, der als das Maschennetz verwendet wird. Als eine Alternative kann wenigstens als eines der elektrisch leitfähigen Maschennetze ein Streckmetallgitter verwendet werden und kann es ebenfalls kalandriert werden, um flache Ausbuchtungen bereitzustellen.
Wie oben angegeben wurde, können durch den Sinterprozess gute elektrische Kontakte zwischen der Platte und den Schichten des elektrisch leitfähigen Maschennetzes und der einen bzw. den mehreren porösen Schichten des elektrisch leitfähigen Mediums erzielt werden.
Außerdem ist es möglich, das Maschennetz oder die Maschennetze, die verwendet werden, und bei Bedarf ebenfalls die leitfähigen Platten während des nachfolgenden Sinterprozesses in einer reduzierenden Atmosphäre mit leitfähigen Partikeln in einem Bindemittel, das verdampft wird, zu beschichten, was zu Sinterverbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten und den Partikeln führt. Die Beschichtung muss, z. B. durch Sprüh- oder Schleuderbeschichtung, in einer Weise ausgeführt werden, dass die Maschennetzdurchlässe nicht übermäßig verdeckt werden. Somit kann in einer Elektrode mit wenigstens einer Schicht eines Maschennetzes die wenigstens eine Schicht des Maschennetzes vorteilhaft mit Sinterpartikeln beschichtet werden. Dies kann beim Sintern der wenigstens einen Schicht an eine benachbarte Schicht und/oder an die leitfähige Platte helfen.
Somit können in einer Elektrode der oben beschriebenen Art die erste und die zweite und, falls vorhanden, die dritte und die vierte Schicht eines gewebten oder gewirkten Drahtmaschennetzes auf Wunsch wenigstens teilweise mit Sintermaterial beschichtet werden.
Darüber hinaus ist es durch Steuern der Partikelgrößenbereiche der bei verschiedenen Komponenten einer Elektrode verwendeten Partikel möglich, die Porosität und die elektrische Leitfähigkeit der einzelnen Schichten zu steuern. Besonders bevorzugt für das auf die Drahtmaschennetze gesinterte Sintermaterial und insbesondere für die eine bzw. die mehreren porösen Schichten sind Partikelgrößen in dem Bereich von 0,1 Mikrometern bis 10 Mikrometer. Wenn für die eine bzw. für die mehreren porösen Schichten derartige Partikelgrößen verwendet werden, weisen die Zwischenräume oder Poren, die sich nach der Reduzierung und Entfernung des Bindemittels und dem Sintern ergeben, Größen von näherungsweise einem Zehntel der Größen der Sinterpartikel, die verwendet werden, auf. Die Poren sind offene Poren. Das heißt, sie stehen miteinander in Verbindung und lassen die Strömung durch die poröse Schicht zu.
In einer Elektrode der oben genannten Art zur Verwendung bei der Elektrolyse von Wasser zum Erzeugen von Wasserstoff umfassen die Platte, die erste und die zweite Schicht des elektrisch leitfähigen Maschennetzes, falls vorhanden die dritte und die vierte elektrisch leitfähige Schicht eines Maschennetzes, und die Schicht oder die Schichten aus leitfähigem Material vorzugsweise alle Nickel. Dieses ist ein ideales Metall für die Elektrolyse von Wasser zum Erzeugen von Wasserstoff.
In einem besonders bevorzugten Entwurf umfasst die poröse Schicht Metallpartikel mit Größen in dem Bereich von <0,1 Mikrometern bis 10 Mikrometer, vorzugsweise von <1 Mikrometern bis <5 Mikrometer und insbesondere in dem Bereich von 1 bis 2 Mikrometern.
Im Gegensatz dazu weisen die Maschennetzdurchlässe der wenigstens einen Schicht des Maschennetzes Porengrößen für die seitliche Strömung durch das Maschennetz in dem Bereich von 20 Mikrometern bis 2 mm, vorzugsweise in dem Bereich von 50 Mikrometern bis 1 mm und insbesondere in der Größenordnung von 100 bis 200 Mikrometern auf.
Falls die erste und die zweite Schicht eines Drahtmaschennetzes verwendet sind, weist die erste Schicht des Maschennetzes, die zu der leitfähigen Platte benachbart ist, vorzugweise Maschennetzdurchlässe mit einer größeren Porengröße für die seitliche Strömung als das Maschennetz, das zu der porösen Schicht benachbart ist, auf, wobei die Poren des Maschennetzes, die zu der porösen Schicht benachbart sind, Porengrößen für die seitliche Strömung durch das Maschennetz in dem Bereich von 10 Mikrometern bis 250 Mikrometer, vorzugsweise in dem Bereich von 50 Mikrometern bis 150 Mikrometer und insbesondere in der Größenordnung von 100 Mikrometern aufweisen.
Die oben beschriebene Elektrode ist besonders nützlich für die Anode jeder Elektrodenzelle. Allerdings kann die oben definierte Struktur leicht ebenfalls auf einer zweiten Seite der anderen Seite einer Bipolarplatte für die Katode einer benachbarten Elektrolysezelle verwendet werden. Es ist nicht wesentlich, dass die für die Katode verwendete Elektrodenstruktur gleich der für die Anode verwendeten ist.
In einem derartigen Entwurf einer Bipolarplatte ist eine Oberfläche der elektrisch leitfähigen Platte fern von der wenigstens einen Schicht zweckmäßig in elektrischem Kontakt mit Ausbuchtungen wenigstens einer weiteren Schicht des elektrisch leitfähigem Maschennetzes mit Maschennetzdurchlässen, wobei die wenigstens eine weitere Schicht des Maschennetzes eine einzelne Schicht oder eine erste und eine zweite Schicht des Maschennetzes ist und die Ausbuchtungen der wenigstens einen weiteren Schicht fern von der elektrisch leitfähigen Platte in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt mit einer porösen Schicht aus elektrisch leitfähigem Material, die eine Oberfläche der wenigstens einen weiteren Schicht fern von der leitfähigen Platte, die in elektrischem Kontakt damit steht und eine planare Oberfläche fern von der elektrisch leitfähigen Platte aufweist, beschichtet, sind.
Zweckmäßig kann irgendeine Schicht des Maschennetzes ein Webdrahtmaschennetz, ein Wirkdrahtmaschennetz oder ein Streckmetallgitter umfassen. Darüber hinaus umfassen für einen Elektrolyser die leitfähige Platte, irgendeine der Schicht des Maschennetzes und die elektrisch leitfähigen Partikel, die die oder jede poröse Schicht bilden, vorzugsweise Nickel oder Kupfer oder Gold oder Kohlenstoff (Kohlenstofffäden) oder Platin.
Vorzugsweise sind alle elektrischen Kontakte zwischen Komponenten der Elektroden gesinterte, d. h. aufgeschmolzene, Kontakte. Dies stellt sicher, dass der elektrische Widerstand der Elektrodenanordnungen minimiert ist.
Wie oben erwähnt wurde, sind die Elektroden gemäß der Erfindung vorzugsweise zu einem Elektrodenstapel kombiniert, der eine erste Elektrode nach Anspruch 1, mehrere Elektroden nach Anspruch 9 und eine weitere Elektrode nach Anspruch 1 umfasst, wobei die Elektroden zum Erzeugen von Paaren gegenüberliegender planarer Oberflächen aus porösem Material angeordnet sind, wobei zwischen jedem Paar gegenüberliegender planarer Oberflächen eine Anionenaustauschmembran angeordnet ist, wobei es hydraulische, pneumatische oder Federmittel gibt, um die Elektroden des Stapels und die dazwischen eingefügten Anionenaustauschmembranen zusammenzudrücken.
