DE102022110126A1 - Elektrochemische Zelle und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer elektrochemischen Zelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer elektrochemischen Zelle (2) und eine elektrochemische Zelle (2), insbesondere Elektrolysezelle, mit mindestens einem Bauteil mit strömungsleitenden Kanälen (11, 13), wobei das Bauteil umfassend einen als offen-poröse Transportschicht vorgesehenen offen-porösen Sinterkörper (10), welcher eine als kalibrierte Fläche ausgebildete Kontaktfläche aufweist, die einen Kanal (11, 13) zur Leitung eines Fluids begrenzt, sowie eine Elektrodenplatte (3) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Elektrolysezelle zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle, welche strömungsleitende Konturen aufweist.
  • Zahlreiche Ausgestaltungen von elektrochemischen Zellen, welche Elemente zur Leitung von Fluiden umfassen, sind zum Beispiel aus einer Patentfamilie bekannt, welche die Dokumente US 6,232,010 B1 , US 6,991,869 B2 und EP 1 214 749 B1 umfasst. Strukturen, die die Verteilung von Gasen ermöglichen, können danach beispielsweise aus Metallschaum oder gesintertem Material hergestellt sein. Als grundsätzlich bekannt werden ferner plattenförmige Elektroden angenommen, welche aus einem porösen Material gefertigt sind und zugleich Strömungskanäle definierter Geometrie bereitstellen. Um eine Gasdiffusionsschicht abzudichten, kann auf eine solche Schicht beispielsweise eine Paste aufgetragen werden, welche im weiteren Herstellungsprozess getrocknet wird. Als Bestandteil einer Gasdiffusionsmatrix wird unter anderem leitfähige Kohlefaser vorgeschlagen. Innerhalb einer Gasdiffusionsschicht kann sich ein Stromkollektor in Form eines Netzes aus einem metallischen Werkstoff befinden.
  • Die DE 10 2016 221 395 A1 offenbart eine Biopolarplatte und eine poröse Transportschicht für einen Elektrolyseur. Hierbei ist eine im Querschnitt kammartige Strukturierung der Bipolarplatte vorgesehen. Die Bipolarplatte weist eine Schicht auf, welche eine Komponente enthält, die aus Ir, Ru, Rh, Os, deren Oxiden oder Mischungen hiervon ausgewählt ist. Dieselben Komponenten sind in der DE 10 2016 221 395 A1 auch als Komponenten der porösen Transportschicht genannt.
  • Aus der EP 3 748 039 A1 ist die Verwendung elektrisch leitfähiger Nanofasern für eine polymermembran-basierte Elektrolyse bekannt. Die Nanofasern sind Teil eines Schichtsystems und können katalytisch aktiv sein. Das Schichtsystem nach der EP 3 748 039 A1 kann zusätzlich zu einer Polymermembran ferner mehrere Transportschichten umfassen.
  • Ein weiterer Elektrolyseur zur Wasserelektrolyse, welcher Strukturen zur Leitung von Fluiden aufweist, ist zum Beispiel in der KR 20200127077 A offenbart. Auch in diesem Fall sind Gasdiffusionslagen sowie eine Polymermembran vorhanden. Darüber hinaus sind in der KR 20200127077 A Dichtungsstrukturen beschrieben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte gegenüber dem genannten Stand der Technik bei der elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff zu erzielen, wobei strömungs- und elektrotechnischen Aspekten ebenso wie fertigungstechnischen Aspekten Rechnung getragen werden soll.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer elektrochemischen Zelle, insbesondere Elektrolysezelle zur Wasserstoffgewinnung, gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch eine strömungsleitende Konturen aufweisende elektrochemischen Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Im Folgenden im Zusammenhang mit der elektrochemischen Zelle, insbesondere Elektrolysezelle, erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Herstellungsverfahren und umgekehrt.
