DE102022106498A1

DE102022106498A1 - Electrolyser for water electrolysis and method for water electrolysis

Info

Publication number: DE102022106498A1
Application number: DE102022106498.0A
Authority: DE
Inventors: Nico Alexander Mattes; Jürgen Remmlinger; Hanna Winter
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-04-08
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2022-10-13

Abstract

Ein Elektrolyseur (1) für die Wasserelektrolyse umfasst eine Vielzahl an Bipolarplatten (2), jeweils aufweisend eine Anodenseite (2b) und eine Kathodenseite (2a), wobei die Anodenseite (2b) und die Kathodenseite (2a) jeweils eine Aktivfläche (3, 3') aufweisen, sowie genau einem unterhalb der beiden Aktivflächen (3, 3') der Bipolarplatte (2) angeordneten Einlass-Port (5) zur gleichzeitigen Versorgung sowohl der Anodenseite (2b) als auch der Kathodenseite (2a) der jeweiligen Bipolarplatte (2) mit Wasser, einem zur Verteilung von Wasser auf die Aktivflächen (3, 3') der Kathodenseite (2a) und der Anodenseite (2b) der Bipolarplatte (2) ausgebildeten, jeweils zwischen dem Einlass-Port (5) und den Aktivflächen (3, 3') der jeweiligen Bipolarplatte (2) befindlichen Einlass-Verteilerfeld (6, 6'), sowie jeweils einem oberhalb der Aktivflächen (3, 3') der jeweiligen Bipolarplatte (2) angeordneten Auslass-Verteilerfeld (7, 7') und mindestens zwei diesennachgeschalteten, nebeneinander angeordneten Auslass-Ports (8, 9) zur getrennten Abführung von Fluidströmen, die von der Anodenseite (2b) und der Kathodenseite (2a) der jeweiligen Bipolarplatte (2) stammen.An electrolyzer (1) for water electrolysis comprises a large number of bipolar plates (2), each having an anode side (2b) and a cathode side (2a), the anode side (2b) and the cathode side (2a) each having an active surface (3, 3 ') and exactly one inlet port (5) arranged below the two active surfaces (3, 3') of the bipolar plate (2) for the simultaneous supply of both the anode side (2b) and the cathode side (2a) of the respective bipolar plate (2 ) with water, a for the distribution of water on the active surfaces (3, 3') of the cathode side (2a) and the anode side (2b) of the bipolar plate (2) designed, each between the inlet port (5) and the active surfaces (3 , 3') of the respective bipolar plate (2) and an outlet distributor field (7, 7') arranged above the active surfaces (3, 3') of the respective bipolar plate (2) and at least two downstream A outlet ports (8, 9) for the separate discharge of fluid streams originating from the anode side (2b) and the cathode side (2a) of the respective bipolar plate (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen für elektrolytische Zerlegung von Wasser ausgebildeten Elektrolyseur. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Wasserelektrolyse.The invention relates to an electrolyzer designed for the electrolytic decomposition of water. The invention also relates to a method for water electrolysis.

Aus der EP 3 489 394 B1 ist eine Elektrolyseanlage zur Niederdruck-PEM-Elektrolyse bekannt. Die bekannte Elektrolyseanlage umfasst wenigstens zwei Elektrolysemodule, welche jeweils mindestens eine Anschlussvorrichtung aufweisen, über die das betreffende Modul mit einem Tank zum Speichern eines Fluids verbunden ist. Die Anschlussvorrichtungen der Mehrzahl an Elektrolysemodulen sind mit einem gemeinsamen Kanalelement verbunden. Dieses zum Ausleiten von Fluid aus der Elektrolyseanlage vorgesehener Kanalelement weist eine Neigung auf, mittels welcher dem Fluid eine bevorzugte Flussrichtung vorgebbar ist. Am höchsten Punkt des Kanalelementes befindet sich eine Entlüftungsvorrichtung. Sind mehr als zwei Elektrolysemodule vorhanden, so können diese in zwei Reihen nebeneinander angeordnet sein.From the EP 3 489 394 B1 an electrolysis system for low-pressure PEM electrolysis is known. The known electrolysis system comprises at least two electrolysis modules, each of which has at least one connection device, via which the relevant module is connected to a tank for storing a fluid. The connection devices of the plurality of electrolysis modules are connected to a common channel element. This channel element, which is provided for discharging fluid from the electrolysis system, has an incline, by means of which a preferred direction of flow can be specified for the fluid. A ventilation device is located at the highest point of the channel element. If there are more than two electrolysis modules, they can be arranged in two rows next to each other.

Die Dokumente EP 3 140 434 B1 und EP 2 957 659 B1 offenbaren Gasdiffusionsschichten für elektrochemische Zellen, insbesondere PEM-Elektrolysezellen. Die Gasdiffusionsschichten umfassen in diesen Fällen mindestens zwei übereinander geschichtete Lagen, wobei zumindest eine der Lagen als Federkomponente mit einer progressiven Federkennlinie ausgebildet ist.The documents EP 3 140 434 B1 and EP 2 957 659 B1 disclose gas diffusion layers for electrochemical cells, particularly PEM electrolytic cells. In these cases, the gas diffusion layers comprise at least two layers stacked on top of one another, with at least one of the layers being designed as a spring component with a progressive spring characteristic.

Ein in der WO 2019/009732 A2 beschriebenes Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff in einem PEM-Elektrolyseur sieht die Nutzung einer Membran vor, welche unter anderem die Diffusion von Wassermolekülen von einer Kathodenseite zu einer Anodenseite ermöglicht. Während die Kathodenseite mit Wasser versorgt wird, wird die Anodenseite mit befeuchteter Luft beaufschlagt. Hierfür wird die Verwendung von Luft mit einer relativen Feuchtigkeit von mehr als 75 % empfohlen. Die Kathodenseite soll mit einem höheren Druck als die Anodenseite betrieben werden.An Indian WO 2019/009732 A2 The method described for producing hydrogen in a PEM electrolyzer provides for the use of a membrane which, among other things, enables the diffusion of water molecules from a cathode side to an anode side. While the cathode side is supplied with water, the anode side is exposed to humidified air. It is recommended to use air with a relative humidity of more than 75%. The cathode side should be operated at a higher pressure than the anode side.