In einem derartigen Stapel sind erste Durchlässe zum Zuführen einer leitfähigen Flüssigkeit, die durch Wasser mit einem Alkalimetallhydroxid wie etwa KOH gebildet ist, zu Anodenräumen auf einer Anodenseite jeder Anionenmembran und zweite Durchlässe zum Extrahieren der leitfähigen Flüssigkeit mit Sauerstoff von den Elektroden von den Anodenräumen vorgesehen, wobei es wenigstens einen dritten Strömungsdurchlass zum Extrahieren von Wasserstoff von Katodenräumen auf einer Katodenseite jeder Anionenmembran gibt.
In einem bevorzugten Entwurf sind die leitfähigen Maschennetze der Elektroden und die porösen Schichten des Stapels in der Draufsicht quadratisch oder rechteckig und sind sie innerhalb von isolierenden Haltern angeordnet, die Verteiler für die Anodenräume bilden, wobei es zwischen benachbarten Haltern und den leitfähigen Metallplatten Dichtungen gibt, die die zwischen ihnen angeordneten Halter überlappen.
In einem derartigen Stapel sind die Halter und die leitfähigen Platten in der Draufsicht kreisförmig oder mehreckförmig. Vorzugsweise sind die Membranen quadratisch oder rechteckig, aber geringfügig größer als die Anodenräume der Halter, so dass sie auf rechteckigen oder quadratischen Sitzen sitzen, die die rechteckigen oder quadratischen Öffnungen in den Haltern umgeben und gegen sie abdichten. In der Praxis weisen die Elektroden der Katodenräume dieselbe Größe und Form wie die Anionenaustauschmembranen auf, so dass sie die Anionenaustauschmembranen gegen den Sitz drücken.
Da die Halter in der Draufsicht vorzugsweise kreisförmig oder möglicherweise mehreckig sind, ist es verhältnismäßig leicht, zwischen benachbarten Haltern O-Ring-Dichtungen zu verwenden, wobei eine O-Ring-Dichtung auf einer Seite jedes Halters in Bezug auf den O-Ring auf der anderen Seite desselben Halters radial versetzt ist. Eine derartige Anordnung von O-Ringen ermöglicht, den Stapel relativ zu den elektrisch leitfähigen Platten und gegen Verlust von Elektrolyt effektiv abzudichten. Die Verwendung radial versetzter Dichtungen ermöglicht, eine gute Abdichtung zu erzielen, während die axiale Dicke der Halter und der Elektroden minimiert ist, um einen kompakten und effizienten Elektrolyser zu erzielen. Darüber hinaus ermöglicht der Entwurf ebenfalls, den Grad des Zusammendrückens der einzelnen Elektroden zu steuern sowie gut definierte und abgedichtete Wege für die Strömungen von Elektrolyt und Wasserstoff und Sauerstoff innerhalb des Elektrolysers und aus ihm heraus bereitzustellen.
Die elektrische Verbindung mit dem Stapel kann entweder auf herkömmliche Weise stattfinden, wobei leitfähige Platten an jedem Ende des Stapels mit der Elektrode bzw. der Katode einer (Gleichstrom-)Leistungsversorgung verbunden werden können. Alternativ können die zwei leitfähigen Platten an jedem Ende des Stapels gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung beide mit der Anode oder der Katode der Leistungsversorgung verbunden werden und ist mit der anderen der Anode oder der Katode eine Mittelelektrode des Stapels verbunden. Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass sie externe elektrische Felder, die die elektrische Feldstärke in dem Inneren des Elektrolysers mit den damit einhergehenden Nachteilen verstärken, zum größten Teil beseitigt. Derselbe Vorteil ist ebenfalls auf andere Arten des Stapels wie etwa jene, die in Brennstoffzellen oder Batterien zu finden sind, anwendbar.
Die Erfindung wird nun ausführlicher beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. In den Zeichnungen zeigen:

1 A bis 1 E eine vereinfachte Art der Bildung einer ersten einfachen, aber zweckmäßigen Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung;
2A bis 2M eine Reihe von Entwurfszeichnungen, die die bevorzugte Art der Herstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
3A bis 3E Darstellungen eines Elektrodenhalters gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei 3C bis 3E nicht maßstabsgerecht sind und ihre Größe in der Richtung senkrecht zu 3A und 3B erhöht ist, um die Einzelheit deutlicher zu zeigen; genauer ist:
3A eine Draufsicht der Anodenseite des Halters,
3B eine Draufsicht der Katodenseite des Elektrodenhalters,
3C ein Schnitt des Elektrodenhalters der Schnittebene C-C aus 3B,
3D ein Schnitt des Elektrodenhalters in der Schnittebene D-D aus 3B, und
3E ein Schnitt des Elektrodenhalters in der Schnittebene E-E aus 3B; und
4 eine bevorzugte Ausführungsform der Verbindung des Stapels mit einer elektrischen Gleichstrom-Leistungsversorgung, die durch Solarpanel gebildet ist.

Zunächst übergehend zu 1A ist eine schematische Darstellung einer Form 10 zum Bilden einer Elektrodenanordnung zu sehen. Die Form 10 weist eine Innengrundfläche 12 auf, die planar ist und vorzugsweise zu einer Spiegeloberfläche poliert ist. In 1B ist in die Form 10 eine Schicht 14 eingeführt worden, die einen Brei 14 aus Partikeln 16 in einem Bindemittel 18 umfasst und die Schwingungen und/oder einem Unterdruck ausgesetzt worden ist, um Luftblasen aus dem Brei zu extrahieren und eine homogene Schicht zu erzeugen.
Die Partikel 16 können z. B. Nickelpartikel mit einer Größe in dem Bereich von <0,1 Mikrometern bis 10 Mikrometer sein. Das Bindemittel 18 kann z. B. ein Epoxidharz oder ein Zucker oder ein organisches Polymer sein. Im Prinzip kann irgendein Bindemittel verwendet werden, sofern es ist in der Lage ist, durch Erwärmen und Verdampfung oder durch Reduzieren durch ein reduzierendes Gas wie etwa Wasserstoff gehärtet oder ausgehärtet und entfernt zu werden.
Falls es erforderlich ist, die saubere Trennung der teilweise ausgehärteten oder gehärteten Schicht 14 in einer späteren Phase sicherzustellen, ist es möglich, die Spiegeloberfläche der Innengrundfläche 12 der Form mit einem Trennmittel (nicht gezeigt) zu behandeln oder eine Schicht eines Trennmaterials (ebenfalls nicht gezeigt) wie etwa einen Kunststofffilm aus Polyethylen oder dergleichen oder ein Wachspapier auf der Grundfläche 12 zu platzieren.
Das Bindemittel 18 kann teilweise ausgehärtet oder gehärtet werden, so dass es noch weich ist. Wie in 1C zu sehen ist, wird daraufhin eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes 20 mit unteren Ausbuchtungen 22 in der Weise auf der ersten Schicht 14 platziert, dass die Ausbuchtungen 22 durch den Brei 14 benetzt werden und die Ausbuchtungen 22 mit dem Brei 14 beschichtet werden. Auf Wunsch kann das Maschennetz 20 zuerst gewalzt oder kalandriert werden, um sowohl die unteren Ausbuchtungen 22 als auch die oberen Ausbuchtungen 24 abzuflachen.
