EP4291697A1 - Elektrolyseplatte für die wasserstoffherstellung und verfahren zur herstellung einer elektrolyseplatte - Google Patents

Elektrolyseplatte für die wasserstoffherstellung und verfahren zur herstellung einer elektrolyseplatte

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EP4291697A1
EP4291697A1 EP22702863.6A EP22702863A EP4291697A1 EP 4291697 A1 EP4291697 A1 EP 4291697A1 EP 22702863 A EP22702863 A EP 22702863A EP 4291697 A1 EP4291697 A1 EP 4291697A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
area
profile
longitudinal direction
embossed
electrolysis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22702863.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ramon Jurjanz
Benedikt WEHNER
Marcel EHMANN
Torsten Keller
Florian Doerrfuss
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102022101801.6A external-priority patent/DE102022101801A1/de
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4291697A1 publication Critical patent/EP4291697A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to an electrolytic plate suitable for use in a hydrogen production plant. Furthermore, the invention relates to a method for preparing such an electrolytic plate.
  • An electrolytic cell is known from EP 1 587 760 B1, which comprises several electrolytic plates.
  • the electrolytic plates are fastened to groove devices within a housing.
  • the housing of the known electrolytic cell has an inlet and an outlet to allow a fluid to flow through.
  • a plurality of disks are arranged in a stacked form in the housing.
  • An electrolysis plate described in DE 199 56 787 A1 consists of an outer, non-conductive frame and an electrically conductive, bipolar graphite plate mounted therein. Plastic aprons are provided for forcibly guiding electrolyte solutions in the area of an electrolyte feed.
  • EP 3 725 916 A1 discloses an electrolysis plate intended for use in a device for generating hydrogen, which has an opening for gas to pass through, the edges of the opening being covered with an electrically non-conductive material.
  • a bipolar electrical vessel is known from EP 3 575 442 A1, which is provided for the production of hydrogen.
  • the anode and/or cathode of the vessel is designed as a porous electrode.
  • a membrane of the bipolar vessel is a porous membrane with inorganic components.
  • the device according to EP 3 575 442 A1 is said to be suitable for alkaline electrolysis. P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073
  • An arrangement of electrochemical cells known from DE 10 2013 225 159 B4 which is provided, for example, for conducting water or aqueous electrolytes, comprises basic elements in the form of flat structures that have a network structure or are formed from a porous material. Several basic elements are arranged one above the other, with edge regions of the basic elements being connected in a fluid-tight manner with the aid of a filling compound.
  • electrochemical systems each include a plurality of separator plates.
  • the object of the invention is to further develop electrolytic plates, which are suitable for producing hydrogen, compared to the prior art mentioned, particularly with regard to manufacturing and fluidic aspects.
  • electrolytic plate is understood to mean an electrode or electrode plate which is used as an anode or cathode of an electrolytic cell.
  • the electrolysis plate comprises a rectangular profile sheet having two longitudinal sides and two narrow sides, which has an outer, frame-shaped connecting area and a profile area lying in this area with a rectangular, non-square basic shape, which forms an active field.
  • the electrolysis plate can be formed exclusively from the profile sheet.
  • the surface of the profile area limits a flow within a fully assembled electrolysis device.
  • the longitudinal direction LR of which is given by the non-square, rectangular shape of the profile area and runs parallel to the longitudinal sides, with an embossing pattern of the profile sheet in the longitudinal direction LR of the profile area at least three times, not overlapping or touching, i.e. while maintaining distances which is arranged one behind the other.
  • the respective embossing pattern is formed from at least three individual embossing patterns arranged next to one another, extending in the longitudinal direction LR and describing a zigzag or wave shape, with successive embossing patterns being separated from one another by a band-shaped intermediate section with intermediate profiles, and with each band-shaped intermediate section parallel to the Narrow sides is arranged to run.
  • a length H2 of the rectangular profiled sheet has the following relationship to a width B2 of the rectangular profiled sheet in particular: H2>1.33 B2
  • the thickness of a flat profiled sheet is preferably 0.5 to 1 mm before the embossing pattern and intermediate profiling are embossed.
  • the electrolysis plate distributes media flowing past in the longitudinal direction LR evenly through the existing, spaced embossed patterns. While there is still a uniform media distribution in the inflow area of an embossed pattern, during the predominantly laminar flow of the medium, here water, at the embossed pattern through the chemical reaction when carrying out the electrolysis, gaseous media, here hydrogen or oxygen.
  • the fluid mixture therefore has inhomogeneities in the outflow area from an embossed pattern, which can manifest themselves in an inhomogeneous water-gas distribution, an inhomogeneous temperature distribution, an inhomogeneous pressure distribution and the like.
