DE102023123315A1

DE102023123315A1 - Wasserelektrolysezelle

Info

Publication number: DE102023123315A1
Application number: DE102023123315.7A
Authority: DE
Inventors: Hikaru Hasegawa; Kohsei YOSHIDA; Toshio Fukuda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-11-01
Filing date: 2023-08-30
Publication date: 2024-05-02
Also published as: US20240141509A1; JP2024066053A; CN117987844A

Abstract

Eine Wasserelektrolysezelle enthält einen Separator, der auf seiner Vorder- und Rückseite Rillen aufweist, die als Kanäle dienen. Der Separator hat an seinen Enden in planarer Richtung eine sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, eine sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, eine wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, eine wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, eine Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung und eine Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung, in der Draufsicht gesehen. Ein Dichtungselement, das die sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung umgibt, und ein Dichtungselement, das die sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung umgibt, befinden sich, in der Draufsicht gesehen, im Separator, aber keine Dichtungselemente befinden sich um die wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, die wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, die Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung und die Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Wasserelektrolysezellen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Es wurden verschiedene Studien über Wasserelektrolysevorrichtungen durchgeführt. Zum Beispiel offenbart die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2016-060944 ( JP 2016-060944 A ) eine Technik zur Verringerung des Abhebens eines Elektrodenabschnitts durch Anordnung eines Mechanismus zum Aufbringen bzw. Anlegen einer Drucklast in einer Wasserelektrolysezelle in einer Hochdruck-Wasserelektrolysevorrichtung vom Differenzdrucktyp.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Es besteht die Notwendigkeit, den Druck innerhalb einer Wasserelektrolysezelle (im Folgenden manchmal als „Zelle“ bezeichnet) zu erhöhen, um den Druck des durch Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoffs zu erhöhen. Die herkömmliche Zelle hat das Problem, dass ein Separator der Zelle durch den Mechanismus der Lastaufbringung verformt wird. Eine Vergrößerung der Dicke des Separators, um die Verformung des Separators zu verringern, kann das Gewicht der Zelle erhöhen.
Die vorliegende Offenbarung wurde in Anbetracht der oben genannten Umstände gemacht, und es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Wasserelektrolysezelle bereitzustellen, die in der Lage ist, die Verformung eines Separators zu reduzieren.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Wasserelektrolysezelle bereit. Die Wasserelektrolysezelle umfasst einen Separator, der auf der Vorder- und Rückseite des Separators Rillen bzw. Nuten aufweist, die als Kanäle dienen. Der Separator hat an den Enden des Separators in planarer Richtung eine sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, eine sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, eine wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, eine wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, eine Zwischenkanal-Zuführöffnung und eine Zwischenkanal-Abgabeöffnung, in der Draufsicht gesehen. Ein Dichtungselement, das die sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung umgibt, und ein Dichtungselement, das die sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung umgibt, befinden sich, in der Draufsicht gesehen, im Separator, aber keine Dichtungselemente sind um die wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, die wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, die Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung und die Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung angeordnet.
In der vorliegenden Offenbarung kann die Wasserelektrolysezelle ferner einen Elektrodenabschnitt, einen Tragrahmen mit einem den Elektrodenabschnitt umgebenden Öffnungsabschnitt und ein Paar von Separatoren umfassen, die den Elektrodenabschnitt und den Tragrahmen zwischen den Separatoren einschließen.