Wie in 1D zu sehen ist, wird auf diesen Schritt folgend auf den oberen Ausbuchtungen 24 des Maschennetzes 20 fern von dem Brei eine leitfähige Metallplatte 26 platziert, die die Seitenwände 28 der Form 10 überlappt. Auf Wunsch kann auf die Oberseite der Metallplatte 26 eine nach unten gerichtete Kraft ausgeübt werden, um den Kontakt mit den Seitenwänden 28 und mit dem oberen Ausbuchtungen 24 sicherzustellen. Die Höhe der Seitenwände 28 steuert dann die Dicke der resultierenden Anordnung.
Auf Wunsch kann das Maschennetz 20 vorher mit einem Bindemittel oder mit einem Bindemittel, das Partikel enthält, beschichtet werden, so dass die oberen Ausbuchtungen mit der Metallplatte verbunden werden.
Danach kann das Bindemittel teilweise gehärtet oder vollständig gehärtet werden und, wie in 1D gezeigt ist, aus der Form entnommen werden, um eine erste Elektrodenanordnung 30 herzustellen. In 1E ist die erste Elektrodenanordnung 30 in Bezug auf 1D umgedreht. Außerdem ist die Elektrodenanordnung 30 in 1E in einer reduzierenden Atmosphäre wie etwa Wasserstoffgas in einem Ofen unter Druck vollständig ausgehärtet und gesintert worden, um das Bindemittel zu entfernen und die Komponenten zusammenzusintern. Das heißt, die aus der Schicht des Breis 14 gebildete poröse Schicht 32 (nun eine Sinterschicht von Metallpartikeln), die Schicht des Maschennetzes 20 und die leitfähige Metallplatte 26 sind zu einer fertigen, aufgeschmolzenen ersten Elektrodenanordnung 30 gesintert werden.
Die fertige Anordnung 30 kann eigenständig als eine Anode oder als eine Katode verwendet werden und könnte auf Wunsch ebenfalls mit einem Katalysator beschichtet werden, um einen Abgaskatalysator zu bilden.
Wie in 1 E gezeigt ist, führt das oben beschriebene Verfahren zu einer ersten Elektrode 30, die wenigstens eine elektrisch leitfähige Platte 26, wenigstens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes 20 mit Ausbuchtungen 24 in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Platte 26 und Maschennetzdurchlässe 34 für die Strömung eines elektrisch leitfähigen Mediums seitlich durch das Maschennetz 20 enthält. Außerdem enthält die Elektrode 30 die poröse Schicht 32 aus elektrisch leitfähigem Material, die eine Oberfläche der wenigstens einen Schicht des elektrisch leitfähigen Maschennetzes 20 fern von der leitfähigen Platte 26 in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt damit beschichtet und eine planare Oberfläche fern von der elektrisch leitfähigen Platte 26 aufweist. Eine Porengröße der porösen Schicht 30 ist wesentlich kleiner als eine Porengröße der Maschennetzdurchlässe 34. Es wird angemerkt, dass die Oberfläche der porösen Schicht 32 fern von der leitfähigen Platte nach dem Sintern planar, aber nicht tatsächlich glatt ist. Stattdessen weist sie eine Rauigkeit auf, die durch die Größe der Sinterpartikel und durch die Größen der offenen Poren oder der Zwischenräume zwischen den Partikeln definiert ist. Dies ist tatsächlich sehr vorteilhaft, es vergrößert den Oberflächeninhalt der porösen Schicht in Kontakt mit der Anionenaustauschmembran, was den Anionenaustauschprozess verbessert. Darüber hinaus ist die resultierende Oberflächenrauigkeit fein, aber regelmäßig, was die Leistungsfähigkeit der Zelle verbessert und sicherstellt, dass sie über die volle Fläche der Zelle gleichförmig ist, was die Zellenausgabe maximiert. Außerdem erhöht die Oberflächenrauigkeit effektiv den zugänglichen Oberflächeninhalt der Anionenaustauschmembran, was die Strömung von Anionen durch die Anionenaustauschmembran begünstigt.
Eine Elektrodenanordnung 30, wie sie oben beschrieben ist, kann vollständig zufriedenstellend sein. Allerdings entsteht gelegentlich ein Problem, dass die Schicht des leitfähigen Maschennetzes 20 während des Sinterprozesses reißt oder springt. Wie in dem anhand von 2A bis 2F beschriebenen Verfahren angegeben ist, ist eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, die Verwendung einer ersten und einer zweiten Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes 20, 36. Wie in 2F zu sehen ist, stehen die unteren Ausbuchtungen 22 der ersten Schicht 20 mit der porösen Schicht 32 in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt und weisen sie erste Maschennetzdurchlässe 34 auf, die eine seitliche Strömung durch das Maschennetz 20 zulassen. Die zweite Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes 36 weist untere Ausbuchtungen 40 mit zweiten Maschennetzdurchlässen 38, die größer als die ersten Maschennetzdurchlässe 34 sind, auf. Die zweite Schicht 36 weist obere Ausbuchtungen 42 in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt mit der Metallplatte 26 auf. Auf diese Weise kann die erste Schicht des Maschennetzes 20 durch die Verwendung eines feineren Drahts dünner gemacht werden und ist sie somit feiner als die zweite Schicht 36. Dies verringert die Gefahr des Springens oder Reißens der ersten Schicht 20 erheblich. Die erste und die zweite Schicht des Maschennetzes sind an Punkten, an denen obere Ausbuchtungen 24 der ersten Schicht untere Ausbuchtungen 40 der zweiten Schicht 36 berühren, zusammengesintert.
Anhand von 2A bis 2F wird nun die Art und Weise beschrieben, in der eine Elektrode dieser Art hergestellt wird. In diesen Figuren werden für Komponenten mit derselben oder einer ähnlichen Funktion dieselben Bezugszeichen wie in 1A bis 1 E verwendet, wobei die für Komponenten in 1A bis 1E verwendete Beschreibung, sofern nicht etwas Gegenteiliges angegeben ist, selbstverständlich für die Komponenten der Ausführungsform aus 2A bis 2F anwendbar ist. Diese Übereinkunft betrifft ebenfalls die Beschreibung aller anderen Komponenten der nachfolgenden Figuren für durch gemeinsame Bezugszeichen identifizierte Komponenten. Das heißt, um die weitere Beschreibung zu vereinfachen, sind die Funktion und die Anordnung von durch gemeinsame Bezugszeichen identifizierte Komponenten, sofern nicht etwas Gegenteiliges angegeben ist, selbstverständlich dieselben.
Wie aus 2A bis 2C zu sehen ist, sind die gezeigten Schritte zum größten Teil dieselben wie die Schritte aus 1A bis 1C. Somit ist die Form 10 aus 2A, abgesehen davon, dass die Seitenwände 28 eher höher sind, zum größten Teil gleich der Form 10 aus 1A. 2B zeigt wieder die Schicht des Breis 14, die dieselbe wie die Schicht 14 des Breis aus 1 B ist. 2C zeigt außerdem eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes, das hier mit dem Bezugszeichen 20 identifiziert ist, das untere Ausbuchtungen 22 in Kontakt mit der Schicht 14 aus Brei aufweist. Der einzige Unterschied in Bezug zu 1C ist, dass das Maschennetz 20 eine feinere Webart eines feineren Drahts und weniger dick als die Webart des Maschennetzes 20 aus 1C ist (obwohl dies aus einem Vergleich aus 1 C und 2C nicht sichtbar ist, um eine unnötige Verkomplizierung der Zeichnungen zu vermeiden). Somit weisen die Maschennetzdurchlässe 34 für die seitliche Strömung durch das Maschennetz relativ zu jenen des Maschennetzes 20 in 1C eine kleinere Porengröße auf.