  • a band-shaped intermediate section adjoining an embossed pattern serves to mix and homogenize the flowing medium or fluid mixture of liquid and gaseous components. This is achieved by using the intermediate profiles to generate turbulent flow and turbulence.
  • the profiling of the electrolysis plate in the form of repeating embossed patterns spaced apart from one another is also referred to as clustered profiling.
  • the advantages of clustering come into play particularly with large-format disks.
  • the production of such electrolysis plates according to the invention, in particular water electrolysis, is possible in the following steps:
  • the clustering of the embossing patterns is particularly suitable for profiling in a continuous process. This is, for example, a roll embossing process.
  • the electrolytic plates are produced individually using presses.
  • a combination of continuous and discontinuous production technologies for forming the embossing pattern is also possible.
  • the clustering of the embossing pattern means that the production effort can be kept within a moderate range in relation to the size and complexity of the electrolytic plate.
  • the geometry of the embossing pattern is concerned, there is further scope for design, with the flow conditions given in the individual case as well as the space available in a stack, which comprises a plurality of electrolysis plates, representing relevant boundary conditions.
  • the embossed patterns can be in the form of individual zigzag or wavy embossed patterns spaced apart from one another, ie connected linear elevations and/or depressions.
  • the aggregate states of the media flowing on the surface of the electrolytic plate also play a role.
  • the embossed patterns therefore describe a zigzag or wavy basic pattern, with jagged or wavy lines or arrangements of embossed elements, which overall describe the zigzag or wavy shape, extending in the longitudinal direction LR of the profile area.
  • the embossed pattern of the profile sheet is preferably arranged at least four times in a row in the longitudinal direction LR of the profile area.
  • band-shaped intermediate profiles are present between the sections of the profile area in which an embossed pattern is formed.
  • a type of bypass can be formed by the intermediate profiles. Irrespective of the geometric design of an intermediate profile, it can overlap with the two adjacent embossed patterns in the longitudinal direction of the profile area, which is advantageous in terms of a targeted line of medium from one embossed pattern to the next embossed pattern.
  • the intermediate profiles are preferably designed as discrete elevations which are circular, oval, rectangular or triangular or are formed from combinations or groups of such identical or different discrete elevations.
  • other forms of the intermediate profiles such as star-shaped, twisted or irregularly shaped discrete elevations are also possible, as long as the laminar flow is broken up and the fluid mixture flowing out of the embossed patterns is swirled. So can within a Different discrete elevations can be provided in the band-shaped intermediate section.
  • one or more rows of identical or different intermediate profiles can be arranged in the band-shaped intermediate section.
  • the intermediate profiles overlap in the longitudinal direction LR of the profile area with at least one of the two adjacent embossed patterns.
  • the overlapping area is preferably smaller than 20% of the length HQ of the band-shaped intermediate section in the longitudinal direction LR.
  • Each intermediate profile has a rising and falling flank viewed in the longitudinal direction LR in order to form a discrete elevation.
  • the rising flank and the falling flank preferably enclose an angle ⁇ in the range of 50° to 62° measured in the longitudinal direction LR. This is particularly preferred for profile sheets made of titanium or stainless steel.
  • profiled sheets made of other metals or metal alloys can be used.
  • the profile sheets used can be coated on one or both sides.
  • the profile area comprises at least one sub-cluster of similar embossed patterns as well as at least one embossed pattern that is upstream or downstream in the longitudinal direction and differs therefrom.
  • the embossing pattern deviating from the sub-cluster in an area upstream or downstream of the sub-cluster in the flow direction can, for example, serve the purpose of calming the flow in the corresponding area. This can happen, for example, by slanting elongated individual embossed patterns, which form an embossed pattern, within the sub-cluster at a greater angle to the longitudinal direction of the profile area than outside of the sub-cluster.
  • band-shaped intermediate sections between the embossed patterns can be the same or at least partially different in terms of their intermediate profiles.
  • different discrete elevations can be provided within a band-shaped intermediate section
  • connection area which surrounds the profile area, there can be several openings for the passage of media and/or for the insertion of connection elements, in particular stressing anchors. Otherwise, there are typically seals in the connection area.
  • seals can contact planar sections of the connection area.
  • the connection area can also be held by a separate frame, which is made of plastic or a carbon-plastic composite, for example. In such a case, the seal can also be arranged in the area of this frame.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an electrolysis plate for water electrolysis
  • An electrolysis plate identified as a whole with the reference number 1, is intended for use in a hydrogen electrolysis plant.
  • the principle of the function of the electrolytic plate 1 reference is made to the prior art cited at the outset.
  • the electrolysis plate 1 is designed as a profile sheet 2 which has a frame-shaped connection area 3 and a rectangular profile area 4 lying in this area 3 .