Ein Verfahren zum Zusammenbau von Elektrolyseurstapeln ist in der DE 10 2009 003 777 A1 beschrieben. Der Zusammenbau soll mit Teilen erfolgen, die innere Strukturen aufweisen, die, wenn sie aneinander platziert sind, Fluidströmungskanäle bilden. Der Elektrolyseurstapel soll den Austausch einzelner Teile ermöglichen und weist insgesamt eine zylindrische Form auf.A method of assembling electrolyzer stacks is disclosed in US Pat DE 10 2009 003 777 A1 described. Assembly is intended to be with parts having internal structures that, when placed together, form fluid flow channels. The electrolyser stack is intended to enable the replacement of individual parts and has an overall cylindrical shape.

In der WO 2015/147142 A1 ist eine Wasserelektrolysevorrichtung beschrieben, bei welcher das Mischen von erzeugtem Wasserstoff und Sauerstoff verringert sein soll. Der Kathodenseite der Elektrolysevorrichtung wird temperaturgeregeltes Wasser zugeführt, während eine Druckdifferenz zwischen beiden Flächen der Elektrolytmembran auf 50 kPa oder weniger geregelt wird. Zur Verstärkung der inneren Festigkeit der Elektrolytmembran soll unter anderem ein organisches Polymer geeignet sein. Als mögliche Dicke der Elektrolytmembran wird der Bereich von 5 µm bis 200 µm angegeben.In the WO 2015/147142 A1 describes a water electrolyzer in which mixing of generated hydrogen and oxygen is said to be reduced. Temperature-controlled water is supplied to the cathode side of the electrolyzer while controlling a pressure difference between both faces of the electrolyte membrane to 50 kPa or less. An organic polymer, inter alia, is said to be suitable for reinforcing the internal strength of the electrolyte membrane. The range from 5 μm to 200 μm is given as a possible thickness of the electrolyte membrane.

Aus der EP 2 148 941 B1 ist ein mehrzelliges Sauerstoff-Erzeugungssystem bekannt, welches mehrere Elektrolysezellen umfasst, wobei eine Hälfte jeder Elektrolysezelle zur Erzeugung von Sauerstoff in einem Elektrolysemodus arbeitet und die andere Hälfte der Elektrolysezelle zum Verbrauch von Wasserstoff in einem Brennstoffzellenmodus arbeitet. Es handelt sich somit um ein kombiniertes Elektrolyse-Brennstoffzellen-System. Das Sauerstoff-Erzeugungssystem weist eine bipolare Elektrodenplatte auf, die mit Fluidströmungskanälen, beispielsweise in Serpentinen- oder Zickzackkonfiguration, versehen ist. Die bipolare Elektrodenplatte kann aus korrosionsbeständigem Material hergestellt oder mit einer Beschichtung aus korrosionsbeständigem Material versehen sein.From the EP 2 148 941 B1 discloses a multi-cell oxygen generation system comprising a plurality of electrolytic cells, with half of each electrolytic cell operating in an electrolysis mode to produce oxygen and the other half of the electrolytic cell operating in a fuel cell mode to consume hydrogen. It is therefore a combined electrolysis fuel cell system. The oxygen generating system includes a bipolar electrode plate provided with fluid flow channels, for example in a serpentine or zigzag configuration. The bipolar electrode plate can be made of corrosion-resistant material or provided with a coating of corrosion-resistant material.

Aus der US 2012/0048731 A1 ist ein Hochdruck-Wasser-Elektrolysesystem bekannt, welches eine Vorrichtung zur Flüssigkeits-Gas-Trennung umfasst. Es ist für die Herstellung von Sauerstoff und Wasserstoff vorgesehen, wobei der Druck des Wasserstoffs höher als der Druck des Sauerstoffs ist.From the US 2012/0048731 A1 a high-pressure water electrolysis system is known which includes a device for liquid-gas separation. It is intended for the production of oxygen and hydrogen, where the pressure of the hydrogen is higher than the pressure of the oxygen.

Die DE 30 00 313 A1 beschreibt eine Elektrolysezelle zur Wasserelektrolyse mit einer Anodenkammer und einer Kathodenkammer, welche durch eine ionendurchlässige, flüssigkeitsundurchlässige Membran voneinander getrennt sind, die katalytische Elektroden aufweist. Es sind zwei geformte Stromsammlerelemente aus Graphit zur Verteilung von Strömungsmittel vorhanden, die jeweils einen Einlaßdurchgang aufweisen, der in eine horizontale Kammer im Bodenbereich des Stromsammlerelements mündet. Über die horizontale Kammer wird das jeweilige Strömungsmittel durch vertikale Durchgänge in dem jeweiligen Stromsammlerelement an die Anodenkammer oder die Kathodenkammer abgegeben. Im oberen Bereich der Stromsammlerelemente befinden sich Auslaßleitungen, die sich durch das jeweilige Stromsammlerelement hindurch erstrecken.the DE 30 00 313 A1 describes an electrolytic cell for water electrolysis having an anode compartment and a cathode compartment separated by an ion-permeable, liquid-impermeable membrane having catalytic electrodes. There are two molded graphite flow collector members for distributing fluid, each having an inlet passage opening into a horizontal chamber in the bottom portion of the flow collector member. Via the horizontal chamber, the respective fluid is delivered to the anode chamber or the cathode chamber through vertical passages in the respective current collector element. Outlet lines are located in the upper area of the current collector elements and extend through the respective current collector element.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Systeme zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich des apparativen Aufwandes sowie des Bauraumbedarfs weiterzuentwickeln.The invention is based on the object of further developing systems for the electrolytic production of hydrogen compared to the prior art mentioned, in particular with regard to the outlay on equipment and the space required.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine für die Wasserelektrolyse ausgebildete Elektrolysevorrichtung, das heißt einen Wasser-Elektrolyseur, gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Wasserelektrolyse nach Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Elektrolyseverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Elektrolysevorrichtung und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by an electrolysis device designed for water electrolysis, i.e. a water electrolyzer, according to claim 1. The object is also achieved by a method for water electrolysis according to claim 10. The configurations and advantages of the Invention apply mutatis mutandis to the electrolysis device and vice versa.