In 2D ist die zweite Schicht des elektrisch leitfähigen Maschennetzes 36 mit wenigstens einigen ihrer unteren Ausbuchtungen 40 in Kontakt mit wenigstens einigen der oberen Ausbuchtungen 24 des leitfähigen Maschennetzes 20 platziert worden. In 2E ist die leitfähige Platte 26 auf den oberen Ausbuchtungen 42 der zweiten Schicht des Maschennetzes 36 platziert. Wenn das Bindemittel ausgehärtet oder vollständig gehärtet ist, kann die Elektrodenanordnung aus 2E aus der Form gelöst und in einem Ofen erwärmt werden, um das Bindemittel zu verdampfen oder zu reduzieren und um die Komponenten zusammenzusintern. Somit werden die oberen Ausbuchtungen 42 der zweiten Schicht des Maschennetzes an die leitfähige Platte 26 gesintert, werden die unteren Ausbuchtungen 40 der zweiten Schicht des Maschennetzes 36 an die oberen Ausbuchtungen 24 der ersten Schicht des Maschennetzes 20 gesintert und werden die unteren Ausbuchtungen der ersten Schicht des Maschennetzes an die poröse Schicht 30 gesintert. Wie in anderen Ausführungsformen werden außerdem die Schuss- und Kettfäden jeder Schicht des gewebten Maschennetzes an ihren Kontaktpunkten zusammengesintert.
Nach Bedarf können die Schüsse und Ketten jeder Schicht des Maschennetzes vor dem Aushärten und Sintern außerdem mit Brei beschichtet werden, so dass leitfähige Metallpartikel an die Maschennetze und außerdem an den Kontaktpunkten an die Metallplatte gesintert werden.
In 2F ist die resultierende erste Elektrodenanordnung 30 gezeigt. Wie nun beschrieben wird, wird die erste Elektrodenanordnung als der Anfangspunkt zum Bilden einer Bipolarplatte mit einer ersten und mit einer zweiten Elektrodenanordnung auf gegenüberliegenden Seiten davon verwendet.
Die Art und Weise, wie dies erfolgt, wird nun anhand von 2G bis 2L weiter erläutert. Zunächst wird die in 2F gezeigte erste Elektrodenanordnung, wie in 2G gezeigt ist, umgedreht. Daraufhin werden die in 2B bis 2D gezeigten Schritte allgemein unter Verwendung einer neuen Form 10, die teilweise größer (oder kleiner) als die vorhergehende Form 10 ist, unter Verwendung einer neuen Schicht aus Brei 14, eines neuen Maschennetzes 20 und eines neuen Maschennetzes 36, wiederholt. Der Punkt der Verwendung einer neuen größeren oder kleineren Form 10 (nicht gezeigt) ist sicherzustellen, dass die für den Anodenraum verwendete Elektrode geringfügig größer als die für den Katodenraum verwendete ist, so dass sie die Anionenaustauschmembran 46 gegen den ausgesparten quadratischen Sitz des Halters 56 drücken kann, der im Folgenden anhand von 3A bis 3E diskutiert wird. Wie in 2K gezeigt ist, wird daraufhin die umgedrehte Elektrodenanordnung aus 2G auf den oberen Ausbuchtungen des zweiten Maschennetzes 36 platziert. Die Seitenwände der Form steuern wieder die Dicke der Elektrodenanordnung unter der Metallplatte 26, die die Bipolarplatte 44 bildet. Nach Aushärten des Bindemittels wird die Elektrodenanordnung, d. h. die Bipolarplatte 44 mit der ersten und mit der zweiten porösen Elektrode 30 auf beiden Seiten, wie oben beschrieben ist, aus der Form entnommen und vollständig ausgehärtet und gesintert, was zu der Bipolarplatte 44 aus 2L führt.
Anstelle der Verwendung der ersten Elektrodenanordnung 30 aus 2F für den Bau der Bipolarplatte könnte die erste Elektrodenanordnung 30 aus 1 E verwendet werden. Darüber hinaus ist es nicht wesentlich, dass in dem Schritt aus 2J ein zweites Maschennetz 36 verwendet wird. Dieser Schritt könnte weggelassen werden. Dies ist ebenfalls der Fall, wenn die erste Elektrodenanordnung 30 aus 2F verwendet wird. Somit ist es nicht wesentlich, dass die Elektrodenstruktur der Anoden- und der Katodenseite der Bipolarplatte gleich ist. Insbesondere, da es eine Strömung eines leitfähigen Mediums oder Elektrolyten durch die Anodenräume gibt, ist hier ein höherer Durchflussquerschnitt für die seitliche Strömung wichtig. In den Anodenräumen gibt es grundsätzlich nur eine seitliche Strömung von Wasserstoffgas, das in der feuchten Umgebung erzeugt wird, so dass dort nur ein kleinerer Durchflussquerschnitt für die seitliche Strömung erforderlich ist.
Im Folgenden wird nun anhand von 2M die Bildung eines Elektrolyserstapels 48 beschrieben.
Beginnend von der Unterseite ist eine erste Metallplatte 50 vorgesehen, die z. B., wie hier gezeigt ist, die Anodenverbindung für den Stapel sein kann. Auf dieser wird eine erste Elektrodenanordnung 30 gemäß 2G (oder eine erste Elektrodenanordnung 30 gemäß 1E - hier nicht gezeigt) platziert und daraufhin wird auf der freiliegenden planaren Oberfläche der porösen Schicht 32 eine Lage einer Anionenaustauschmembran 46 platziert. Nachfolgend wird in Übereinstimmung mit 2L auf der Anionenmembran 46 eine Bipolarplatte 44 mit Elektrodenanordnungen 30 auf ihren gegenüberliegenden Seiten platziert. Daraufhin wird auf der freiliegenden planaren Oberfläche der Elektrodenanordnung auf der Bipolarplatte eine weitere Anionenmembran platziert. Daraufhin wird der unmittelbar oben beschriebene Prozess für irgendeine gewünschte Anzahl von Bipolarplatten gemäß 2L wiederholt. Der Einfachheit halber sind hier nur zwei derartige Bipolarplatten gezeigt.
Danach wird auf der freiliegenden Oberfläche der obersten Elektrode der Bipolarplatte eine letzte Anionenaustauschmembran platziert und wird ferner eine erste Elektrodenanordnung, z. B. gemäß 2F (oder 1E - nicht gezeigt), hinzugefügt. Schließlich wird eine zweite Metallplatte 50, die die Katodenverbindung mit dem Stapel sein kann, hinzugefügt und wird der Stapel durch in Richtung der Pfeile wirkende Kräfte zusammengedrückt. Diese Kräfte können durch Klemmbolzen oder durch Federdruck oder durch mechanischen Druck oder auf andere Weise erzeugt werden.
Somit weist der resultierende Stapel auf gegenüberliegenden Seiten jeder Anionenmembran 46 Anodenräume 52 und Katodenräume 54 auf.
In der Praxis werden die Elektrodenanordnungen des Stapels nicht einfach direkt übereinander angeordnet, sondern stattdessen in Spezialhaltern 56 angeordnet, die nun anhand von 3A bis 3E beschrieben werden. Der Einfachheit halber sind die Elektroden für den Katoden- und für den Anodenraum in 2M mit derselben Größe gezeichnet. Allerdings wird gewürdigt werden, dass die Elektroden in den Anodenräumen 52 tatsächlich geringfügig größer als die Elektroden in den Katodenräumen 54 sind, so dass die Elektroden in den Anodenräumen 52 die Anionenaustauschmembranen 46, die dieselbe Breite und Länge wie die Elektroden für die Anodenräume 52 aufweisen, gegen die quadratischen Sitze 78 drücken können, die in den und um die quadratischen Öffnungen 58 in den Haltern 56 vorgesehen sind.