  • the profile sheet 2 is here in particular sheet steel, which can be coated on one or both sides.
  • a medium in particular an acidic or alkaline aqueous liquid, flows on the surface of the profile area 4 essentially in the longitudinal direction LR of the profile sheet 2.
  • the width of the profile sheet 2 is indicated by B2 and the height of the profile sheet 2 by H2.
  • the profile area 4 has a width B4 and a height H4.
  • connection area 3 there are openings 6, which allow media to be passed through, as well as bores 5, which are smaller than the circular openings 6, and through which the tensioning anchors (not shown) can be inserted, in order to mechanically connect numerous electrolysis plates 1 within a stack to one another associate.
  • a profile in the form of a cluster 7 is formed in the profile area 4 .
  • the profiling designed as a cluster 7 has an aerodynamic function on the one hand and, on the other hand, increases the mechanical stability of the electrolysis plate 1 compared to a flat plate.
  • several separate embossing patterns 8 can be seen, each comprising more than three individual embossing patterns 8a, 8b, 8c arranged next to one another, extending in the longitudinal direction LR and describing a zigzag or wave shape, with each embossing pattern 8 being rectangular in shape overall .
  • Two sections of the cluster 7, in which an embossing pattern 8 is located, are each cut by a band-shaped mot 9 separated.
  • the width of the embossed pattern 8 and the intermediate sections 9 and thus of the entire embossed pattern cluster 7 is identical to the width B4 of the profile area 4 .
  • the length of each embossing pattern 8 is indicated by He, the length of each intermediate section 9 by H9 (seen in the longitudinal direction LR).
  • the length He is preferably at least 30 times but not more than 50 times the length H9.
  • intermediate profiles 10 are present.
  • a design of the intermediate sections 9 with circular intermediate profiles 14 is shown in FIG. 1
  • a design of the intermediate sections 9 with triangular intermediate profiles 12 is shown in FIG. Different configurations of different intermediate sections 9 within one and the same electrolytic plate 1 are also possible.
  • the embossed pattern 8 is in the form of zigzag or wavy embossed individual elements 8a, 8b, 8c, which are arranged next to one another and extend overall in the longitudinal direction LR.
  • Such circular intermediate profiles 14 are also present in the representation of a band-shaped intermediate section 9 according to FIG.
  • the intermediate section 9 is formed from oval intermediate profiles 13 and circular intermediate profiles 14 .
  • a particular advantage of this design lies in the good technical formability.
  • the zigzag-shaped embossed pattern 8 which is shown not only in the embodiment according to FIGS. 1 and 2, but also in the variant according to FIG. This also applies to the rectangular, in particular rhombic, intermediate profiles 15 that can be seen in FIG. 4, which form the intermediate profiles 10 here.
  • Figure 4 are between P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073 10 the embossing patterns 8 and the intermediate sections 9 overlapping areas 16 formed.
  • Some of the rectangular intermediate profiles 15 protrude into an area between two individual embossed patterns 8a, 8b, 8c (compare Figure 1) of the two adjacent embossed patterns 8 viewed in the longitudinal direction LR.
  • FIG. 5 different intermediate profiles 10 are shown in an intermediate section 9 in the form of a strip.
  • oval intermediate profiles 13 are present on the left in the image, which are designed to be inclined relative to the longitudinal direction LR.
  • the orientation of the oval intermediate profiles 13 alternates here, resulting in a zigzag arrangement overall.
  • circular intermediate profiles 14 and further inclined oval intermediate profiles 13 adjoin to the right of this.
  • Ge also shows circular intermediate profiles 14 ' arranged in a group of two, and to the right of them oval intermediate profiles 13 that are not inclined relative to the longitudinal direction LR.
  • the shapes of the intermediate profiles 10, 12, 13, 14, 14 ' , 15 shown in FIGS. 1 to 5 are only shown as examples and can be varied and/or combined with one another as desired within a band-shaped intermediate section 9.