Der Elektrolyseur umfasst eine Vielzahl an Bipolarplatten, jeweils aufweisend eine Anodenseite und eine Kathodenseite, wobei die Anodenseite und die Kathodenseite jeweils eine Aktivfläche aufweisen, sowie mit genau einem unterhalb der beiden Aktivflächen der Bipolarplatte angeordneten Einlass-Port zur gleichzeitigen Versorgung sowohl der Anodenseite als auch der Kathodenseite der jeweiligen Bipolarplatte mit Wasser, einem zur Verteilung von Wasser auf die Aktivflächen der Kathodenseite und der Anodenseite der Bipolarplatte ausgebildeten, jeweils zwischen dem Einlass-Port und den Aktivflächen der jeweiligen Bipolarplatte befindlichen Einlass-Verteilerfeld, sowie jeweils einem oberhalb der Aktivflächen der jeweiligen Bipolarplatte angeordneten Auslass-Verteilerfeld und mindestens zwei diesen nachgeschalteten, nebeneinander angeordneten Auslass-Ports zur getrennten Abführung von Fluidströmen, die von der Anodenseite und der Kathodenseite der jeweiligen Bipolarplatte stammen.The electrolyzer comprises a large number of bipolar plates, each having an anode side and a cathode side, the anode side and the cathode side each having an active surface, and with exactly one inlet port arranged below the two active surfaces of the bipolar plate for the simultaneous supply of both the anode side and the Cathode side of the respective bipolar plate with water, an inlet distributor field designed to distribute water to the active areas of the cathode side and the anode side of the bipolar plate, located between the inlet port and the active areas of the respective bipolar plate, and one above the active areas of the respective bipolar plate arranged outlet distribution box and at least two downstream, side by side outlet ports for the separate discharge of fluid flows originating from the anode side and the cathode side of the respective bipolar plate.

Durch den gemeinsamen Einlass-Port für die Anoden- und Kathodenseite der Bipolarplatte, der die Anodenseite und die Kathodenseite der Bipolarplatte durch eine durchgehende Öffnung miteinander verbindet, ergibt sich eine im Vergleich zu den Abmessungen der Aktivfläche geringe Höhe des Einlass-Verteilerfelds und damit ein raumsparender Aufbau der gesamten Bipolarplatte, wobei von deren vertikaler Ausrichtung ausgegangen wird. Die Anodenseite und die Kathodenseite werden demnach beide mit dem gleichen Fluid, hier über den Einlass-Port zuströmendes Wasser, versorgt.The joint inlet port for the anode and cathode side of the bipolar plate, which connects the anode side and the cathode side of the bipolar plate with one another through a through opening, results in a low height of the inlet distributor field compared to the dimensions of the active surface and thus a space-saving one Construction of the entire bipolar plate, assuming its vertical orientation. Accordingly, the anode side and the cathode side are both supplied with the same fluid, here water flowing in via the inlet port.

Der Einlass-Port weist gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen in Frontansicht der Bipolarplatte eine langgestreckte, horizontal ausgerichtete Form auf, wobei sich der Einlass-Port über mindestens 95 % der Breite, insbesondere über die volle Breite, des Aktivfeldes erstrecken kann. Vom Einlass-Port aus wird sowohl die Anodenseite als auch die Kathodenseite mit Wasser versorgt, wobei der gemeinsame Einlass-Port für beide Seiten der Bipolarplatte die Möglichkeit eröffnet, das Einlass-Verteilerfeld auf besonders kleinem Raum unterzubringen. Insbesondere beträgt die Höhe des Einlass-Verteilerfeldes weniger als die Hälfte der Höhe des Auslass-Verteilerfeldes. Zugleich kann die Höhe des Einlass-Verteilerfeldes geringer als die Höhe des Einlass-Ports sein. Beispielsweise beträgt die Höhe des Einlass-Verteilerfeldes weniger als die Hälfte, insbesondere weniger als ein Drittel, der Höhe des Einlass-Ports.According to various possible configurations, the inlet port has an elongated, horizontally aligned shape in a front view of the bipolar plate, wherein the inlet port can extend over at least 95% of the width, in particular over the full width, of the active field. Both the anode side and the cathode side are supplied with water from the inlet port, with the common inlet port opening up the possibility for both sides of the bipolar plate of accommodating the inlet distributor field in a particularly small space. In particular, the height of the inlet plenum is less than half the height of the outlet plenum. At the same time, the height of the inlet manifold panel can be less than the height of the inlet port. For example, the height of the inlet manifold is less than half, in particular less than one third, the height of the inlet port.

Trotz der geringen Höhe des Einlass-Verteilerfeldes ist dieses in Zusammenwirkung mit dem einzigen Einlass-Port in der Lage, Wasser, welches den Aktivfeldern der Bipolarplatte zugeführt wird, in einen kathodenseitigen und einen anodenseitigen Strom aufzuteilen. Die in vertikaler Richtung zu messende Ausdehnung des Einlass-Verteilerfeldes ist auch im Hinblick auf elektrische Ströme, welche aufgrund von Spannungsdifferenzen zwischen der Kathoden- und der Anodenseite der Bipolarplatte fließen, auszulegen, wobei insbesondere elektrische oder fluidische Kurzschlüsse zu vermeiden sind.Despite the small height of the inlet distributor field, this is able, in cooperation with the single inlet port, to divide water, which is supplied to the active fields of the bipolar plate, into a cathode-side and an anode-side stream. The expansion of the inlet distributor field to be measured in the vertical direction must also be designed with regard to electrical currents which flow due to voltage differences between the cathode and the anode side of the bipolar plate, with electrical or fluidic short circuits in particular being to be avoided.