  • Das Herstellungsverfahren umfasst folgende Schritte:
    • - Bereitstellung eines offen-porösen Sinterkörpers, welcher in der späteren elektrochemischen Zelle als poröse Transportschicht fungiert,
    • - Umformtechnisches Kalibrieren des Sinterkörpers, so dass dieser eine Kontaktfläche definierter Geometrie aufweist,
    • - Zusammenbau des kalibrierten Sinterkörpers mit einer die elektrochemische Zelle begrenzenden Elektrodenplatte zu dem Bauteil derart, dass zwischen dem Sinterkörper und der Elektrodenplatte zumindest teilweise geometrisch definierte Kanäle gebildet werden.
  • Geometrische Ungenauigkeiten jeder einzelnen elektrochemischen Zelle und deren Einzelkomponenten können sich beim Zusammenbau eines Stapels addieren, sodass im ungünstigsten Fall das Risiko gegeben ist, dass vorgegebene Toleranzbereiche verlassen werden. Eine Rolle spielt hierbei insbesondere die Abstimmung der Höhe der inneren Zellkomponenten auf die Höhe des diese Komponenten umschließenden Rahmens. Diese Abstimmung ist hinsichtlich der Abdichtung und der Funktionalität der elektrochemischen Zellen besonders relevant. Um die genannten Risiken zu minimieren, sind vorgegebene Abmessungen, insbesondere die Höhe des Sinterkörpers, exakt einzuhalten. Analoges gilt für die Oberflächenqualität des Sinterkörpers. Die gleichzeitige Erfüllung beider Anforderungen, das heißt sowohl der äußeren Abmessung einschließlich einer Breite und einer Länge sowie die Herstellung von Oberflächen mit genau definierten Merkmalen wird in den vorliegenden Fällen durch umformende Verfahren in dem Kalibrier-Schritt erzielt.
  • Bei dem Sintermaterial, aus welchem die offen-poröse Transportschicht gebildet ist, handelt es sich per se um ein Material, welches aufgrund einer offenen Porosität Strömungsquerschnitte geometrisch nicht definierter Gestalt bereitstellt. In der fertiggestellten elektrochemischen Zelle ist somit in allen Fällen ein Zusammenspiel geometrisch definierter, zumindest zum Teil kalibrierter Konturen mit geometrisch nicht definierten Konturen gegeben.
  • Bei dem Sinterkörper handelt es sich um einen offen-porösen Körper, der von Fluid durchströmbar ist. Dabei weist der Sinterkörper vorzugsweise eine offene Porosität im Bereich von mindestens 25 Vol.-%, insbesondere im Bereich von 45 bis 55 Vol.-% auf. Die Porengröße liegt bevorzugt überwiegend im makroporösen Bereich bei > 50 nm. Insbesondere liegt die Porengröße im Sinterkörper im Bereich von 250 bis 350 µm.
  • Dabei kann der offen-poröse Sinterkörper bereits mit Konturen mindestens eines Kanals zur Durchleitung eines Fluids, das heißt Betriebsmediums der elektrochemischen Zelle, ausgebildet sein.
  • Es ist aber alternativ oder zusätzlich die Möglichkeit gegeben, gleichzeitig mit dem Kalibrieren, welches die exakte umformtechnische Erzielung vorgegebener geometrischer Merkmale bedeutet, Konturen mindestens eines Kanals zur Durchleitung eines Fluids, das heißt Betriebsmediums der elektrochemischen Zelle, zu formen. Das Kalibrieren kann grundsätzlich in einem diskontinuierlichen Prozess, insbesondere mittels einer Presse, und/oder in einem kontinuierlichen Prozess, insbesondere durch Kalibrierwalzen, erfolgen.
  • Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle weist mindestens ein Bauteil mit strömungsleitenden Kanälen auf, wobei das Bauteil umfassend einen als offen-poröse Transportschicht vorgesehene offen-porösen Sinterkörper, welcher eine als kalibrierte Fläche ausgebildete Kontaktfläche geometrisch definierter makroskopischer Gestalt aufweist, die mindestens einen Kanal zur Leitung eines in der elektrochemischen Zelle befindlichen Fluids begrenzt, sowie eine Elektrodenplatte aufweist.