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Abstract

Eine Elektrolyseplatte (1), insbesondere für die Wasserelektrolyse, umfasst ein rechteckiges Profilblech (2) aufweisend zwei Längsseiten (2a, 2b) und zwei Schmalseiten (2c, 2b), welches einen äußeren, rahmenförmigen Verbindungsbereich (3) und einen in diesem liegenden Profilbereich (4) mit rechteckiger, nicht quadratischer Grundform aufweist, welcher ein Aktivfeld bildet, wobei durch die Oberfläche des Profilbereichs (4) ein Strömungskanal begrenzt ist, dessen Längsrichtung (LR) durch die nicht quadratische Form des Profilbereichs (4) gegeben ist und parallel zu den Längsseiten (2a, 2b) verläuft, und wobei ein Prägemuster (8) des Profilblechs (2) in Längsrichtung (LR) des Profilbereichs (4) mindestens dreimal, nicht überlappend oder berührend, das heißt unter Einhaltung von Abständen, hintereinander angeordnet ist, wobei das jeweilige Prägemuster (8) aus mindestens drei nebeneinander angeordneten, sich in der Längsrichtung (LR) erstreckenden und eine Zickzack- oder Wellenform beschreibenden Prägeeinzelmustern (8a, 8b, 8c) gebildet ist, und wobei aufeinanderfolgende Prägemuster (8) durch einen bandförmigen Zwischenabschnitt (9) mit Zwischenprofilierungen (10) voneinander getrennt sind, wobei jeder bandförmige Zwischenabschnitt (9) parallel zu den Schmalseiten (2c, 2d) verlaufend angeordnet ist.

Description

P210093
WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073
- 1 -
Elektrolvseplatte für die Wasserstoffherstellunq und Verfahren zur Herstellung einer Elektrolvseplatte
Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einer Anlage zur Wasserstoffherstellung geeignete Elektrolyseplatte. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fierstellung einer solchen Elektrolyseplatte.
Aus der EP 1 587 760 B1 ist eine Elektrolysezelle bekannt, welche mehrere Elektroly seplatten umfasst. Die Elektrolyseplatten sind hierbei innerhalb eines Gehäuses an Nuteneinrichtungen befestigt. Das Gehäuse der bekannten Elektrolysezelle weist ei nen Einlass und ein Auslass auf, um den Durchfluss eines Fluids zu ermöglichen. In dem Gehäuse ist eine Vielzahl an Platten in gestapelter Form angeordnet.
Eine in der DE 199 56 787 A1 beschriebene Elektrolyseplatte besteht aus einem äu ßeren, nicht-leitenden Rahmen und einer darin gelagerten, elektrisch leitfähigen, bipo laren Graphitplatte. Zur Zwangsführung von Elektrolytlösungen im Bereich einer Elekt rolytzuführung sind Kunststoffschürzen vorgesehen.
Die EP 3 725 916 A1 offenbart eine zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Generie rung von Wasserstoff vorgesehene Elektrolyseplatte, welche eine Öffnung zur Durch leitung von Gas aufweist, wobei Ränder der Öffnung mit einem elektrisch nicht leitfä higen Material abgedeckt sind.
Aus der EP 3 575 442 A1 ist ein bipolares elektrisches Gefäß bekannt, welches zur Fierstellung von Wasserstoff vorgesehen ist. Die Anode und/oder Kathode des Gefä ßes ist als poröse Elektrode ausgebildet. Bei einer Membran des bipolaren Gefäßes handelt es sich um eine poröse Membran mit anorganischen Bestandteilen. Die Vor richtung nach der EP 3 575 442 A1 soll zur alkalischen Elektrolyse geeignet sein. P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073
- 2
Eine aus der DE 10 2013 225 159 B4 bekannte Anordnung elektrochemischer Zellen, welche beispielsweise zur Durchleitung von Wasser oder wässrigen Elektrolyten vor gesehen ist, umfasst Grundelemente in Form flächiger Gebilde, die eine Netzstruktur aufweisen oder aus einem porösen Werkstoff gebildet sind. Mehrere Grundelemente sind übereinander angeordnet, wobei Randbereiche der Grundelemente mit Hilfe ei ner Füllmasse fluiddicht verbunden sind.
Weitere Gestaltungsmöglichkeiten elektrochemischer Systeme sind in den Dokumen ten WO 2019/121947 A1 und WO 2020/030644 A1 offenbart. Die elektrochemischen Systeme umfassen jeweils mehrere Separatorplatten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Elektrolyseplatten, welche zur Wasser stoffherstellung geeignet sind, gegenüber dem genannten Stand der Technik insbe sondere unter fertigungstechnischen sowie strömungstechnischen Aspekten weiter zuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine zur Verwendung bei der Wasserelektrolyse geeignete Elektrolyseplatte mit den Merkmalen den Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrolyseplatte gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Her stellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinn gemäß auch für die Vorrichtung, das heißt die Elektrolyseplatte, und umgekehrt.
Als „Elektrolyseplatte“ wird dabei eine Elektrode oder Elektrodenplatte verstanden, welche als Anode oder Kathode einer Elektrolysezelle zum Einsatz kommt.