Was das Auslass-Verteilerfeld betrifft, ist der Fluidstrom, welcher den Elektrolyseur verlässt und teils von der Anodenseite, teils von der Kathodenseite der Bipolarplatte stammt, durch das entsprechende Verteilerfeld zu sammeln und den getrennten Auslass-Ports zuzuführen. Der kathodenseitige Auslassstrom umfasst Wasserstoff und Wasser, der anodenseitige Auslassstrom neben Wasser Sauerstoff. Eine zumindest teilweise Rückführung von Wasser in den Einlass-Port ist möglich, wobei in diesem Fall in einem nachgeschalteten System Wasserstoff und Sauerstoff von zurückzuführendem Wasser abgetrennt werden.Concerning the outlet manifold panel, the fluid flow leaving the electrolyser, coming partly from the anode side and partly from the cathode side of the bipolar plate, is to be collected through the corresponding manifold panel and fed to the separate outlet ports. The cathode-side outlet stream comprises hydrogen and water, and the anode-side outlet stream comprises oxygen in addition to water. An at least partial recirculation of water into the inlet port is possible, in which case hydrogen and oxygen are separated from the water to be recirculated in a downstream system.

Die an den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Bipolarplatte gebildeten, kathodenseitigen beziehungsweise anodenseitigen, im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Strömungskanäle können innerhalb des Einlassverteilerfeldes eine über die Breite der Bipolarplatte variierende Querschnittsgestaltung aufweisen. Hierbei kann die Strömungsquerschnittsfläche, insbesondere die Breite, von innerhalb des Einlass-Verteilerfeldes ausgebildeten kathodenseitigen Strömungskanälen von der Seite des kathodenseitigen Auslass-Ports zur Seite des anodenseitige Auslass-Ports hin zunehmen, wogegen die Strömungsquerschnittsfläche der innerhalb des Einlass-Verteilerfeldes ausgebildeten anodenseitigen Strömungskanäle in umgekehrter Weise von der Seite des kathodenseitigen Auslass-Ports zur Seite des anodenseitige Auslass-Ports hin abnimmt.The essentially vertically oriented flow channels formed on the opposite surfaces of the bipolar plate on the cathode side or anode side can have a cross-sectional configuration that varies over the width of the bipolar plate within the inlet distribution panel. The flow cross-sectional area, in particular the width, of the cathode-side flow channels formed within the inlet manifold panel can increase from the side of the cathode-side outlet port to the side of the anode-side outlet port, whereas the flow cross-sectional area of the anode-side flow channels formed within the inlet manifold panel increases in reverse Way from the cathode-side outlet port side to the anode-side outlet port side decreases.

Sämtliche Strömungskanäle des Einlass-Verteilerfelds weisen zum Beispiel einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt auf. Alternativ können die einzelnen Strömungskanäle innerhalb des Einlass-Verteilerfelds beispielsweise die Form halber Ellipsen beschreiben. In allen Fällen ist der beschriebene Übergang zwischen Strömungskanälen mit großem Querschnitt und Strömungskanälen mit kleinem Querschnitt derart gestaltbar, dass senkrecht unterhalb des kathodenseitigen Auslass-Ports diejenigen zur Fluidzuführung zur Kathodenseite vorgesehenen Strömungskanäle des Einlass-Verteilerfelds liegen, welche einen besonders geringen Querschnitt haben. Dagegen weisen diejenigen in das Einlass-Verteilerfeld integrierten, ebenfalls strömungstechnisch mit dem kathodenseitigen Auslass-Port verbundenen Strömungskanäle, welche am weitesten vom kathodenseitigen Auslass-Port entfernt sind, das heißt dem Auslass-Port etwa diagonal gegenüberliegen, den größten Strömungsquerschnitt auf.All flow channels of the inlet manifold have, for example, a rectangular or trapezoidal cross-section. Alternatively, the individual flow channels within the inlet distributor field can describe the shape of half ellipses, for example. In all cases, the transition described between flow channels with a large cross section and flow channels with a small cross section can be designed in such a way that lower right below the cathode-side outlet port are those flow channels of the inlet distribution field provided for supplying fluid to the cathode side, which have a particularly small cross-section. On the other hand, those flow channels integrated into the inlet distributor panel and also connected in terms of flow to the cathode-side outlet port, which are furthest away from the cathode-side outlet port, i.e. approximately diagonally opposite the outlet port, have the largest flow cross-section.