In einem praktischen Beispiel, das auf keine Weise als eine Beschränkung der Größe der Elektrolysezellen zu nehmen ist, weist die quadratische Öffnung 58 in dem Halter 56 eine Breite und Länge von 160 mm auf, weist der Halter 56 einen Durchmesser von 350 mm auf und weist er eine axiale Tiefe von 6 mm auf, was gleich der Tiefe eines Katodenraums plus der Tiefe eines Anodenraums, die typisch dieselbe wie die Tiefe des Katodenraums, aber nicht notwendig dieselbe ist, ist. Die Dicke der Anionenaustauschmembran ist typisch etwa 100 Mikrometer und kann ignoriert werden, da die porösen Elektrodenanordnungen in dem Anoden- und in dem Katodenraum durch Zusammendrücken der Zellen des Elektrolyserstapels um diesen Betrag zusammengedrückt werden können. Die Breite des ausgesparten Sitzes 78 beträgt auf jeder Seite der quadratischen Öffnung 58 10 mm.
3A zeigt eine Draufsicht der Anodenseite, der A-Seite, der Bipolarplatte. Wie zu sehen ist, weist der Halter 56 eine Kreisform auf und weist er eine quadratische mittige Öffnung 58 auf. Unter der quadratischen Öffnung gibt es eine Zufuhrquerrille 60, die über mehrere kurze Zufuhrdurchlässe 62 mit dem Anodenraum einer Elektrode (nicht gezeigt, die aber in der quadratischen Öffnung 58 auf der größeren Seite, die zu dem quadratischen Sitz 78 benachbart ist, angeordnet wäre) in Verbindung steht. Die unterste Quernut 60 steht mit einem Zufuhrdurchlass 64 für Elektrolyt, der axial durch den Halter 56 geht, in Verbindung. Über der quadratischen Öffnung 58 gibt es eine symmetrisch ausgelegte Anordnung einer Querauslassnut 66, die ebenfalls über kurze Auslassdurchlässe 68 mit dem Anodenraum 52 einer Elektrode in der quadratischen Öffnung 58 in Verbindung steht und die zu einem Auslassdurchlass 70 für Elektrolyt, der axial durch den Halter 56 verläuft, führt. Das Bezugszeichen 72 gibt eine Umfangsrille an, die so bemessen ist, dass sie einen O-Ring annimmt, und Bezugszeichen 74 und 76 zeigen ferner Rillen für O-Ringe, die den Zufuhrdurchlass 64 bzw. den Auslassdurchlass 70 umgeben. Wie aus 3D zu sehen ist, gibt es um die quadratische Öffnung etwa in der Hälfte der Axialhöhe des Halters 56 einen quadratischen ausgesparten Sitz 78.
In Verwendung wird der Halter 56 in der Weise auf einer ersten Elektrodenanordnung 20 platziert, dass die freiliegende poröse Oberfläche auf dem Niveau des quadratischen Sitzes 78 liegt. Daraufhin wird auf der freiliegenden porösen Oberfläche eine quadratische Lage einer Anionenmembran platziert, wobei sie auf dem Sitz 78 liegt, und daraufhin wird die Katodenseite einer Bipolarplatte in der Weise platziert, dass ihre planare poröse Oberfläche auf der Anionenmembran liegt und dass sie auf den quadratisch ausgesparten Sitz 78 drückt. Auf der Katodenseite jedes Halters 56 gibt es Quernuten 82 und axiale Durchlässe 84 zum Sammeln von in den Katodenräumen 54 erzeugtem Wasserstoff.
In diesem Beispiel weist die Metallplatte 26 der ersten Elektrode dieselbe Kreisform und Größe wie der Halter 56 auf und ist sie mit der Unterseite des Halters 56 in Eingriff. Dort ist sie durch einen O-Ring (nicht gezeigt) abgedichtet, der in eine auf der Katodenseite des Halters 56, wie in 3B zu sehen ist, gezeigte O-Ring-Rille 80 eingeführt ist. Es wird angemerkt, dass die zwei O-Ring-Rillen 72 und 80 konzentrisch, aber radial versetzt sind, so dass der Halter 56 durch sie nicht übermäßig geschwächt wird. Die Bipolarplatte 44 dichtet bei einem in der Rille 72 vorgesehenen O-Ring gegen die Anodenseite des Halters 56 ab. Somit nimmt jeder Halter 56 den Anoden- und den Katodenraum 52, 54 einer Zelle eines Stapels auf und ist jeder Halter 56 entweder zwischen einer leitfähigen Metallplatte 26 einer ersten Elektrode und einer Bipolarplatte 44 oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 44 angeordnet.
In den Elektrodenplatten 26 bzw. in den Bipolarplatten 44 sind Löcher (nicht gezeigt) vorgesehen, die auf den Hauptzufuhrdurchlass 64 für die Zufuhr des Elektrolyten zu dem Anodenraum, auf die Hauptauslassdurchlässe 70 zum Entfernen des Elektrolyten und von Sauerstoff aus dem Anodenraum und auf die axialen Durchlässe 84 zum Entfernen von Wasserstoff aus den Katodenräumen 54 ausgerichtet sind. In wenigstens einer der Endplatten für die Zufuhr des Elektrolyten in die Hauptzufuhrdurchlässe 54 sind entsprechende Löcher für die Entfernung des Elektrolyten und des Sauerstoffs aus den Hauptauslassdurchlässen und für die Entfernung von Sauerstoff aus den axialen Durchlässen 84 vorgesehen.
Nunmehr übergehend zu 4 ist eine schematische Darstellung eines Elektrolyserstapels 86, der hier horizontal angeordnet ist, mit Endplatten 50, Endelektroden 30, Bipolarplatten 44 und Elektrodenhaltern 56 zu sehen.
In der Mitte des Stapels 86 gibt es eine Verbindungsplatte 94, die als eine Monopolkatodenplatte mit Elektrodenstrukturen auf beiden Seiten wirkt. Da sich die porösen Elemente wie oben diskutiert innerhalb der Halter 56 befinden, sind die Elektrodenstrukturen in 4 nicht vollständig zu sehen. In 4 sind nur die leitfähigen nicht porösen Metallplatten 26 der Elektroden 30 gezeigt. Die Verbindungsplatte 94 braucht nicht, wie gezeigt ist, so dick wie eine Endplatte 50 zu sein, sondern könnte dünner sein und tatsächlich gerade so dick wie eine reguläre Bipolarplatte sein, sofern eine elektrische Verbindung zu ihr hergestellt werden kann.
In der dargestellten Ausführungsform gibt es somit zwölf Halter 56, die jeweils eine Elektrolyserzelle mit einem Anodenraum und mit einem Katodenraum umgeben, wobei zwischen ihnen, wie in Verbindung mit 2M beschrieben ist, eine Anionenaustauschmembran angeordnet ist. An die Anzahl der Halter, d. h. der Elektrolyserzellen in dem Stapel 86, gibt es keinen spezifischen Grenzwert und es könnten mehr oder weniger als gezeigt, aber immer dieselbe Anzahl von Haltern und Zellen auf beiden Seiten, sein.