  • Der mindestens eine Kanal definierten Querschnitts ist gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen auf derjenigen Seite des insgesamt typischerweise flächigen oder plattenförmigen Sinterkörpers ausgebildet, welche einer Elektrodenplatte, insbesondere Monopolar- oder Bipolarplatte, zugewandt ist. Auf der gegenüberliegenden, einer Membran-Elektroden-Anordnung, enthaltend eine vorzugsweise polymere Ionenaustauschmembran und auf jeder Seite der Membran eine mikroporöse Elektrode, der elektrochemischen Zelle zugewandten, insbesondere auf der Membran-Elektroden-Anordnung aufliegenden Seite des Sinterkörpers, sind dagegen in vorteilhafter Ausgestaltung keine Kanäle definierter Geometrie vorhanden.
  • Auf diese Weise ist eine annähernd vollflächige, lediglich durch die offene Porosität des Sinterkörpers an der Membran-Elektroden-Anordnung- geminderte Anlage des Sinterkörpers an der Membran-Elektroden-Anordnung realisierbar. Dies kommt sowohl der Stromtragfähigkeit als auch der mechanischen Belastbarkeit zu Gute.
  • Die auf der Membran beidseitig aufgebrachten Elektroden sind jeweils zumindest mesoporöse mit einer Porengröße < 50 nm, insbesondere mikroporös mit einer Porengröße < 2 nm, ausgebildet. Die Elektroden weisen insbesondere eine katalytische Eigenschaft auf.
  • Die geometrisch in exakt definierter Weise strukturierte, kalibrierte Oberfläche des Sinterkörpers kann beispielsweise direkt auf einer Elektrodenplatte, insbesondere Monopolar- oder Bipolarplatte, aufliegen. Eine in diesem Fall im Vergleich zur Membranseite reduzierte Kontaktfläche ist aufgrund der im Vergleich zur Membran-Elektroden -Einheit wesentlich stabileren Gestaltung der Elektrodenplatte unproblematisch.
  • Gemäß einer möglichen Weiterbildung befindet sich zwischen dem Sinterkörper und der Elektrodenplatte ein elektrisch leitfähiges Gitter, beispielsweise in Form eines Geflechtes, Gestrickes, Gewebes, Fasergeleges, insbesondere aus Metall, oder in Form von Streckmetall. In jedem Fall sorgt der Sinterkörper für einen Abstand zwischen der Elektrodenplatte und der Membran-Elektroden-Anordnung der elektrochemischen Zelle, so dass Beschädigungen der Membran-Elektroden-Anordnung durch das Gitter prinzipbedingt ausgeschlossen sind. Gleichzeitig werden durch das Gitter, welches zusammen mit zumindest teilweise kalibrierten Außenkonturen des Sinterkörpers Strömungskanäle begrenzt, großzügig dimensionierte freie Querschnitte für durchzuleitende flüssige und/oder gasförmige Fluide bereitgestellt.
  • Soweit die Strömungskanäle geometrisch definierter Gestalt durch den Sinterkörper gebildet sind, existiert beispielsweise eine Mehrzahl an strömungstechnisch parallel zueinander geschalteten Kanälen. Die einzelnen Kanäle sind beispielsweise auf ihrer gesamten Länge zum Gitter, welches die Elektrodenplatte kontaktiert, hin offen. In prinzipiell vergleichbarer Anordnung des Sinterkörpers können bei einem Entfall des Gitters die Strömungskanäle jeweils einen Querschnitt aufweisen, welcher auf einer Seite unmittelbar durch die Elektrodenplatte begrenzt ist.
  • Unabhängig von der Parallel- und/oder Reihenschaltung der Strömungskanäle weisen diese beispielsweise einen bogenförmigen Querschnitt oder Profil auf. Ebenso können Strömungskanäle mit einem sonstigen, beispielsweise ovalen, rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt oder Profil vorliegen. Der Sinterkörper kann in allen Fällen zum Beispiel aus legiertem oder unlegiertem Titan, insbesondere aus Ti Gr1 (Werkstoffnummer 3.7025) oder Ti Gr2 (Werkstoffnummer 3.7035), gefertigt werden. Dies ist insbesondere bevorzugt für die Sauerstoffseite, also die Anodenseite. Für die Kathodenseite kann kostengünstig auch ein Sinterkörper aus Edelstahl eingesetzt werden.