Die Elektrolyseplatte umfasst ein rechteckiges Profilblech aufweisend zwei Längssei ten und zwei Schmalseiten, welches einen äußeren, rahmenförmigen Verbindungsbe reich und einen in diesem liegenden Profilbereich mit rechteckiger, nicht quadratischer Grundform aufweist, welcher ein Aktivfeld bildet. Insbesondere kann die Elektrolyse platte ausschließlich aus dem Profilblech gebildet sein. Die Oberfläche des Profilbe reichs begrenzt innerhalb einer fertig montierten Elektrolysevorrichtung einen Strö- P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073
- 3 - mungskanal, dessen Längsrichtung LR durch die nicht quadratische, rechteckige Form des Profilbereichs gegeben ist und parallel zu den Längsseiten verläuft, wobei ein Prägemuster des Profilblechs in Längsrichtung LR des Profilbereichs mindestens dreimal, nicht überlappend oder berührend, das heißt unter Einhaltung von Abstän den, hintereinander angeordnet ist. Das jeweilige Prägemuster ist aus mindestens drei nebeneinander angeordneten, sich in der Längsrichtung LR erstreckenden und eine Zickzack- oder Wellenform beschreibenden Prägeeinzelmustern gebildet, wobei auf einanderfolgende Prägemuster durch einen bandförmigen Zwischenabschnitt mit Zwi schenprofilierungen voneinander getrennt sind, und wobei jeder bandförmige Zwi schenabschnitt parallel zu den Schmalseiten verlaufend angeordnet ist.
Eine Länge H2 des rechteckigen Profilblechs steht zu einer Breite B2 des rechteckigen Profilblechs insbesondere in folgender Beziehung: H2 > 1 ,33 B2 Die Dicke eines ebenen Profilblechs beträgt vor dem Einprägen der Prägemuster und Zwischenprofilierungen bevorzugt 0,5 bis 1 mm.
Die Elektrolyseplatte verteilt im Bereich des Aktivfeldes ( = Profilbereich), also dem Bereich der Platte, in welchem chemische Reaktionen stattfinden, in Längsrichtung LR vorbeiströmende Medien einerseits gleichmäßig durch die vorhandenen, voneinander beabstandeten Prägemuster. Während im Einströmbereich eines Prägemusters eine noch gleichmäßige Medienverteilung vorliegt, entstehen während des überwiegend laminaren Vorbeiströmens des Mediums, hier Wasser, an dem Prägemuster durch die chemische Reaktion bei Durchführung der Elektrolyse gasförmige Medien, hier Was serstoff oder Sauerstoff. Das Fluidgemisch weist im Ausström bereich aus einem Prä gemuster daher Inhomogenitäten auf, die sich in einer inhomogenen Wasser-Gas- Verteilung, einer inhomogenen Temperaturverteilung, einer inhomogenen Druckvertei lung und dergleichen äußern können. Ein sich an ein Prägemuster anschließender bandförmiger Zwischenabschnitt dient der Durchmischung und Homogenisierung des strömenden Mediums oder Fluidgemisches aus flüssigen und gasförmigen Bestand teilen. Dies wird erreicht, indem die Zwischenprofilierungen zur Erzeugung von turbu lenter Strömung und Verwirbelungen eingesetzt werden. So liegt im Einströmbereich des sich in Längsrichtung LR gesehen anschließenden Prägemusters wieder ein ho- P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073
- 4 - mogenes oder weitgehend homogenisiertes Medium oder Fluidgemisch vor. Dadurch wird die Effizienz des Elektrolyseprozesses signifikant gesteigert.
Ein bevorzugtes Verhältnis einer Länge H9 eines Zwischenabschnitts in Längsrichtung LR und einer Länge He eines Prägemusters in Längsrichtung LR liegt daher im Be reich von H9/H8 = 1/30 bis 1/50. Demnach sind die Prägemuster in Längsrichtung LR deutlich länger ausgebildet als die Zwischenabschnitte, die zu einer Homogenisierung der entlangströmenden Medien dienen.
Die Profilierung der Elektrolyseplatte in Form sich wiederholender, voneinander beab- standeter Prägemuster wird auch als geclusterte Profilierung bezeichnet. Die Vorteile der Clusterung kommen insbesondere bei großformatigen Platten zum Tragen. Die Herstellung solcher für die Elektrolyse, insbesondere Wasserelektrolyse, geeigneter erfindungsgemäßer Elektrolyseplatten ist in folgenden Schritten möglich:
- Bereitstellung eines eine rechteckige Form aufweisenden Profilbleches, wo bei ein äußerer, rahmenförmiger Bereich des Profilbleches entsprechend seiner Funktion in einer fertiggestellten Elektrolysezelle als Verbindungsbe reich definiert ist,
- Erzeugung der mindestens drei gleichartigen, voneinander beabstandeten Prägemustern und der bandförmigen Zwischenabschnitte in dem vom Ver bindungsbereich umschlossenen Profilbereich des Profilbleches.