Analoges gilt für diejenigen Strömungskanäle innerhalb des Einlass-Verteilerfeldes, welche strömungstechnisch an den anodenseitigen Auslass-Port angeschlossen sind. Auch in diesem Fall sind die Strömungsquerschnitte innerhalb des Einlass-Verteilerfeldes umso größer, je weiter der Weg zum zugehörigen Auslass-Port ist. Insgesamt wird damit trotz des äußerst kompakten, insbesondere nur eine geringe Höhe beanspruchenden Aufbaus des Einlass-Verteilerfelds eine gleichmäßige Beaufschlagung der Aktivflächen der Bipolarplatte mit strömendem Medium erreicht. Aufgrund der vertikalen Ausrichtung der Bipolarplatte strömt durch die Auftriebskraft praktisch kein Gas über den Einlass-Port von der Kathodenseite zur Anodenseite der Bipolarplatte oder umgekehrt.The same applies to those flow channels within the inlet distributor field which are fluidically connected to the anode-side outlet port. In this case, too, the flow cross-sections within the inlet distributor field are larger, the further the path to the associated outlet port is. Overall, despite the extremely compact structure of the inlet distributor panel, which in particular requires only a small amount of height, a uniform application of the flowing medium to the active surfaces of the bipolar plate is achieved. Due to the vertical alignment of the bipolar plate, due to the buoyancy force, practically no gas flows through the inlet port from the cathode side to the anode side of the bipolar plate or vice versa.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Elektrolyse von Wasser, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs durchgeführt wird, wird Wasser über den Einlass-Port zugeführt und in einen kathodenseitigen und einen anodenseitigen Strom aufgeteilt, wobei jeder Strom nacheinander dem Einlass-Verteilerfeld, der Aktivfläche und dem Auslass-Verteilerfeld auf der Kathodenseite oder der Anodenseite der vertikal ausgerichteten Bipolarplatte zugeführt wird.In the method of electrolyzing water according to the invention, which is carried out using an electrolyzer according to the invention, water is supplied via the inlet port and divided into a cathode-side and an anode-side stream, each stream being sequentially fed to the inlet manifold panel, the active area and the outlet -Distribution field is fed to the cathode side or the anode side of the vertically aligned bipolar plate.

Der Wasser-Elektrolyseur kann eine Polymer-Elektrolyt-Membran aufweisen, das heißt als PEM-Elektrolyseur ausbildet sein. Innerhalb einer gestapelten Anordnung können zahlreiche Bipolarplatten elektrisch in Reihe geschaltet sein. Der Elektrolyseur eignet sich für stationäre Anwendungen.The water electrolyzer can have a polymer electrolyte membrane, ie it can be designed as a PEM electrolyzer. Within a stacked arrangement, numerous bipolar plates may be electrically connected in series. The electrolyser is suitable for stationary applications.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Hierin zeigen:

1 eine Bipolarplatte eines Wasser-Elektrolyseurs in vereinfachter Frontansicht,
2 ein Detail des Einlass-Verteilerfelds der Bipolarplatte gemäß 1 in schematisierter Schnittdarstellung,
3 die Rückansicht der Bipolarplatte gemäß 1;
4 schematisch den Aufbau eines Elektrolyseurs umfassend eine Vielzahl an Bipolarplatten; und
5 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Elektrolyseur im Bereich der Aktivflächen der Bipolarplatten.

An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the figures. Show in it:

1 a bipolar plate of a water electrolyser in a simplified front view,
2 a detail of the inlet manifold of the bipolar plate according to FIG 1 in a schematic sectional view,
3 the rear view of the bipolar plate according to 1 ;
4 Schematically the structure of an electrolyzer comprising a large number of bipolar plates; and
5 a schematic sectional view through an electrolyzer in the area of the active surfaces of the bipolar plates.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Elektrolyseur, vergleiche 4, ist zur elektrolytischen Zerlegung von Wasser (H₂O) in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) ausgebildet. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktionsweise des Elektrolyseurs 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen. Der Elektrolyseur 1 umfasst eine Vielzahl in Stapelform angeordneter Bipolarplatten 2, deren Aktivflächen mit 3, 3' (vergleiche 1 und 3) bezeichnet sind. Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 2 befindet sich jeweils eine Polymer-Elektrolyt-Membraneinheit 13 umfassend eine Polymer-Elektrolyt-Membran 14 mit beiderseits im Bereich der Aktivflächen 3, 3' auf der Polymer-Elektrolyt-Membran 14 angeordneten, hier nicht gesondert dargestellten elektrisch leitfähigen katalytischen Beschichtungen, die als Elektroden dienen, sowie mit weiterhin beiderseits angeordneten porösen Fluidverteilerschichten 15, vergleiche Schnitt C-C in 5. Strukturen, welche zum Anbringen von Dichtungen oder zum Zusammenbau der Vielzahl von Bipolarplatten 2 zum Stapel geeignet sind, sind in 4 nicht dargestellt.An electrolyzer identified overall by the reference numeral 1, cf 4 , is designed for the electrolytic decomposition of water (H ₂ O) into hydrogen (H ₂ ) and oxygen (O ₂ ). With regard to the principle of operation of the electrolyzer 1, reference is made to the prior art cited at the outset. The electrolyzer 1 comprises a multiplicity of bipolar plates 2 arranged in stack form, whose active surfaces are marked with 3, 3' (cf 1 and 3 ) are denoted. Between two adjacent bipolar plates 2 there is a polymer-electrolyte membrane unit 13 comprising a polymer-electrolyte membrane 14 with electrically conductive catalytic converters arranged on both sides in the region of the active surfaces 3, 3′ on the polymer-electrolyte membrane 14 and not shown separately here Coatings that serve as electrodes, as well as with porous fluid distribution layers 15 arranged on both sides, compare section CC in 5 . Structures suitable for attaching seals or assembling the plurality of bipolar plates 2 into a stack are disclosed in 4 not shown.

Die Bipolarplatten 2 weisen eine rechteckige Grundform mit einer Breite B₂ und einer Höhe A₂ auf, wie in 1 für die Kathodenseite 2a und in 3 für die Anodenseite 2b, welche die Rückseite der in 1 gezeigten Bipolarplatte 2 bildet und zeigt. Jede Seite 2a, 2b der Bipolarplatte 2 weist von unten nach oben in dieser Reihenfolge auf: Einlass-Port 5 - Einlass-Verteilerfeld 6, 6' - Aktivfläche 3, 3' - Auslass-Verteilerfeld 7, 7' - Auslass-Ports 8, 9.The bipolar plates 2 have a rectangular basic shape with a width B ₂ and a height A ₂ , as in FIG 1 for the cathode side 2a and in 3 for the anode side 2b, which is the back of the in 1 shown bipolar plate 2 forms and shows. Each side 2a, 2b of the bipolar plate 2 has, from bottom to top, in this order: inlet port 5 - inlet manifold array 6, 6' - active surface 3, 3' - outlet manifold array 7, 7' - outlet ports 8, 9.