  • Optional existieren Querverbindungen zwischen mehreren, zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufenden Kanälen, wobei Ein- und Auslassöffnungen derart in dem Sinterkörper ausgebildet sein können, dass die Ein- und Ausströmrichtung jeweils einen rechten Winkel mit der Längsrichtung der Kanäle einschließt. Unabhängig von der Querschnittsgestaltung und fluidtechnischen Verschaltung der Strömungskanälen können sämtliche Kanäle dieselbe Höhe aufweisen oder Kanäle verschiedener Höhe vorhanden sein. Die einzelnen Kanäle verlaufen nicht notwendigerweise gerade. Vielmehr können zumindest einzelne der Kanäle beispielsweise Knicke oder Biegungen beschreiben, um den durch den Strömungsfluss entstehenden Druckabfall gezielt einzustellen.
  • Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch eine geschickte Kombination geometrisch definierter und geometrisch nicht definierter Strukturen Kräfte, die in einem Zellenstapel wirken, strömende Medien sowie elektrische Ströme derart in einer elektrochemischen Zelle sowie im gesamten Zellenstapel verteilt werden, dass verschiedene Komponenten jeder Zelle, insbesondere zum einen deren Membran-Elektroden-Anordnung und zum anderen eine Elektrodenplatte, entsprechend der Bauart der jeweiligen Komponente unterschiedlichen, die verschiedenen elektrischen und mechanischen Tragfähigkeiten berücksichtigenden Belastungen ausgesetzt werden. Zugleich ist in Relation zur Zellhöhe eine gute Durchströmbarkeit der Zelle gegeben.
  • Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
    • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Zelle, nämlich Elektrolysezelle, in einer Schnittdarstellung,
    • 2 Komponenten einer bekannten Ausgestaltung einer elektrochemischen Zelle,
    • 3 Komponenten einer weiteren elektrochemischen Zelle in einer Schnittdarstellung analog 2,
    • 4 eine Kanalstruktur eines Sinterkörpers einer elektrochemischen Zelle,
    • 5 in perspektivischer Ansicht eine weitere Gestaltungsmöglichkeit eines Sinterkörpers mit Kanalstruktur,
    • 6 in einer Schnittdarstellung einen Sinterkörper mit Kanälen unterschiedlicher Höhe,
    • 7 und 8 in schematischer Darstellung verschiedene plattenförmige Sinterkörper, welche jeweils Kanäle aufweisen, die sich von einer Stirnseite bis zur gegenüberliegenden Stirnseite des Sinterkörpers erstrecken,
    • 9 einen Sinterkörper mit orthogonal zu einer Kanalanordnung ausgerichteten Ein- und Ausströmöffnungen,
    • 10 und 11 verschiedene Varianten von Kanalanordnungen eines Sinterkörpers, dessen äußere Form in 9 dargestellt ist.
  • Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Bei einem in den Figuren nur ausschnittsweise dargestellten Stapel 1 elektrochemischer Zellen 2 handelt es sich um einen Stack einer nicht weiter dargestellten Elektrolyseanlage zur Wasserstoffgewinnung. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion einer solchen Elektrolyseanlage wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
  • Der Elektrolyse-Stack 1 umfasst eine Vielzahl an Elektrodenplatten 3, welche in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind und eine Halbzelle einer ersten elektrochemischen Zelle 2, das heißt Elektrolysezelle, von einer Halbzelle 5 einer weiteren Zelle 2 trennen. In jeder elektrochemischen Zelle 2 befindet sich eine deren Halbzellen 4, 5 voneinander trennende Membran-Elektroden-Anordnung 6. Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung 6 sind eine Elektrode 7 mit offener Mikroporosität, eine Membran 8 in Form einer polymeren lonenaustauschmembrane, und eine Elektrode 9 mit offener Mikroporosität. Die Membran-Elektroden-Anordnung 6 wird beidseitig kontaktiert durch jeweils eine poröse Transportschicht 10, welche in den vorliegenden Fällen als Sinterkörper 10 ausgebildet ist.