Die Wasserelektrolysezelle der vorliegenden Offenbarung kann die Verformung des Separators verringern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und in denen:

1 eine schematische Teilschnittansicht ist, die ein Beispiel für einen Teil einer Wasserelektrolysezelle zeigt und ein Problem einer herkömmlichen Wasserelektrolysezelle verdeutlicht;
2 eine schematische Draufsicht ist, die ein Beispiel für die herkömmliche Wasserelektrolysezelle in der Draufsicht zeigt; und
3 eine schematische Draufsicht ist, die ein Beispiel für eine Wasserelektrolysezelle der vorliegenden Offenbarung in der Draufsicht zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden beschrieben. Alle Angelegenheiten, die in der vorliegenden Beschreibung nicht ausdrücklich erwähnt werden, aber für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung notwendig sind (z. B. die allgemeine Konfiguration und das Herstellungsverfahren einer Wasserelektrolysezelle, die die vorliegende Offenbarung nicht charakterisieren), können als Konstruktionsangelegenheiten für einen Fachmann auf der Grundlage des verwandten Standes der Technik in diesem Bereich ausgelegt werden. Die vorliegende Offenbarung kann auf der Grundlage des in der vorliegenden Beschreibung offengelegten Inhalts und des allgemeinen technischen Wissens auf diesem Gebiet durchgeführt werden. Die Maßverhältnisse (Länge, Breite, Dicke usw.) in den Zeichnungen entsprechen nicht den tatsächlichen Maßverhältnissen. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet das Wort „bis“, das einen Zahlenbereich angibt, dass die Zahlenwerte vor und nach dem Wort „bis“ als unterer Grenzwert und oberer Grenzwert gelten. Es kann jede beliebige Kombination von oberen und unteren Grenzwerten in dem Zahlenbereich angenommen werden.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Wasserelektrolysezelle bereit. Die Wasserelektrolysezelle umfasst einen Separator, der auf seiner Vorder- und Rückseite Rillen aufweist, die als Kanäle dienen. Der Separator weist an seinen Enden in planarer Richtung eine sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, eine sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, eine wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, eine wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, eine Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung und eine Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung auf, in der Draufsicht gesehen. Ein Dichtungselement, das die sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung umgibt, und ein Dichtungselement, das die sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung umgibt, befinden sich, in der Draufsicht gesehen, im Separator, aber keine Dichtungselemente sind um die wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, die wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, die Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung und die Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung angeordnet.
1 ist eine schematische Teilschnittansicht, die ein Beispiel für einen Teil einer Wasserelektrolysezelle zeigt und ein Problem einer herkömmlichen Wasserelektrolysezelle verdeutlicht. Wie in 1 dargestellt, umfasst eine herkömmliche Wasserelektrolysezelle 100 einen Anodenseparator 10, eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht 11, eine anodenseitige mikroporöse Schicht 12, eine Anodenkatalysatorschicht 13, eine Elektrolytmembran 14, eine Kathodenkatalysatorschicht 15, eine kathodenseitige mikroporöse Schicht 16, eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 17, einen Kathodenseparator 18 und einen Tragrahmen bzw. Trägerrahmen bzw. Stützrahmen 19.
2 ist eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel für die herkömmliche Wasserelektrolysezelle in der Draufsicht zeigt. Wie in 2 gezeigt, weist ein Separator 60 der herkömmlichen Wasserelektrolysezelle an seinen Enden in einer ebenen Richtung eine sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung 20, eine sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung 21, eine wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung 30, eine wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung 31, eine Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung 40 und eine Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung 41 auf. Im Separator 60 sind die sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung 20, die sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung 21, die wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung 30, die wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung 31, die Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung 40 und die Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung 41 von einem äußeren peripheren Dichtelement 50 umgeben. Die sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung 20, die sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung 21, die wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung 30 und die wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung 31 sind jeweils von einem entsprechenden der Dichtungselemente 51 umgeben. Das äußere Umfangsdichtungselement 50 und die Dichtungselemente 51 können aus demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Wie in 2 gezeigt, ist es in der herkömmlichen Zelle, die als Brennstoffzelle verwendet wird, erforderlich, die Kanäle für die folgenden drei Fluide einzeln abzudichten: Wasserstoff, Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas wie Luft und ein Kühlmittel bzw. Kühlmedium. Die Räume in den Kanälen sind also unabhängig voneinander. Wenn der Druck einer Wasserstoff-Elektrode erhöht wird, wie auf der linken Seite in 1 dargestellt, um den Druck des zu erzeugenden Wasserstoffs zu erhöhen, entsteht ein Differenzdruck innerhalb der Zelle und zwischen den Zellen, und der Anodenseparator 10 wird verformt. Wie auf der rechten Seite in 1 dargestellt, wird der Stützrahmen 19 gezogen, wenn der Anodenseparator 10 verformt wird. Daher wird die Dichtung des Stützrahmens 19 von der Elektrolytmembran 14 getrennt, was zu Leckagen führt.