Innerhalb eines Plattenstapels, welcher durch den Elektrolyseur 1 gebildet ist, befinden sich die Bipolarplatten 2 in aufrechter Position, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die Breite B₂ geringer als die Höhe A₂ ist. Die Aktivflächen 3, 3' sind ebenfalls rechteckig, wobei in diesem Fall die mit B₃ bezeichnete Breite größer als die Höhe A₃ jeder Aktivfläche 3, 3' ist. In nicht dargestellter, prinzipiell bekannter Weise kann die Aktivfläche 3, 3' auch eine andere Grundform aufweisen. Die Aktivfläche 3, 3' nimmt im Ausführungsbeispiel 50 % ± 20 % der Gesamtfläche jeder Seite der Bipolarplatte 2 ein, wobei auch Bauformen mit einem größeren Anteil der Aktivfläche 3, 3' an der Gesamtfläche der Bipolarplatte 2 realisierbar sind.Within a stack of plates formed by the electrolyzer 1, the bipolar plates 2 are in an upright position, with the width B ₂ being less than the height A ₂ in the exemplary embodiment shown. The active areas 3, 3' are also rectangular, in which case the width denoted by B ₃ is greater than the height A ₃ of each active area 3, 3'. In a way that is known in principle and is not shown, the active surface 3, 3' can also have a different basic shape. In the exemplary embodiment, the active surface 3, 3′ takes up 50%±20% of the total surface of each side of the bipolar plate 2, with designs having a larger proportion of the active surface 3, 3′ in the total surface of the bipolar plate 2 also being realizable.

Innerhalb der Aktivfläche 3, 3' sind durch die Bipolarplatte 2 zahlreiche vertikale Strömungskanäle 4, 4' ausgebildet, welche beim Betrieb des Elektrolyseurs 1 von unten nach oben mit Wasser durchströmt werden. Alternativ könnte die Aktivfläche 3, 3' eine andere Strukturierung aufweisen oder auch, zumindest partiell, glatt sein.Within the active surface 3, 3', numerous vertical flow channels 4, 4' are formed through the bipolar plate 2, which during operation of the electrolyte seurs 1 can be flown through with water from bottom to top. Alternatively, the active surface 3, 3' could have a different structure or, at least partially, be smooth.

Zu zerlegendes Wasser wird im Elektrolyseur 1 durch den Einlass-Port 5 am unteren Rand der Bipolarplatten 2 zugeführt und strömt auf der Kathodenseite 2a und der Anodenseite2b der jeweiligen Bipolarplatte 2 nach oben in Richtung der Aktivflächen 3, 3'. Der Einlass-Port 5 weist eine rechteckige, horizontal ausgerichtete Form auf, wobei die Breite des Einlass-Ports 5 der Breite B₃ der Aktivflächen 3, 3' entspricht. Water to be broken down is fed into the electrolyzer 1 through the inlet port 5 at the lower edge of the bipolar plates 2 and flows upwards on the cathode side 2a and the anode side 2b of the respective bipolar plate 2 in the direction of the active surfaces 3, 3'. The inlet port 5 has a rectangular, horizontally aligned shape, the width of the inlet port 5 corresponding to the width B ₃ of the active surfaces 3, 3'.

Die Höhe des Einlass-Ports 5 ist mit A₅ angegeben und entspricht im Ausführungsbeispiel circa 15 % bis 35 % der Höhe A₃ der jeweiligen Aktivfläche 3, 3'. Oberhalb des Einlass-Ports 5 befindet sich ein schmales, bandförmiges Einlass-Verteilerfeld 6, 6', dessen Breite ebenfalls mit der Breite B₃ der Aktivflächen 3, 3' sowie der Breite des Einlass-Ports 5 identisch ist. Die mit A₆ angegebene Höhe des Einlass-Verteilerfelds 6, 6', welches einerseits an den Einlass-Port 5 und andererseits an die jeweilige Aktivfläche 3, 3' anschließt, beträgt im vorliegenden Fall weniger als ein Viertel der Höhe A₅ des Einlass-Ports 5. Die Gesamthöhe von Einlass-Port 5 und jeweiligem Einlass-Verteilerfeld 6, 6', das heißt die Summe aus A₅ und A₆, entspricht weniger als der Hälfte der Höhe A₃ der jeweiligen Aktivfläche 3, 3'.The height of the inlet port 5 is given as A ₅ and in the exemplary embodiment corresponds to approximately 15% to 35% of the height A ₃ of the respective active surface 3, 3'. Above the inlet port 5 there is a narrow, ribbon-shaped inlet distributor field 6, 6', the width of which is also identical to the width B ₃ of the active surfaces 3, 3' and the width of the inlet port 5. The height of the inlet distributor panel 6, 6' indicated with A ₆ , which connects to the inlet port 5 on the one hand and to the respective active surface 3, 3' on the other hand, is less than a quarter of the height A ₅ of the inlet Ports 5. The total height of the inlet port 5 and the respective inlet distributor field 6, 6', ie the sum of A ₅ and A ₆ , corresponds to less than half the height A ₃ of the respective active area 3, 3'.

Direkt oberhalb der Aktivfläche 3, 3' befindet sich ein Auslass-Verteilerfeld 7, 7', in welchem die beiden die jeweilige Aktivfläche 3, 3' vertikal nach oben verlassenden, auf der Kathodenseite 2a beziehungsweise der Anodenseite 2b der Bipolarplatte 2 fließenden Stoffströme einem kathodenseitigen Auslass-Port 8 beziehungsweise einem anodenseitigen Auslass-Port 9 zugeführt werden. Die im vorliegenden Fall einheitliche Höhe der Auslass-Ports 8, 9 ist mit A₈ bezeichnet.Directly above the active surface 3, 3' there is an outlet distributor field 7, 7', in which the two material streams leaving the respective active surface 3, 3' vertically upwards and flowing on the cathode side 2a and the anode side 2b of the bipolar plate 2 flow to a cathode side Outlet port 8 or an anode-side outlet port 9 are supplied. The height of the outlet ports 8, 9, which is uniform in the present case, is denoted by A ₈ .