  • 2 zeigt eine an sich bekannte Ausgestaltung einer elektrochemischen Zelle 2, bei der zwischen einem Sinterkörper 10 und der Elektrodenplatte 3 keine geometrisch definierten Kanäle vorhanden sind. Ein Gitter 12 ist zwischen den Sinterkörper 10 und die Elektrodenplatte 3 eingelegt. 3 zeigt dagegen eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der zwischen dem Sinterkörper 10 und der Elektrodenplatte 3 geometrisch definierte Kanäle 11 vorhanden sind. Auch hier befindet sich zusätzlich ein Gitter 12, welches zwischen den Sinterkörper 10 und die Elektrodenplatte 3 eingelegt ist, in der Halbzelle 4, 5. Ansonsten kontaktiert der Sinterkörper 10 die Elektrodenplatte 3 über das elektrisch leitfähige Gitter 12.
  • Die Sinterkörper 10, das heißt makroporöse Körper, können anodenseitig und kathodenseitig unterschiedlich ausgeführt sein, wobei in beiden Fällen insbesondere Ti 1 (Werkstoffnummer 3.7025) sowie Ti 2 (Werkstoffnummer 3.7035) zur Herstellung des Sinterkörpers 10 geeignet ist.
  • In jedem Fall begrenzt der Sinterkörper 10 Kanäle 11, welche eine geometrisch definierte Form haben und die Strömung eines gasförmige und/oder flüssige Anteile aufweisenden Fluids durch die elektrochemische Zelle 2 ermöglichen. Allgemein können Öffnungsquerschnitte durch die poröse Transportschicht 10 und/oder durch das Gitter 12 bereitgestellt werden. Im Fall des Gitters 12, welches beispielsweise in Form von Streckmetall vorliegt, sind in jedem Fall Strömungsquerschnitte geometrisch definierter Form gegeben. Im Fall der Transportschicht 10 ist eine Kombination von Öffnungen geometrisch nicht definierter Form, bedingt durch die offene Porosität, mit geometrisch definierten Öffnungsquerschnitten bedingt durch Kanäle 11 möglich.
  • In der Ausführungsform nach 1 weisen die Kanäle 11 eine Rillenform auf, welche durch die Strukturierung der porösen Transportschicht 10 gegeben ist. Die nebeneinanderliegenden Kanäle 11 sind durch eine Elektrodenplatte 3 abgedeckt. Die Höhe des Sinterkörpers 10 ist mit H angegeben. Die mit HZ angegebene Zellenhöhe der elektrochemischen Zelle 2 ergibt sich aus dem Doppelten der Höhe H, der Dicke der Elektrodenplatte 3 sowie der Dicke der Membran-Elektroden-Anordnung 6.
  • Die in den Figuren gewählten Ansichten beinhalten keine Aussage über die Ausrichtung der Zellen 2 im Raum. Insbesondere können die Elektrodenplatten 3 ebenso wie die Kanäle 11 vertikal ausgerichtet sein.
  • Geometrische Ungenauigkeiten jeder einzelnen elektrochemischen Zelle 2 und deren Einzelkomponenten können sich beim Zusammenbau des Stapels 1 addieren, sodass im ungünstigsten Fall das Risiko gegeben ist, dass vorgegebe Toleranzbereiche verlassen werden. Eine Rolle spielt hierbei insbesondere die Abstimmung der Höhe der inneren Zellkomponenten auf die Höhe des diese Komponenten umschließenden Rahmens. Diese Abstimmung ist hinsichtlich der Abdichtung und der Funktionalität der Zellen 2 besonders relevant.