3 ist eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel der Wasserelektrolysezelle der vorliegenden Offenbarung in der Draufsicht zeigt. In 3 sind die gleichen Konfigurationen wie in 2 durch die gleichen Bezugszeichen wie in 2 gekennzeichnet, und eine Beschreibung derselben wird weggelassen. Wie in 3 gezeigt, ist in einem Separator 70 der Wasserelektrolysezelle der vorliegenden Offenbarung sowohl die sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung 20 als auch die sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung 21 von einem entsprechenden der Dichtungselemente 51 umgeben. Andererseits sind die wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung 30 und die wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung 31 nicht von den Dichtungselementen 51 umgeben, so dass die Räume in den Kathodenfluidkanälen und die Räume in den Kühlmittelkanälen miteinander verbunden sind.
In der vorliegenden Offenbarung sind keine Dichtungselemente angeordnet um die wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung und die wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, die Wasserstoffelektrodenverteiler bilden, und um die Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung und die Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung, die Kühlmittelverteiler der Kühlmittelkanäle zwischen den Zellen bilden. Die Räume in den Kathodenfluidkanälen und die Räume in den Kühlmittelkanälen sind derart miteinander verbunden, so dass der Druck zwischen den Zellen gleich dem Druck der Wasserstoff-Elektrode im Inneren der Zelle wird. Diese Konfiguration verringert die Leckage. In der vorliegenden Offenbarung kann das Kühlmittel durch Verwendung des Separators mit den Kühlmittelkanälen zum Strömen innerhalb der Zelle gebracht werden. Dies reduziert die Wärmeentwicklung innerhalb der Zelle und verbessert die Haltbarkeit der Zelle, der Dichtungselemente usw. Da außerdem eine herkömmliche Zelle für eine Brennstoffzelle als Wasserelektrolysezelle verwendet werden kann, lassen sich die Kosten senken.
Wie im Folgenden beschrieben wird, elektrolysiert die Wasserelektrolysezelle der vorliegenden Offenbarung Wasser, das einer Anode (Sauerstoffelektrode) zugeführt wird, um Sauerstoff an der Anode und Wasserstoff an einer Kathode (Wasserstoffelektrode) zu erzeugen. H₂ O → 2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^- Anode: 2H⁺ + 2e^- → H₂ Kathode:
Die Wasserelektrolysezelle der vorliegenden Offenbarung kann ein Wasserelektrolysezellenstapel (im Folgenden manchmal als „Stapel“ bezeichnet) sein, der aus einem Stapel einer Mehrzahl von Wasserelektrolysezellen besteht. Die Anzahl der Wasserelektrolysezellen in dem Stapel ist nicht besonders begrenzt. Der Stapel kann beispielsweise aus zwei Wasserelektrolysezellen bis zu mehreren hundert Wasserelektrolysezellen bestehen. Die Wasserelektrolysezelle der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Separator und kann in der Regel einen Elektrodenabschnitt, einen Tragrahmen mit einem den Elektrodenabschnitt umgebenden Öffnungsabschnitt und ein Paar der Separatoren umfassen, die den Elektrodenabschnitt und den Tragrahmen zwischen sich einschließen.
Einer der beiden Separatoren ist ein Anodenseparator, der andere ein Kathodenseparator. Der Anodenseparator und der Kathodenseparator werden zusammen als „Separatoren“ bezeichnet. Die beiden Separatoren, d. h. der Anodenseparator und der Kathodenseparator, klemmen den Elektrodenabschnitt und den Tragrahmen dazwischen. Der Separator hat Löcher, die Verteiler bilden, wie etwa Zuführöffnungen und Abgabeöffnungen, durch die Fluide wie Reaktionswasser, Sauerstoff, Wasserstoff und Kühlmittel in einer Stapelrichtung der Wasserelektrolysezellen strömen. Beispiele für das Reaktionswasser und das Kühlmittel sind Wasser, reines Wasser und alkalisches Wasser. Insbesondere weist der Separator an seinen Enden in planarer Richtung eine sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, eine sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, eine wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, eine wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, eine Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung und eine Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung auf, in der Draufsicht gesehen. Die sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung versorgt eine Sauerstoffelektrode mit dem Reaktionsmittel Wasser. Die Abgabeöffnung auf der Seite der Sauerstoffelektrode führt den durch die Wasserelektrolyse erzeugten Sauerstoff aus der Sauerstoffelektrode ab. Die wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung kann während der Wasserelektrolyse nicht verwendet werden und kann während der Wasserelektrolyse das Kühlmittel zu einer Wasserstoffelektrode führen. Die wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung führt den durch die Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoff aus der Wasserstoffelektrode ab. Die Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung liefert das Kühlmittel zwischen den Zellen des Wasserelektrolysezellenstapels. Die Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung führt das Kühlmittel von zwischen den Zellen des Wasserelektrolysezellenstapels ab.