Besonders eignet sich die Clusterung der Prägemuster für eine Profilierung in einem Durchlaufverfahren. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein Walzprägeverfah- ren. Alternativ werden die Elektrolyseplatten einzeln mit Hilfe von Pressen hergestellt. Auch eine Kombination kontinuierlicher und diskontinuierlicher Fertigungstechnologien zur Formung der Prägemuster ist möglich. P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073
- 5 - ln jedem Fall kann durch die Clusterung der Prägemuster der Fierstellungsaufwand in Relation zur Größe und Komplexität der Elektrolyseplatte in einem moderaten Rah men gehalten werden. Was die Geometrie der Prägemuster betrifft, existiert ein weiter Gestaltungsspielraum, wobei die im Einzelfall gegebenen strömungstechnischen Ge gebenheiten ebenso wie die Platzverhältnisse in einem Stack, welcher eine Mehrzahl an Elektrolyseplatten umfasst, relevante Randbedingungen darstellen. Insbesondere können die Prägemuster in Form einzelner, voneinander beabstandeter zickzack- o- der wellenförmiger Prägeeinzelmuster, das heißt zusammenhängender linienförmiger Erhebungen und/oder Vertiefungen, vorliegen. Auch die Aggregatzustände der Medi en, welche an der Oberfläche der Elektrolyseplatte strömen, spielen eine Rolle. Ge mäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung beschreiben die Prägemuster daher ein zickzack- oder wellenförmiges Grundmuster, wobei sich gezackte oder gewellte Linien oder Anordnungen von Prägeelementen, welche insgesamt die Zickzack- oder Wel lenform beschreiben, in Längsrichtung LR des Profilbereichs erstrecken.
Bevorzugt ist das Prägemuster des Profilblechs in Längsrichtung LR des Profilbe reichs mindestens viermal hintereinander angeordnet.
Gemäß der erfindungsgemäßen Konzeption sind zwischen den Abschnitten des Pro filbereichs, in welchen jeweils ein Prägemuster ausgebildet ist, bandförmige Zwi schenprofilierungen vorhanden. Durch die Zwischenprofilierungen kann insbesondere eine Art Bypass ausgebildet sein. Unabhängig von der geometrischen Gestaltung ei ner Zwischenprofilierung kann diese in Längsrichtung des Profilbereichs mit beiden benachbarten Prägemustern überlappen, was vorteilhaft im Sinne einer gezielten Lei tung von Medium von einem Prägemuster zum nächsten Prägemuster ist.
Die Zwischenprofilierungen sind bevorzugt als diskrete Erhebungen ausgebildet, die kreisförmig, oval, rechteckig oder dreieckig ausgebildet sind oder aus Kombinationen oder Gruppen solcher gleicher oder unterschiedlicher diskreter Erhebungen gebildet sind. Prinzipiell sind auch andere Formen der Zwischenprofilierungen, wie sternförmi ge, in sich gewundene oder unregelmäßig geformte diskrete Erhebungen möglich, so lange eine Auflösung der laminaren Strömung und eine Verwirbelung des aus den Prägemustern anströmenden Fluidgemisches erfolgt. So können innerhalb eines P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073 6 bandförmigen Zwischenabschnitts unterschiedliche diskrete Erhebungen vorgesehen sein. Weiterhin können eine oder mehrere Reihen von gleichen oder unterschiedli chen Zwischenprofilierungen im bandförmigen Zwischenabschnitt angeordnet sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildung überlappen die Zwischenprofilierungen in Längsrichtung LR des Profilbereichs mit mindestens einem der beiden benachbarten Prägemuster. Der Überlappungsbereich ist dabei in Längsrichtung LR bevorzugt klei ner als 20% der Länge HQ des bandförmigen Zwischenabschnitts.
Die Höhe h einer Zwischenprofilierung, gemessen senkrecht auf die ebene, nicht ver formte Blechoberfläche, liegt vorzugsweise im Bereich von h = 2s bis 6s, wobei s =
0,5 bis 1 ,0 mm beträgt. Eine jede Zwischenprofilierung weist dabei eine in Längsrich tung LR gesehen ansteigende und abfallende Flanke auf, um eine diskrete Erhebung auszubilden. Die ansteigende Flanke und die abfallende Flanke umschließen dabei in Längsrichtung LR gemessen vorzugsweise einen Winkel a im Bereich von 50° bis 62°. Dies ist insbesondere für Profilbleche, die aus Titan oder Edelstahl gebildet sind, be vorzugt.