Eine Elektrolyserzelle benötigt eine Gleichstromleistungsquelle einer Art, wobei diese in der vorliegenden Ausführungsform durch ein Fotovoltaikpanel 90 gebildet ist, auf das durch Pfeile 92 angegebenes Sonnenlicht fällt. Das Solarpanel in dieser Ausführungsform weist eine maximale Auslassspannung von 12 V auf. Die positive Seite der Leistungsversorgung ist mit der linken Endplatte 50 und mit der rechten Endplatte 50, die somit Anoden bilden, verbunden. Die negative Seite der Leistungsversorgung ist mit der Verbindungsmittelplatte 94 verbunden, die somit die Mittelkatode ist. Diese Anordnung hat das Ergebnis, dass die Elektrolyserzellen rechts und links der Mittelplatte elektrisch parallelgeschaltet sind, so dass über zwei Gruppen von sechs Zellen das maximale Auslasspotential von 12 V wirkt. Das heißt, über jede Elektrolysezelle gibt es (in Abhängigkeit von der Intensität des einfallenden Sonnenlichts) einen Potentialabfall von maximal 2 V. Die elektrischen Felder zwischen der Mittelkatode und jeder der Anoden bedeuten, dass die Bipolarplatten gleitende Potentiale annehmen, so dass es für jede Zelle ein maximales Potential von 2 V gibt. Diese Anordnung führt nicht nur zu höheren elektrischen Feldern in dem Elektrolyser, sondern minimiert ebenfalls den Energieverlust wegen eines externen Magnetfelds. Diese zwei Faktoren erhöhen die Leistungsfähigkeit des Stapels stark.
Es gibt keine Beschränkung der Ausgangsleistung der Fotovoltaikpanels und der Stapel ist in dem Sinn, dass der Elektrolyser alle von den Solarpanels empfangene Leistung unabhängig davon, ob das bzw. die Solarpanel die maximale Leistung oder einen kleineren Betrag erzeugt bzw. erzeugen, falls die Lichtstärke kleiner als das Entwurfsmaximum ist, was häufig der Fall ist, in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt, grundsätzlich selbstregulierend. Natürlich muss der Elektrolyser so bemessen sein, dass er die maximale Menge der Leistung von dem bzw. den Solarpaneln nutzt und einfach weniger Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, während die gelieferte Leistung abnimmt. Eine Pumpe zum Pumpen von Elektrolyt durch die Anodenräume kann ebenfalls von der von dem einen bzw. den mehreren Solarpaneln empfangenen Leistung angetrieben werden.
Wie oben erwähnt wurde, kann die Elektrode der vorliegenden Erfindung ebenfalls in Brennstoffzellen, in Akkumulatoren und in Abgaskatalysatoren verwendet werden.
Es wird gewürdigt werden, dass Brennstoffzellen verschiedenen Formen annehmen. Es gibt z. B. Gas/Gas-Brennstoffzellen, Flüssigkeits/Gas-Brennstoffzellen und Flüssigkeits/Flüssigkeits-Brennstoffzellen sowie Festoxidbrennstoffzellen. Typische Gas/Gas-Brennstoffzellen arbeiten mit Wasserstoff oder mit einem synthetischen wasserstoffreichen Gas als ein Gas und mit Sauerstoff oder Atmosphärengas als das andere Gas. Brennstoffzellen dieser Art können unter Verwendung von Elektroden gemäß der vorliegenden Lehre verwirklicht werden.
Grundsätzlich ist die feine poröse Schicht 32 des Katodenraums 54 mit einem Katalysator, typisch einem Edelmetall wie etwa Platin, beschichtet und ist die feine poröse Schicht 32 des Anodenraums 52 ebenfalls mit einem Katalysator, wieder typisch Platin, beschichtet. Die Elektroden in einer Brennstoffzelle beruhen nicht wie in einer Elektrolyserzelle auf Nickel, sondern können ein anderes geeignetes Metall wie etwa rostfreier Stahl sein. Anstelle einer Anionenaustauschmembran wird eine Protonenaustauschmembran verwendet.
Im Betrieb wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Synthesegas dem Anodenraum zugeführt und bei dem Katalysator in positive Wasserstoffionen und negativ geladene Elektronen aufgespalten. Die negativ geladenen Elektronen fließen durch die poröse Schicht und durch die eine oder die mehreren Nachbarschichten des Drahtmaschennetzes 20, 36 zu der Anodenplatte 26 und über eine externe Schaltung, z. B. einen Elektromotor (nicht gezeigt), zu der entsprechenden Katodenplatte 26 oder Bipolarplatte 44. Sie reagieren mit den Sauerstoffmolekülen und mit den positiv geladenen Wasserstoffionen, die durch die Protonenaustauschmembran diffundiert sind, um Wassermoleküle zu bilden, die aus dem Katodenraum 54 abgelassen werden. Somit wird im Vergleich zu einem Elektrolyser Flüssigkeit, d. h. Wasser, aus dem Katodenraum 54 anstatt aus dem Anodenraum 52 abgelassen und wird das Wasserstoffgas dem Anodenraum 52 zugeführt, anstatt aus dem Katodenraum abgelassen zu werden. Somit sind die Halter 56 aus 3 und 4 anders herum angeordnet, oder mit anderen Worten, sind der Katoden- und der Anodenraum 54, 52 umgekehrt. Die Verwendung einer oder mehrerer Drahtmaschennetzschichten in dem Katoden- und in dem Anodenraum 54, 52 der Brennstoffzelle auf der Grundlage des Elektrodenentwurfs der vorliegenden Erfindung mit aufgeschmolzenen elektrischen Verbindungen zwischen den porösen Schichten 32, der einen bzw. den mehreren Maschennetzschichten 20, 36 und den nicht porösen Elektrodenplatten 26, 44 ist besonders nützlich. Sie führt zu ausgezeichneter Strömung der Gase durch den Katoden- und durch den Anodenraum 54 bzw. 52 und zu homogener Leistungserzeugung pro Flächeneinheit der Brennstoffzellen sowie zu einem niedrigen und sehr gleichförmigen elektrischen Widerstand in der Brennstoffzelle.
Üblicherweise werden auf dieselbe Weise wie für einen Elektrolyser mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert. Außerdem ist in einem Brennstoffzellenstapel ein Entwurf mit einer Mittelelektrode wie in 4 vorteilhaft.
Ein Beispiel einer Flüssigkeits/Gas-Brennstoffzelle ist eine sogenannte Direktmethanolbrennstoffzelle. In einer Brennstoffzelle dieser Art werden Methanol und Wasser, verdünntes Methanol, dem Anodenraum 52 der Brennstoffzelle zugeführt und wird das somit erzeugte Kohlendioxid aus dem Anodenraum 52 ausgestoßen. Wasserstoffatome werden wieder in Protonen und Elektronen gespalten. Wie zuvor in der Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle diffundieren die Protonen, die positiv geladenen Wasserstoffionen, durch die Protonenaustauschmembran in den Katodenraum 54 und gehen die Elektronen durch das leitfähige Material des Anodenraums 52 zu der Elektrodenplatte (Anode) 26, 44 und über eine externe Schaltung zu der Katode. Dem Katodenraum wird Sauerstoff oder Luft zugeführt und die verbleibenden Elektronen reagieren dort mit den Protonen und mit dem Sauerstoff, um Wasser zu bilden, das aus dem Katodenraum abgelassen wird. Obwohl die Direktmethanolbrennstoffzelle oder eine Direktethanolbrennstoffzelle, die auf dieselbe Weise arbeitet, zu der Erzeugung von etwas Kohlendioxid führt, ist dies nicht so problematisch. Tatsächlich kann das Kohlendioxid in Anwesenheit eines speziellen Kupferkatalysators durch Wasser perlen gelassen werden, um Methanol zu bilden. Forschung über derartige Kupferkatalysatoren auf der Grundlage von Cu₇ ist weit fortgeschritten.