Der Separator hat auf seiner Vorder- und Rückseite Rillen, die als Kanäle dienen. Insbesondere kann der Separator auf seiner Oberfläche, die mit einer Gasdiffusionsschicht in Berührung kommt, Kanäle für ein Reaktantenfluid wie Reaktantenwasser, Sauerstoff oder Wasserstoff aufweisen. Der Separator kann auf seiner Oberfläche, die der Oberfläche, die mit der Gasdiffusionsschicht in Berührung kommt, gegenüberliegt, d. h. zwischen den Zellen, Kanäle für das Kühlmittel zur Konstanthaltung der Temperatur der Wasserelektrolysezelle aufweisen. Der Anodenseparator kann auf seiner Oberfläche, die mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, Kanäle für ein Anodenfluid wie Reaktionswasser und Sauerstoff aufweisen. Der Anodenseparator kann auf seiner Oberfläche, die der Oberfläche, die mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, gegenüberliegt, Kanäle für das Kühlmittel aufweisen, um die Temperatur der Wasserelektrolysezelle konstant zu halten. Der Kathodenseparator kann in seiner Oberfläche, die mit einer kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Berührung kommt, Kanäle für ein Kathodenfluid wie Wasserstoff aufweisen. Der Kathodenseparator kann auf seiner Oberfläche, die der Oberfläche, die mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, gegenüberliegt, Kanäle für das Kühlmittel aufweisen, um die Temperatur der Wasserelektrolysezelle konstant zu halten. Bei dem Separator kann es sich um ein gasundurchlässiges, elektrisch leitfähiges Element usw. handeln. Beispiele für das elektrisch leitende Element sind: gasundurchlässiger dichter Kohlenstoff, der durch Komprimieren eines Harzmaterials, wie z. B. eines wärmehärtenden Harzes, eines thermoplastischen Harzes oder einer Harzfaser, und eines Kohlenstoffmaterials, wie z. B. Kohlenstoffpulver oder Kohlenstofffasern, hergestellt wird, und pressgeformte Metallplatten (z. B. Titan, Edelstahl usw.). Die Form des Separators kann ein Rechteck, ein horizontal gestrecktes Sechseck, ein horizontal gestrecktes Achteck, ein Kreis, eine Ellipse usw. sein.
Ein Dichtungselement, das die sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung umgibt, und ein Dichtungselement, das die sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung umgibt, befinden sich, in der Draufsicht gesehen, im Separator, aber keine Dichtungselemente sind um die wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, die wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, die Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung und die Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung angeordnet. Bei dem Dichtungselement kann es sich um eine herkömmlich bekannte Dichtung, eine Harzplatte usw. handeln.
Die Wasserelektrolysezelle kann den Elektrodenabschnitt umfassen. Der Elektrodenabschnitt umfasst die anodenseitige Gasdiffusionsschicht, eine anodenseitige Katalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, eine kathodenseitige Katalysatorschicht und die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge. Der Elektrodenabschnitt kann je nach Bedarf die anodenseitige Gasdiffusionsschicht, eine anodenseitige mikroporöse Schicht, die Anodenkatalysatorschicht, die Elektrolytmembran, die Kathodenkatalysatorschicht, eine kathodenseitige mikroporöse Schicht und die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge enthalten. Um die plastische Verformung der Elektrolytmembran aufgrund eines Druckunterschieds zwischen der Wasserstoff- und der Sauerstoffelektrode zu verringern, kann der Elektrodenabschnitt zumindest die kathodenseitige mikroporöse Schicht aus der anodenseitigen mikroporösen Schicht und der kathodenseitigen mikroporösen Schicht umfassen.