Den kathodenseitigen Auslass-Port 8 erreicht eine Mischung aus Wasserstoff und Wasser, den anodenseitigen Auslass-Port 9 eine Mischung aus Sauerstoff und Wasser. Das Auslass-Verteilerfeld 7, 7' erstreckt sich, ebenso wie der Einlass-Port 5 und das Einlass-Verteilerfeld 6, 6', über die gesamte Breite B₃ der jeweiligen Aktivfläche 3, 3'. Die mit A₇ bezeichnete Höhe des Auslass-Verteilerfelds 7, 7' beträgt mehr als das Doppelte der Höhe A₆ des Einlass-Verteilerfelds 6, 6'.A mixture of hydrogen and water reaches the outlet port 8 on the cathode side, and a mixture of oxygen and water reaches the outlet port 9 on the anode side. The outlet distribution panel 7, 7', like the inlet port 5 and the inlet distribution panel 6, 6', extends over the entire width B ₃ of the respective active surface 3, 3'. The height of the outlet distributor panel 7, 7', designated A ₇ , is more than twice the height A ₆ of the inlet distributor panel 6, 6'.

Innerhalb des Einlass-Verteilerfelds 6 gemäß 1 ist eine Kanalstruktur 10 ausgebildet, welche ausschnittsweise in 2 dargestellt ist. Hierbei befindet sich der in 2 links dargestellte Ausschnitt der Kanalstruktur 10 senkrecht unter dem kathodenseitigen Auslass-Port 8 und der in 2 rechts dargestellte Teil der Kanalstruktur 10 senkrecht unter dem anodenseitigen Auslass-Port 9. Die Kanalstruktur 10 weist eine über die Breite des Einlass-Verteilerfelds 6 variierende Gestaltung auf, wobei die in der linken Hälfte von 2 veranschaulichte Gestaltung allmählich in die in der rechten Hälfte von 2 skizzierte Gestaltung übergeht, wobei auch ein gestufter Übergang zwischen den verschiedenen Querschnittsgestaltungen der Kanalstruktur 10 möglich ist. Eine Kathoden-Zuleitungs-Struktur ist in 2 mit 11, eine Anoden-Zuleitungs-Struktur mit 12 bezeichnet. Auf der, bezogen auf die Anordnung nach den 1 und 2, linken Seite des Einlass-Verteilerfelds 6 sind durch die Kathoden-Zuleitungs-Struktur 11 lediglich schmale Strömungsquerschnitte freigegeben, welche eine Medienströmung in Richtung zum kathodenseitigen Auslass-Port 8 ermöglichen. Nach rechts hin werden die Strömungsquerschnitte, welche durch die Kathoden-Zuleitungs-Struktur 11 freigegeben sind, stetig breiter, bis schließlich die in der rechten Hälfte von 2 erkennbare Struktur erreicht ist. Somit ermöglicht derjenige Abschnitt des Einlass-Verteilerfelds 6, welcher am weitesten vom kathodenseitigen Auslass-Port 8 entfernt ist, den leichtesten Durchtritt von Wasser zur Kathodenseite der Bipolarplatte 2. Damit ist ein Kompensationseffekt realisiert, der für eine näherungsweise gleichförmige Beaufschlagung der Kathodenseite der Bipolarplatte 2 mit Wasser sorgt.Inside the inlet manifold panel 6 according to 1 a channel structure 10 is formed, which is partially shown in 2 is shown. Here is the in 2 section of the channel structure 10 shown on the left vertically below the cathode-side outlet port 8 and the in 2 The part of the channel structure 10 shown on the right is perpendicular below the anode-side outlet port 9. The channel structure 10 has a configuration that varies over the width of the inlet distributor panel 6, the left-hand half of FIG 2 illustrated design gradually into that in the right half of 2 outlined design goes over, with a stepped transition between the different cross-sectional configurations of the channel structure 10 is possible. A cathode lead structure is in 2 denoted by 11, an anode lead structure by 12. On the, based on the arrangement according to the 1 and 2 , Left-hand side of the inlet distributor panel 6, only narrow flow cross-sections are released through the cathode-supply line structure 11, which enable media to flow in the direction of the outlet port 8 on the cathode side. To the right, the flow cross-sections, which are released by the cathode-supply structure 11, steadily widen, until finally in the right half of 2 recognizable structure is reached. Thus, that section of the inlet distribution panel 6 which is furthest away from the cathode-side outlet port 8 allows water to pass through to the cathode side of the bipolar plate 2 most easily with water.

In analoger Weise sorgt die Kanalstruktur 10 auch für eine zumindest näherungsweise gleichförmige Beaufschlagung der Anodenseite 2b der Bipolarplatte 2 mit Wasser, welches von unten durch den gemeinsamen Einlass-Port 5 für die Anodenseite 2b und Kathodenseite 2a einströmt. Die weitesten Strömungsquerschnitte der Kanalstruktur 10, welche an die Anodenseite 2b der Bipolarplatte 2 gemäß 3 anschließen, sind in demjenigen Bereich des Einlass-Verteilerfelds 6' gebildet, in welchem die Kathoden-Zuleitungs-Struktur 11 die engsten Strömungsquerschnitte aufweist. In der Anordnung nach 3 ist dies rechts und damit in demjenigen Bereich des Einlass-Verteilerfelds 6', welcher am weitesten vom anodenseitigen Auslass-Port 9 entfernt ist. Die engsten Strömungsquerschnitte der Anoden-Zuleitungs-Struktur 12 sind nahe des linken Randes der Bipolarplatte 2 und damit senkrecht unterhalb des anodenseitigen Auslass-Ports 9 gegeben.Similarly, the channel structure 10 also ensures that the anode side 2b of the bipolar plate 2 is at least approximately uniformly exposed to water, which flows in from below through the common inlet port 5 for the anode side 2b and cathode side 2a. The widest flow cross-sections of the channel structure 10, which correspond to the anode side 2b of the bipolar plate 2. FIG 3 connect, are formed in that area of the inlet distributor field 6 ', in which the cathode supply line structure 11 has the narrowest flow cross sections. In the arrangement after 3 this is on the right and thus in that area of the inlet distributor panel 6' which is furthest away from the anode-side outlet port 9. The narrowest flow cross sections of the anode feed line structure 12 are near the left-hand edge of the bipolar plate 2 and thus perpendicularly below the anode-side outlet port 9 .