Es sind aber auch metallische Profilbleche aus anderen Metallen oder Metalllegierun gen einsetzbar. Weiterhin können die verwendeten Profilbleche ein- oder beidseitig beschichtet ausgeführt sein.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung umfasst der Profilbereich mindestens ein Sub- Cluster an gleichartigen Prägemustern sowie mindestens ein in Längsrichtung vor- oder nachgelagertes, sich hiervon unterscheidendes Prägemuster. Das vom Sub- Cluster abweichende Prägemuster in einem dem Sub-Cluster in Strömungsrichtung vor- oder nachgelagerten Bereich kann zum Beispiel dem Zweck dienen, die Strö mung in dem entsprechenden Bereich zu beruhigen. Dies kann zum Beispiel gesche hen, indem langgestreckte Prägeeinzelmuster, welche ein Prägemuster bilden, inner halb des Sub-Clusters in einem größeren Winkel schräg zur Längsrichtung des Profil bereichs gestellt sind als außerhalb des Sub-Clusters. P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073
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Weiterhin ist es möglich, dass die bandförmigen Zwischenabschnitte zwischen den Prägemustern sich hinsichtlich ihrer Zwischenprofilierungen gleichen oder zumindest teilweise unterscheiden. So können innerhalb eines bandförmigen Zwischenabschnitts unterschiedliche diskrete Erhebungen vorgesehen sein
In dem rahmenförmigen Verbindungsbereich, welcher den Profilbereich umgibt, kön nen sich mehrere Öffnungen zur Durchleitung von Medien und/oder zum Durchste cken von Verbindungselementen, insbesondere Spannankern, befinden. Im Übrigen befinden sich im Verbindungsbereich typischerweise Abdichtungen. Optional sind im Verbindungsbereich zu diesem Zweck rillenförmigen Vertiefungen vorhanden, welche zum Einlegen von Dichtungen vorgesehen sind. Ebenso können Dichtungen ebene Abschnitte des Verbindungsbereichs kontaktieren. Der Verbindungsbereich kann wei terhin durch einen separaten Rahmen, der beispielsweise aus Kunststoff oder einem Kohlenstoff-Kunststoff-Komposit gebildet ist, gehalten werden. In einem solchen Fall kann die Abdichtung auch im Bereich dieses Rahmens angeordnet sein.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teils vereinfacht:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Elektrolyseplatte für die Wasserelekt rolyse,
Fig. 2 ein zweite Ausführungsform einer Elektrolyseplatte,
Fig. 3 bis 5 in schematischen Ausschnitten Merkmale weiterer Elektrolyseplatten.
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämt liche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile oder Konturen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekenn zeichnet. P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073 8
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Elektrolyseplatte ist zur Verwendung in einer Wasserstoffelektrolyseanlage vorgesehen. Hinsichtlich der prin zipiellen Funktion der Elektrolyseplatte 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Die Elektrolyseplatte 1 ist in sämtlichen Ausführungsformen als Profilblech 2 gestaltet, welches einen rahmenförmigen Verbindungsbereich 3 und einen in diesem Bereich 3 liegenden rechteckigen Profilbereich 4 aufweist. Bei dem Profilblech 2 handelt es sich hier insbesondere um Stahlblech, welches ein- oder beidseitig beschichtet sein kann.
An der Oberfläche des Profilbereichs 4 strömt ein Medium, insbesondere eine saure oder alkalische wässrige Flüssigkeit, im Wesentlichen in Längsrichtung LR des Pro filblechs 2. Die Breite des Profilblechs 2 ist mit B2, die Höhe des Profilblechs 2 mit H2 angegeben. Der Profilbereich 4 weist eine Breite B4 und eine Höhe H4 auf.
Innerhalb des Verbindungsbereichs 3 befinden sich Öffnungen 6, welche die Durchlei tung von Medien ermöglichen, sowie im Vergleich zu den kreisrunden Öffnungen 6 kleinere Bohrungen 5, durch die nicht dargestellte Spannanker gesteckt werden kön nen, um zahlreiche Elektrolyseplatten 1 innerhalb eines Stacks mechanisch miteinan der zu verbinden.