Die Kathode (Wasserstoff-Elektrode) umfasst die Kathoden-Katalysatorschicht und die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht, und, falls erforderlich, umfasst sie die kathodenseitige mikroporöse Schicht zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht und der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht. Die Anode (Sauerstoffelektrode) umfasst die Anodenkatalysatorschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht und umfasst, falls erforderlich, die anodenseitige mikroporöse Schicht zwischen der Anodenkatalysatorschicht und der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht. In der Wasserelektrolysezelle kann die Fläche einer der beiden Elektroden, nämlich der Sauerstoffelektrode und der Wasserstoffelektrode, kleiner sein als die der anderen, oder die Fläche der Sauerstoffelektrode kann kleiner sein als die der Wasserstoffelektrode. Der Elektrodenabschnitt der Wasserelektrolysezelle weist daher an seinen Enden in planarer Richtung eine gestufte Struktur auf. Die Katalysatorschicht, die mikroporöse Schicht und die Gasdiffusionsschicht der Elektrode mit einer kleineren Fläche aus der Sauerstoffelektrode und der Wasserstoffelektrode können jeweils eine beliebige Fläche haben, solange die Flächen der Katalysatorschicht, der mikroporösen Schicht und der Gasdiffusionsschicht dieser Elektrode kleiner sind als die Fläche der Elektrolytmembran. Das Verhältnis zwischen den Flächen der Katalysatorschicht, der mikroporösen Schicht und der Gasdiffusionsschicht der Elektrode mit einer kleineren Fläche als der Sauerstoffelektrode und der Wasserstoffelektrode ist nicht besonders begrenzt, solange die Flächen der Katalysatorschicht, der mikroporösen Schicht und der Gasdiffusionsschicht dieser Elektrode kleiner sind als die Fläche der Elektrolytmembran. In der Wasserelektrolysezelle der vorliegenden Offenbarung kann der Druck der Wasserstoff-Elektrode innerhalb der Wasserelektrolysezelle höher als der der SauerstoffElektrode eingestellt werden.
Die Kathodenkatalysatorschicht und die Anodenkatalysatorschicht werden zusammen als „Katalysatorschichten“ bezeichnet. Die Katalysatorschicht kann z. B. ein Katalysatormetall, das eine elektrochemische Reaktion beschleunigt, einen protonenleitenden Elektrolyten und einen elektronenleitenden Träger enthalten. Beispiele für das Katalysatormetall sind Iridium (Ir), Iridiumdioxid (IrO₂), Ruthenium (Ru), Platin (Pt) und Legierungen aus Pt und anderen Metallen (z. B. Pt-Legierungen, die Kobalt oder Nickel enthalten). Beispiele für das Katalysatormetall sind Ir, IrO₂ und Ru für die Anodenkatalysatorschicht sowie Pt und Pt-Legierungen für die Kathodenkatalysatorschicht. Der Elektrolyt kann z. B. ein Fluorharz sein. Bei dem Fluorharz kann es sich beispielsweise um eine Nafion-Lösung handeln. Das Katalysatormetall ist auf dem Träger aufgebracht. Jede Katalysatorschicht kann den Träger, der das Katalysatormetall trägt (katalysatortragender Träger), und den Elektrolyten umfassen. Beispiele für den Träger, der das Katalysatormetall trägt, sind Kohlenstoffmaterialien wie handelsüblicher Kohlenstoff.
Die Elektrolytmembran kann eine feste Polymerelektrolytmembran sein. Beispiele für feste Polymerelektrolytmembranen sind Elektrolytmembranen auf Fluorbasis wie eine dünne Perfluorsulfonsäuremembran, die Feuchtigkeit enthält, und Elektrolytmembranen auf Kohlenwasserstoffbasis. Die Elektrolytmembran kann z. B. eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont) sein.