  • Um die genannten Risiken zu minimieren, sind vorgegebene Abmessungen, insbesondere die Höhe H des Sinterkörpers 10, exakt einzuhalten. Analoges gilt für die Oberflächenqualität des Sinterkörpers 10. Die gleichzeitige Erfüllung beider Anforderungen, das heißt sowohl der äußeren Abmessung einschließlich einer Breite B und einer Länge L sowie die Herstellung von Oberflächen mit genau definierten Merkmalen wird in den vorliegenden Fällen durch umformende Verfahren erzielt. Diese Verfahren erfolgen in Form eines Kalibrierens, welches nicht nur die Außenabmessungen des Sinterkörpers 10 auf die vorgegebenen Werte bringt, sondern zugleich, soweit vorgesehen, die Kanäle 11 formt, welche in den 1, 3, 4, 5, 6 in unterschiedlichen Gestaltungen erkennbar sind. Die Formung der Kanäle 11 kann aber auch bereits im Sinterkörper 10 vor dem Kalibieren ganz oder teilweise erfolgt sein.
  • In allen Fällen liegt der Sinterkörper 10 nahezu vollflächig, ohne Ausnehmungen geometrisch definierter Form, an der Membran-Elektroden-Anordnung 6 an. Auf diese Weise ist sowohl eine hohe Stromtragfähigkeit gegeben als auch die mechanische Belastung der Membran-Elektroden-Anordnung 6 minimiert. Auf der gegenüberliegenden Seite des Sinterkörpers 10 befindet sich die mechanisch vergleichsweise stark belastbare Elektrodenplatte 3, sodass an dieser Stelle eine flächige Anlage, solange eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit gegeben ist, von untergeordneter Bedeutung ist. In der Variante nach 3 sind besonders große freie Strömungsquerschnitte vorhanden, da diese zum einen durch die Rillenstruktur des Sinterkörpers 10 und zum anderen durch das elektrisch leitende, hier metallisch ausgebildete Gitter 12, welches sandwichartig zwischen dem Sinterkörper 10 und der Elektrodenplatte 3 angeordnet ist, gebildet sind.
  • Die Breite eines jeden Kanals 11 ist allgemein mit y bezeichnet. Zwischen zwei benachbarten Kanälen 11 verbleibt ein Steg der Breite x. Die Höhe der Kanäle 11 ist mit h angegeben, wobei im Fall von 6 unterschiedliche Kanalhöhen h1, h2 verschiedener, parallel zueinander verlaufender Kanäle 11, 13 gegeben sind. Die durch den Sinterkörper 10 vorgegebenen Kanalquerschnitte können bogenförmig, insbesondere halbkreisförmig, oder trapezförmig (4) sein. Im letztgenannten Fall ist der Winkel zwischen Flanken von Kanalwandungen mit α angegeben. Der Winkel α beträgt in diesem Fall 90° ± 15°.
  • Gemäß einer ersten Gruppe an Ausführungsbeispielen, auf welche sich die 7 und 8 beziehen, erstrecken sich sämtliche Kanäle 11 von einer Stirnseite des insgesamt quaderförmigen Sinterkörpers 10 zur gegenüberliegenden Stirnseite des Sinterkörpers 10. Die Kanäle 11 können eine gerade Form aufweisen, wie in 7 skizziert. Alternativ können, wie in 8 angedeutet, Kanäle 11 mit Knickstellen 14 vorhanden sein.