Grundsätzlich ist die Direktmethanolbrennstoffzelle auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung sehr ähnlich zu der oben beschriebenen Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle und werden dieselben Katalysatoren verwendet. Es ist nicht notwendig, die Halter, die verwendet werden, um den Ausstoß von Kohlendioxid aus dem Anodenraum und von Wasser aus dem Katodenraum zu ermöglichen, zu ändern.
Tatsächlich gibt es eine sehr große Klasse von Flüssigkeitsbrennstoffzellen, die auf den verschiedensten organischen Flüssigkeiten beruhen, die ebenfalls mit Elektroden, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgelegt sind, verwendet werden können. Eine Diskussion derartiger Flüssigkeitsbrennstoffzellen ist in dem Artikel „Liquid Fuel Cells“ von Gregori L. Soloviechik von General Electric Global Research, Niskayuna, NY 12309 USA in dem Journal of Nanotechnology 2014, 5, 1399 bis 1418, veröffentlicht am 24. August 2014, zu finden.
Wie oben erwähnt wurde, verwenden einige Brennstoffzellen wasserstoffreiches Synthesegas als einen Brennstoff, wobei dieses Gas häufig durch einen sogenannten Reformer aus einem Brennstoff wie etwa Diesel gebildet wird. Die Struktur eines Reformers ist sehr ähnlich dem einer Brennstoffzelle und die Elektroden der vorliegenden Erfindung können ebenfalls in Reformern verwendet werden.
Wie oben erwähnt wurde, können die Elektroden der vorliegenden Erfindung ebenfalls in nachladbaren Batterien verwendet werden. In einer typischen Batterie gibt es eine positive Elektrode, die durch einen mit einem Elektrolyten gefüllten Separator von einer negativen Elektrode getrennt ist. Während der Entladung der Batterie fließen Elektronen von der positiven Elektrode, der Anode, über eine externe Schaltung zu der negativen Elektrode, der Katode. Positiv geladene Ionen wandern durch den Elektrolyten und den Separator zu der negativen Elektrode, wo sie mit Elektronen, die von der externen Schaltung zurückkehren, reagieren und neutralisiert werden. Wenn die Batterie entladen ist, wird eine externe elektrische Leistungsquelle verwendet, um die Richtung des Flusses von Elektronen und Ionen umzukehren und die Batterie nachzuladen. Es wird gewürdigt werden, dass die Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung als Anoden und Katoden einer nachladbaren Batterie verwendet werden können. Es ist einfach notwendig, die Chemie der Anode und der Katode geeignet zu wählen und einen geeigneten Elektrolyten und Separator zu verwenden.
Bezugszeichenliste

10: Form
12: Innengrundfläche der Form
14: Schicht aus Brei
16: Partikel
18: Bindemittel
20: (erste) Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes, in Kontakt mit der porösen Schicht 32
22: untere Ausbuchtungen des Maschennetzes 20
24: obere Ausbuchtungen des Maschennetzes 20
26: leitfähige nicht poröse Metallplatte
28: Seitenwände der Form 10
30: fertige Anordnung (Elektrode oder Katalysatorträger)
32: poröse Schicht
34: erste Maschennetzdurchlässe
36: (zweite) Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes, in Kontakt mit der Metallplatte 26
38: zweite Maschennetzdurchlässe
40: untere Ausbuchtungen des elektrisch leitfähigen Maschennetzes 36
42: obere Ausbuchtungen des elektrisch leitfähigen Maschennetzes 36
44: Bipolarplatte
46: Anionenaustauschmembran
48: Elektrodenstapel eines Elektrolysers
50: leitfähige Platte, Anoden- oder Katodenverbindung mit einem Stapel
52: Anodenraum
54: Katodenraum
56: Halter
58: quadratische Öffnung
60: Querdurchlassnut für einen Anodenraum 52
62: kurze Zufuhrdurchlässe für einen Anodenraum 52
64: Hauptzufuhrdurchlass für die Anodenräume 52
66: Auslassnut für Elektrolyten und Wasserstoff, die einen Anodenraum verlassen
68: Auslassdurchlässe für Elektrolyten und Sauerstoff, die einen Anodenraum verlassen
70: Hauptauslassdurchlass für Elektrolyten und Sauerstoff, die einen Anodenraum verlassen
72: O-Ring-Rille
74: O-Ring-Rille
76: O-Ring-Rille
78: ausgesparter quadratischer Sitz für Anionenmembran
80: O-Ring-Rille
82: Quernuten, die mit Katodenräumen 54 in Verbindung stehen
84: axiale Durchlässe, die mit Quernuten 82 in Verbindung stehen, um Wasserstoff aus den Katodenräumen zu entfernen
86: Elektrolyserstapel
88: O-Ring-Rille
90: Fotovoltaikpanel
92: auf das Panel 90 einfallendes Sonnenlicht
94: nicht poröse leitfähige Verbindungsmittelplatte

Claims

Elektrode (30), die wenigstens eine elektrisch leitfähige Platte (26; 44), wenigstens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes (20) mit Ausbuchtungen (24) in elektrischem Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Platte (26; 44) und mit Maschennetzdurchlässen (34) für die Strömung eines elektrisch leitfähigen Mediums seitlich durch das Maschennetz (20) sowie eine poröse Schicht (32) eines elektrisch leitfähigen Materials (16), die eine Oberfläche der wenigstens einen Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes (20) fern von der leitfähigen Platte (26; 44), in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt damit und mit einer planaren Oberfläche fern von der elektrisch leitfähigen Platte (26; 44) beschichtet, enthält, wobei eine Porengröße der porösen Schicht wesentlich kleiner als eine Porengröße der Maschennetzdurchlässe (34) ist.
Elektrode (30) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes eine erste und eine zweite Schicht (20, 36) eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes umfasst, wobei die erste Schicht (20) mit der porösen Schicht (32) in elektrischem Kontakt ist und erste Maschennetzdurchlässe (34) aufweist und die zweite Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes (36) zweite Maschennetzdurchlässe (38), die größer als die ersten Maschennetzdurchlässe (34) sind, aufweist, wobei die zweite Schicht (36) mit der porösen Schicht (32) in elektrischem Kontakt ist.
Elektrode (30) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die poröse Schicht (32) eine Schicht von Partikeln (16) ist, die zusammengesintert und an Ausbuchtungen (22) des Maschennetzes (20) fern von der leitfähigen Platte (26; 44) gesintert sind.
Elektrode (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die wenigstens eine Schicht eines Maschennetzes (20) an Partikel (16) der porösen Schicht (32) und an die Metallplatte (26; 44), optional über eine zweite Schicht eines Maschennetzes (36), gesintert ist.
Elektrode (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Schicht eines Maschennetzes (20; 20, 36) mit Sinterpartikeln beschichtet ist.
Elektrode (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die poröse Schicht (32) Metallpartikel (16) mit Größen in dem Bereich von <0,1 Mikrometern bis 10 Mikrometer, vorzugsweise von <1 Mikrometern bis <5 Mikrometer und insbesondere in dem Bereich von 1 bis 2 Mikrometern umfasst, wobei die Zwischenräume oder Poren zwischen den Sinterpartikeln (16) Größen näherungsweise von einem Zehntel jener der verwendeten Partikel aufweisen.
Elektrode (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maschennetzdurchlässe (34; 34, 38) der wenigstens einen Schicht eines Maschennetzes (20; 20, 36) Porengrößen für die seitliche Strömung durch das Maschennetz in dem Bereich von 20 Mikrometern bis 2 mm, vorzugsweise in dem Bereich von 50 Mikrometern bis 1 mm und besonders in der Größenordnung von 100 Mikrometern aufweisen.