Die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht werden zusammen als „Gasdiffusionsschichten“ bezeichnet. Die Gasdiffusionsschicht kann beispielsweise ein elektrisch leitendes Element mit Gasdurchlässigkeit, d.h. mit Poren, sein. Beispiele für das elektrisch leitende Element sind poröse Kohlenstoffmaterialien wie Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffpapier sowie poröse Metallmaterialien wie Metallgewebe und Metallschaum.
Die mikroporöse Schicht auf der Anodenseite und die mikroporöse Schicht auf der Kathodenseite werden zusammen als „mikroporöse Schichten“ bezeichnet. Die mikroporöse Schicht kann eine Mischung aus einem wasserabweisenden Harz wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und einem elektrisch leitenden Material wie Ruß sein. Die mikroporöse Schicht kann Poren von einem Mikrometer bis zu mehreren hundert Mikrometern aufweisen.
Der Stützrahmen ist um den Umfang des Elektrodenabschnitts und zwischen dem Kathodenseparator und dem Anodenseparator angeordnet. Der Stützrahmen kann einen Rahmenabschnitt, einen Öffnungsabschnitt und Löcher aufweisen. Der Rahmenabschnitt ist der Hauptteil des Stützrahmens, der mit dem Elektrodenabschnitt verbunden ist. Der Öffnungsabschnitt ist ein Bereich, der den Elektrodenabschnitt aufnimmt, und ist ein Bereich, der sich durch einen Teil des Rahmenabschnitts erstreckt, um den Elektrodenabschnitt aufzunehmen. Der Öffnungsabschnitt kann sich an jeder beliebigen Stelle des Tragrahmens befinden, solange der Rahmenabschnitt um den Elektrodenabschnitt herum (im Randbereich dessen) angeordnet ist, und kann sich in der Mitte des Tragrahmens befinden. Die Löcher im Tragrahmen bewirken, dass die Fluide wie Reaktionswasser, Sauerstoff, Wasserstoff und Kühlmittel in die Stapelrichtung der Wasserelektrolysezellen strömen. Die Löcher im Tragrahmen können auf die Löcher in den Separatoren ausgerichtet sein, so dass sie mit diesen Löchern in Verbindung stehen. Der Tragrahmen kann eine rahmenförmige Kernschicht und zwei rahmenförmige Schalenschichten auf beiden Seiten der Kernschicht umfassen, d. h. eine erste Schalenschicht und eine zweite Schalenschicht. Die erste Schalenschicht und die zweite Schalenschicht können auf beiden Seiten der Kernschicht in ähnlicher Weise wie die Kernschicht rahmenförmig angebracht sein.
Bei der Kernschicht kann es sich um ein beliebiges Strukturelement mit gasdichtenden und isolierenden Eigenschaften handeln, das aus einem Material besteht, dessen Struktur sich unter den Temperaturbedingungen während des Thermokompressionsbindens in einem Herstellungsverfahren der Wasserelektrolysezelle nicht verändert. Spezifische Beispiele für das Material der Kernschicht sind Harze wie Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyamid (PA), Polyimid (PI), Polystyrol (PS), Polyphenylenether (PPE), Polyetheretherketon (PEEK), Cycloolefin, Polyethersulfon (PES), Polyphenylsulfon (PPSU), Flüssigkristallpolymer (LCP) und Epoxidharz. Das Material der Kernschicht kann ein Gummimaterial wie Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Fluorkautschuk oder Silikonkautschuk sein. Die Dicke der Kernschicht kann 5 µm oder mehr oder 20 µm oder mehr betragen, wenn es darum geht, die Isolierleistung sicherzustellen, und kann 200 µm oder weniger oder 150 µm oder weniger betragen, wenn es darum geht, die Dicke der Wasserelektrolysezelle zu verringern.