  • Eine weitere Gruppe an Ausführungsbeispielen, welche in den 9 bis 11 veranschaulicht ist, ermöglicht die Ein- und/oder Ausströmung eines Mediums senkrecht zur Ausrichtung der Kanäle 11, 13. Zu diesem Zweck sind Öffnungen 15 vorhanden, welche sich, bezogen auf die Anordnung nach den 9 bis 11, auf der Oberseite und/oder Unterseite des plattenförmigen Sinterkörpers 10 befinden. Stirnseitige Öffnungen sind in diesen Fällen nicht vorhanden. Stattdessen können, wie in den 10 und 11 angedeutet, Querverbindungen zwischen den im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Kanälen 11 vorhanden sein.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Stapel elektrochemischer Zellen, Stack
    2
    elektrochemische Zelle
    3
    Elektrodenplatte, insbesondere Monopolarplatte oder Bipolarplatte
    4
    Halbzelle
    5
    Halbzelle
    6
    Membran-Elektroden-Anordnung
    7
    Elektrode
    8
    Membran
    9
    Elektrode
    10
    Offen-poröse Transportschicht, offen-poröser Sinterkörper
    11
    Kanal
    12
    Gitter
    13
    Kanal
    14
    Knickstelle
    15
    Öffnung
    α
    Winkel
    B
    Breite des Sinterkörpers
    h, h1, h2
    Kanalhöhe
    H
    Höhe des Sinterkörpers
    HG
    Gitterhöhe
    HZ
    Zellenhöhe
    L
    Länge des Sinterkörpers
    x
    Stegbreite
    y
    Kanalbreite
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6232010 B1 [0002]
    • US 6991869 B2 [0002]
    • EP 1214749 B1 [0002]
    • DE 102016221395 A1 [0003]
    • EP 3748039 A1 [0004]
    • KR 20200127077 [0005]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer elektrochemischen Zelle (2), mit folgenden Schritten: - Bereitstellung eines offen-porösen Sinterkörpers (10), - Umformtechnisches Kalibrieren des Sinterkörpers (10), so dass dieser eine Kontaktfläche definierter Geometrie aufweist, - Zusammenbau des kalibrierten Sinterkörpers (10) mit einer die elektrochemische Zelle (2) begrenzenden Elektrodenplatte (3) zu dem Bauteil derart, dass zwischen dem Sinterkörper (10) und der Elektrodenplatte (3) zumindest teilweise geometrisch definierte Kanäle (11, 13) gebildet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Sinterkörper (10) und/oder gleichzeitig mit dem Kalibrieren des Sinterkörpers (10) Konturen mindestens eines Kanals (11, 13) geformt werden.
  3. Elektrochemische Zelle (2) mit mindestens einem Bauteil mit strömungsleitenden Kanälen (11, 13), wobei das Bauteil umfassend einen als offen-poröse Transportschicht vorgesehenen offen-porösen Sinterkörper (10), welcher eine als kalibrierte Fläche ausgebildete Kontaktfläche aufweist, die einen Kanal (11, 13) zur Leitung eines Fluids begrenzt, sowie eine Elektrodenplatte (3) ausgebildet ist.
  4. Elektrochemische Zelle (2) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein den Sinterkörper (10) oder den Sinterkörper (10) und die Elektrodenplatte (3) kontaktierendes Gitter (12).
  5. Elektrochemische Zelle (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Sinterkörper (10) eine Mehrzahl an strömungstechnisch parallel zueinander geschalteten Kanälen (11, 13) gebildet sind.
  6. Elektrochemische Zelle (2) nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (11,13) auf ihrer gesamten Länge zum Gitter (12) hin offen sind.
  7. Elektrochemische Zelle (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (11, 13) einen Querschnitt beschreibt, welcher aus der Gruppe an Querschnittsformen ausgewählt ist, die bogenförmige und trapezförmige Querschnitte umfasst.
  8. Elektrochemische Zelle (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterkörper (10) aus einem Titan-basierten Material gefertigt ist, welches aus der Gruppe an Materialien ausgewählt ist, die Ti Gr1 (Werkstoffnummer 3.7025) und Ti Gr2 (Werkstoffnummer 3.7035) umfasst.
  9. Elektrochemische Zelle (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Querverbindungen zwischen mehreren zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufenden Kanälen (11, 13) vorgesehen sind, wobei Ein- und Auslassöffnungen (15) derart in dem Sinterkörper (10) ausgebildet sind, dass die Ein- und Ausströmrichtung jeweils einen rechten Winkel mit der Längsrichtung der Kanäle (11, 13) einschließt.
  10. Elektrochemische Zelle (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle (11, 13) verschiedener Höhe (h1, h2) durch den Sinterkörper (10) gebildet sind.
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