BezugszeichenlisteReference List

11: Elektrolyseurelectrolyser
22: Bipolarplattebipolar plate
2a2a: Kathodenseitecathode side
2b2 B: Anodenseiteanode side
3, 3'3, 3': Aktivflächeactive surface
4, 4'4, 4': Strömungskanal der Aktivflächeflow channel of the active surface
55: Einlass-Portinlet port
6, 6'6, 6': Einlass-Verteilerfeldinlet panel
7, 7'7, 7': Auslass-Verteilerfeldoutlet panel
88th: kathodenseitiger Auslass-Portcathode-side outlet port
99: anodenseitiger Auslass-Portanode-side outlet port
1010: Kanalstruktur des Einlass-VerteilerfeldsInlet manifold duct structure
1111: Kathoden-Zuleitungs-StrukturCathode lead structure
1212: Anoden-Zuleitungs-Strukturanode lead structure
1313: Polymer-Elektrolyt-MembraneinheitPolymer Electrolyte Membrane Unit
1414: Polymer-Elektrolyt-Membranpolymer electrolyte membrane
1515: poröse Fluidverteilerschicht porous fluid distribution layer
B2B2: Breite der Bipolarplattewidth of the bipolar plate
B3B3: Breite der AktivflächeWidth of the active area
A2A2: Höhe der BipolarplatteHeight of the bipolar plate
A3A3: Höhe der Aktivflächeheight of the active surface
A5A5: Höhe des Einlass-PortsInlet port height
A6A6: Höhe des Einlass-VerteilerfeldsHeight of inlet distribution panel
A7A7: Höhe des Auslass-VerteilerfeldsOutlet panel height
A8A8: Höhe der Auslass-PortsElevation of outlet ports

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 3489394 B1 [0002]
EP 3140434 B1 [0003]
EP 2957659 B1 [0003]
WO 2019/009732 A2 [0004]
DE 102009003777 A1 [0005]
WO 2015/147142 A1 [0006]
EP 2148941 B1 [0007]
US 2012/0048731 A1 [0008]
DE 3000313 A1 [0009]

Claims

Electrolyser (1) for water electrolysis, with a multiplicity of bipolar plates (2), each having an anode side (2b) and a cathode side (2a), the anode side (2b) and the cathode side (2a) each having an active surface (3, 3' ) and with exactly one inlet port (5) arranged below the two active surfaces (3, 3') of the bipolar plate (2) for the simultaneous supply of both the anode side (2b) and the cathode side (2a) of the respective bipolar plate (2 ) with water, one designed to distribute water to the active surfaces (3, 3') of the cathode side (2a) and the anode side (2b) of the bipolar plate (2), between the inlet port (5) and the active surfaces (3 , 3') of the respective bipolar plate (2) and an outlet distributor field (7, 7') arranged above the active surfaces (3, 3') of the respective bipolar plate (2) and at least two outlets arranged next to one another downstream of these lass ports (8, 9) for the separate discharge of fluid flows originating from the anode side (2b) and the cathode side (2a) of the respective bipolar plate (2).

Electrolyser (1) after claim 1 , characterized in that the inlet port (5) extends over at least 95% of the width (B ₃ ), in particular the full width, of the active field (3, 3 ').

Electrolyser (1) after claim 2 , characterized in that the height (A ₆ ) of the inlet manifold (6, 6') is less than half the height (A ₇ ) of the outlet manifold (7, 7').

Electrolyser (1) after claim 3 , characterized in that the height (A ₆ ) of the inlet manifold (6, 6') is less than half the height (A ₅ ) of the inlet port (5).

Electrolyser (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that vertical flow channels (4, 4') for water are delimited by a structuring of the active surfaces (3, 3') of the bipolar plate (2).

Electrolyser (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that within the inlet distribution field (6, 6') different, on the cathode side or on the anode side, opening into the respective active surface (3, 3'), vertically aligned flow channels (10) are formed.

Electrolyser (1) after claim 6 , characterized in that the flow cross-sections of the flow channels (10) on the cathode side formed within the inlet distributor field (6) increase from the side of the cathode-side outlet port (8) to the side of the anode-side outlet port (9), whereas the flow cross-sections of the the anode-side flow channels (10) formed within the inlet distribution field (6') decrease from the side of the cathode-side outlet port (8) to the side of the anode-side outlet port (9).

Electrolyser (1) after claim 6 or 7 , characterized in that the flow channels (10) in the inlet distributor field (6, 6 ') have a trapezoidal cross-section.

Electrolyser (1) according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that this is designed as a PEM electrolyzer.

Method for the electrolysis of water using an electrolyzer (1) according to any one of Claims 1 until 9 , wherein water is supplied via the inlet port (5) and divided into a cathode-side and an anode-side stream, each stream being sequentially fed to the inlet manifold array (6, 6'), the active surface (3, 3') and the outlet distribution panel (7, 7') on the cathode side (2a) or the anode side (2b) of the vertically aligned bipolar plate (2).