Die erste Schalenschicht und die zweite Schalenschicht können solche Eigenschaften aufweisen, dass die erste und die zweite Schalenschicht stark an anderen Materialien haften, unter Temperaturbedingungen während des Thermokompressionsbindens erweichen und eine niedrigere Viskosität und einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Kernschicht aufweisen, um die Kernschicht mit dem Anodenseparator und dem Kathodenseparator zu verbinden und die Dichtungsleistung sicherzustellen. Insbesondere können die erste Schalenschicht und die zweite Schalenschicht aus einem thermoplastischen Harz, wie z. B. einem thermoplastischen Harz auf Polyesterbasis oder einem modifizierten thermoplastischen Harz auf Olefinbasis, oder aus einem duroplastischen Harz, das ein modifiziertes Epoxidharz ist, hergestellt werden. Das Harz der ersten Schalenschicht und das Harz der zweiten Schalenschicht können die gleiche Art von Harz sein oder aus verschiedenen Arten von Harz bestehen. Die Anbringung der Schalenschichten auf beiden Seiten der Kernschicht erleichtert die Haftung zwischen dem Tragrahmen und den beiden Trennwänden durch Heißpressen. Die Dicke der ersten Schalenschicht und der zweiten Schalenschicht kann unter dem Gesichtspunkt der Sicherstellung der Adhäsionsleistung 5 µm oder mehr oder 30 µm oder mehr betragen und kann unter dem Gesichtspunkt der Verringerung der Dicke der Wasserelektrolysezelle 100 µm oder weniger oder 40 µm oder weniger betragen.
Der Tragrahmen kann darauf beschränkt sein, die erste Schalenschicht und die zweite Schalenschicht nur in den Bereichen aufweisen, die mit dem Anodenseparator bzw. dem Kathodenseparator verbunden werden sollen. Die erste Schalenschicht, die auf einer Seite der Kernschicht vorgesehen ist, kann mit dem Kathodenseparator verbunden werden. Die zweite Schalenschicht auf der anderen Seite der Kernschicht kann mit dem Anodenseparator verbunden werden. Der Tragrahmen kann sandwichartig zwischen den beiden Separatoren angeordnet sein.
Der Wasserelektrolysezellenstapel kann über Verteiler verfügen, wie beispielsweise Einlassverteiler, mit denen jede Zuführöffnung in Verbindung steht, und Auslassverteiler, mit denen jede Abgabeöffnung in Verbindung steht. Zu den Einlassverteilern gehören beispielsweise ein Sauerstoff-Elektroden-Einlassverteiler, ein Wasserstoff-Elektroden-Einlassverteiler und ein Kühlmittel-Einlassverteiler. Zu den Auslassverteilern gehören beispielsweise ein Sauerstoff-Elektroden-Auslassverteiler, ein Wasserstoff-Elektroden-Auslassverteiler und ein Kühlmittel-Auslassverteiler. Der Einlassverteiler für die Sauerstoffelektrode und der Auslassverteiler für die Sauerstoffelektrode werden zusammen als „Sauerstoffelektrodenverteiler“ bezeichnet. Der Einlassverteiler für die Wasserstoff-Elektrode und der Auslassverteiler für die Wasserstoff-Elektrode werden zusammen als „Wasserstoff-Elektrodenverteiler“ bezeichnet. Der Einlassverteiler für das Kühlmittel und der Auslassverteiler für das Kühlmittel werden zusammen als „Kühlmittelverteiler" bezeichnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016060944 [0002]
JP 2016060944 A [0002]

Claims

Wasserelektrolysezelle mit einem Separator, der auf der Vorder- und Rückseite des Separators Rillen aufweist, die als Kanäle dienen, wobei: der Separator an den Enden des Separators in planarer Richtung eine sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, eine sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, eine wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, eine wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, eine Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung und eine Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung aufweist, in der Draufsicht gesehen; und ein Dichtungselement, das die sauerstoffelektrodenseitige Zuführöffnung umgibt, und ein Dichtungselement, das die sauerstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung umgibt, in der Draufsicht gesehen, im Separator angeordnet sind, aber keine Dichtungselemente um die wasserstoffelektrodenseitige Zuführöffnung, die wasserstoffelektrodenseitige Abgabeöffnung, die Zwischenzellenkanal-Zuführöffnung und die Zwischenzellenkanal-Abgabeöffnung angeordnet sind.
Wasserelektrolysezelle nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Elektrodenabschnitt; einen Tragrahmen mit einem den Elektrodenabschnitt umgebenden Öffnungsabschnitt; und ein Paar der Separatoren, die den Elektrodenabschnitt und den Tragrahmen zwischen den Separatoren einschließen.