Elektrode (30) nach Anspruch 2, wobei die erste Schicht des Maschennetzes (20), die zu der porösen Schicht (32) benachbart ist, Maschennetzdurchlässe (34) mit kleineren Porengrößen für die seitliche Strömung durch das Maschennetz (20) als die Schicht des Maschennetzes (36), die zu der Metallplatte (26; 44) benachbart ist, aufweist, wobei die Porengrößen der Schicht des Maschennetzes (20), das zu der porösen Schicht (32) benachbart ist, Porengrößen für die seitliche Strömung durch das Maschennetz (20) in dem Bereich von 20 Mikrometern bis 2 m, vorzugsweise in dem Bereich von 50 Mikrometern bis 1 mm und insbesondere in der Größenordnung von 100 Mikrometern aufweist und die zweite Schicht des Maschennetzes (36) größer Porengrößen für die seitliche Strömung eines Mediums durch das Maschennetz (36) als die Schicht des Maschennetzes (20) aufweist.
Elektrode (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche der elektrisch leitfähigen Platte (44) fern von der wenigstens einen Schicht (20) in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt mit Ausbuchtungen wenigstens einer weiteren Schicht des elektrisch leitfähigem Maschennetzes (20; 36) mit Maschennetzdurchlässen (34; 38) ist, wobei die wenigstens eine weitere Schicht des Maschennetzes eine einzelne Schicht (20) oder eine erste und eine zweite Schicht des Maschennetzes (20; 36) ist und die Ausbuchtungen der wenigstens einen weiteren Schicht (20; 36) fern von der elektrisch leitfähigen Platte (44) in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt mit einer porösen Schicht (32) aus elektrisch leitfähigem Material (16) steht, welche eine Oberfläche der wenigstens einen weiteren Schicht (20; 36) fern von der leitfähigen Platte (44) beschichtet und in aufgeschmolzenem elektrischem Kontakt damit steht und welche eine planare Oberfläche fern von der elektrisch leitfähigen Platte (44) aufweist.
Elektrode (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei irgendeine Schicht des Maschennetzes (20, 36) ein gewebtes Drahtmaschennetz, ein gewirktes Drahtmaschennetz oder ein Streckmetallgitter umfasst.
Elektrode (30) nach Anspruch 1, wobei die leitfähige Platte (26; 44), irgendeine Schicht des Maschennetzes (20, 36) und die elektrisch leitfähigen Partikel (16) Nickel oder Kupfer oder Gold oder Kohlenstoff oder Platin umfassen.
Elektrode (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Kontakte zwischen Komponenten (20, 26, 32, 36 und 44) der Elektroden Sinterkontakte sind.
Elektrodenstapel (48), der eine erste Elektrode (30) nach Anspruch 1, mehrere Elektroden nach Anspruch 9 und eine weitere Elektrode (30) nach Anspruch 1 umfasst, wobei die Elektroden zum Erzeugen von Paaren gegenüberliegender planarer Oberflächen aus porösem Material (32) angeordnet sind, wobei zwischen jedem Paar gegenüberliegender planarer Oberflächen eine Anionenaustauschmembran (46) angeordnet ist, wobei es hydraulische, pneumatische oder Federmittel gibt, um die Elektroden (30) des Stapels und die dazwischen eingefügten Anionenaustauschmembran (46) zusammenzudrücken.
Stapel (48) nach Anspruch 13, wobei erste Durchlässe (60, 72, 64) zum Zuführen einer leitfähigen Flüssigkeit, die durch Wasser mit einem Alkalimetallhydroxid wie etwa KOH gebildet ist, zu Anodenräumen (52) auf einer Anodenseite jeder Anionenaustauschmembran (46) und zweite Durchlässe (66, 68, 70) zum Extrahieren der leitfähigen Flüssigkeit mit Sauerstoff aus den Anodenräumen (52) vorgesehen sind, wobei es wenigstens einen dritten Strömungsdurchlass (82, 84) zum Extrahieren von Wasserstoff aus Katodenräumen (54) auf einer Katodenseite jeder Anionenaustauschmembran (46) gibt.
Stapel (48) nach Anspruch 14, wobei die leitfähigen Maschennetze (20, 36) der Elektroden und die porösen Schichten (32) des Stapels in der Draufsicht quadratisch oder rechteckig sind und innerhalb von isolierenden Haltern (56) angeordnet sind, die Verteiler für die Anoden- und Katodenräume (62, 54) bilden, wobei es zwischen benachbarten Haltern (56) und den leitfähigen Metallplatten (26, 46) Dichtungen gibt, die die zwischen ihnen angeordneten Halter (56) überlappen.
Stapel (48; 86) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, wobei leitfähige Platten (50) an jedem Ende des Stapels jeweils mit einer Anode oder mit einer Katode einer Leistungsversorgung (90) verbunden werden können, oder wobei die zwei leitfähigen Platten (50) an jedem Ende des Stapels (86) beide mit einer Anode oder mit einer Katode der Leistungsversorgung (90) verbunden werden können und eine Mittelelektrode (88) des Stapels (48; 86) mit der anderen der Anode oder Katode verbunden ist.
Stapel (88) nach Anspruch 16, wobei die Halter (56) und die leitfähigen Platten (26, 44) in der Draufsicht kreisförmig oder mehreckig sind.
Verfahren zum Bilden einer Elektrode nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält: a) Einleiten eines Breis von Partikeln in einem härtbaren und reduzierbaren Bindemittel in eine Form mit einer planaren Grundfläche, b) Platzieren einer Schicht eines elektrisch leitfähigen Maschennetzes mit Ausbuchtungen auf der ersten Schicht und Beschichten der Ausbuchtungen mit dem Brei, c) Platzieren einer Metallplatte auf Ausbuchtungen des Maschennetzes fern von dem Brei, d) teilweises Härten oder vollständiges Härten des Bindemittels vor oder nach dem Schritt c), und e) Erwärmen der Elektrode in einer reduzierenden Atmosphäre, um das Bindemittel zu entfernen und die Elektrodenanordnung zusammenzusintern.
Verfahren nach Anspruch 18 zum Bilden der Elektrode nach Anspruch 2 und das ferner die folgenden Schritte umfasst: g) Wiederholen der Schritte a), b), c) und d), h) Umdrehen der resultierenden Elektrodenanordnung, l) Wiederholen der Schritte a) und b), optional unter Verwendung einer zweiten Form, die größer als die erste ist, j) Platzieren der umgedrehten Elektrodenanordnung des Schritts h) auf der Anordnung, die sich aus den wiederholten Schritten a) und b) ergibt, und Ausführen oder Wiederholen der Schritte d) und e).
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 und 19 und das die folgenden weiteren Schritte umfasst: i) Einführen einer zweiten Schicht eines Maschennetzes auf die leitfähige Schicht eines Maschennetzes des Schritts b) und/oder Einführen einer zweiten Schicht eines Maschennetzes auf die Anordnung nach Wiederholen des Schritts b) und vor dem Schritt h).
Verfahren nach den Ansprüchen 18 und 18 und optional nach Anspruch 20 und das die weiteren Schritte des Anordnens mehrerer Elektroden nach Anspruch 19 oder nach Anspruch 20 zwischen der ersten und der zweiten Elektrode nach Anspruch 18 in der Weise, dass gegenüberliegende Paare planarer Oberflächen gebildet werden, und des Platzierens einer lonenaustauschmembran zwischen jedem Paar gegenüberliegender planarer Oberflächen umfasst, und p) Zusammendrücken der mehreren Elektroden, um einen Stapel zu bilden.