Im Profilbereich 4 ist eine Profilierung in Form eines Clusters 7 ausgebildet. Die als Cluster 7 gestaltete Profilierung hat zum einen eine strömungstechnische Funktion und erhöht zum anderen im Vergleich zu einer ebenen Platte die mechanische Stabili tät der Elektrolyseplatte 1 . Innerhalb des Clusters 7 sind mehrere voneinander ge trennte Prägemuster 8 umfassend jeweils mehr als drei nebeneinander angeordnete, sich in der Längsrichtung LR erstreckende und eine Zickzack- oder Wellenform be schreibende Prägeeinzelmustern 8a, 8b, 8c erkennbar, wobei jedes Prägemuster 8 insgesamt eine rechteckige Form zeigt. Zwei Abschnitte des Clusters 7, in welchen sich ein Prägemuster 8 befindet, sind jeweils durch einen bandförmigen Zwischenab schnitt 9 voneinander getrennt. P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073
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Die Breite der Prägemuster 8 und der Zwischenabschnitte 9 und damit des gesamten Prägemuster-Clusters 7 ist mit der Breite B4 des Profilbereichs 4 identisch. Die Länge eines jeden Prägemusters 8 ist mit He, die Länge eines jeden Zwischenabschnitts 9 mit H9 angegeben (in Längsrichtung LR gesehen). Die Länge He beträgt bevorzugt mindestens das Dreißig-fache, jedoch nicht mehr als das 50-fache der Länge H9. Ein Überlapp zwischen in Längsrichtung LR, das heißt Strömungsrichtung, aufeinander folgenden Prägemustern 8 ist in keinem Fall gegeben. Im bandförmigen Zwischenab schnitt 9 sind Zwischenprofilierungen 10 vorhanden. Eine Gestaltung der Zwischen abschnitte 9 mit kreisförmigen Zwischenprofilierungen 14 ist in Figur 1 , eine Gestal tung der Zwischenabschnitte 9 mit dreieckigen Zwischenprofilierungen 12 ist in Figur 2 dargestellt. Auch voneinander abweichende Gestaltungen verschiedener Zwischen abschnitte 9 innerhalb ein und derselben Elektrolyseplatte 1 sind möglich.
Sowohl in der Ausführungsform nach Figur 1 als auch in der Ausführungsform nach Figur 2 liegt das Prägemuster 8 in Form von zickzack- oder wellenförmigen Prägeein zelelementen 8a, 8b, 8c, die nebeneinander angeordnet sind und sich insgesamt in Längsrichtung LR erstrecken, vor.
Derartige kreisförmigen Zwischenprofilierungen 14 sind auch in der Darstellung eines bandförmigen Zwischenabschnitts 9 nach Figur 3 vorhanden. Der Zwischenabschnitt 9 ist in diesem Fall aus ovalen Zwischenprofilierungen 13 und kreisförmigen Zwi schenprofilierungen 14 gebildet. Ein besonderer Vorteil dieser Gestaltung liegt in der guten umformtechnischen Umsetzbarkeit.
Auch die zickzackförmigen Prägemuster 8, welche nicht nur in den Ausführungsfor men nach den Figuren 1 und 2, sondern in der Variante nach Figur 4 gezeigt sind, sind umformtechnisch erzeugbar, wobei scharfkantige Übergänge innerhalb des Zick zackmusters in den Figuren idealisiert dargestellt sind. Dies gilt auch für die in Figur 4 erkennbaren rechteckigen, insbesondere rautenförmigen Zwischenprofilierungen 15, welche hier die Zwischenprofilierungen 10 bilden. Im Fall von Figur 4 sind zwischen P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073 10 den Prägemustern 8 und den Zwischenabschnitten 9 Überlappungsbereiche 16 gebil det. Dabei ragen einige der rechteckigen Zwischenprofilierungen 15 in einen Bereich zwischen zwei Prägeeinzelmuster 8a, 8b, 8c (vergleiche Figur 1) der beiden in Längs richtung LR gesehen benachbarten Prägemuster 8.
Gemäß Figur 5 sind unterschiedliche Zwischenprofilierungen 10 in einem bandförmi gen Zwischenabschnitt 9 dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind links im Bild ovale Zwischenprofilierungen 13 vorhanden, die gegenüber der Längsrichtung LR schräggestellt ausgebildet sind. Hierbei alterniert die Ausrichtung der ovalen Zwi- schenprofilierungen 13, sodass sich insgesamt eine Zickzackanordnung ergibt. Wie weiter aus Figur 5 hervorgeht, schließen sich rechts davon kreisförmige Zwischenpro filierungen 14 und weitere schräggestellte ovale Zwischenprofilierungen 13 an. Ge zeigt sind weiterhin in einer 2-er Gruppierung angeordnete kreisförmige Zwischenpro filierungen 14' und rechts davon gegenüber der Längsrichtung LR nicht schräggestell- te ovale Zwischenprofilierungen 13.
Die Formen der in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Zwischenprofilierungen 10, 12, 13, 14, 14', 15 sind nur beispielhaft gezeigt und können innerhalb eines bandförmigen Zwischenabschnitts 9 beliebig variiert und/oder miteinander kombiniert werden.
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Bezuqszeichenliste
1 Elektrolyseplatte
2 Profilblech
2a, 2b Längsseite
2c, 2d Schmalseite
3 Verbindungsbereich
4 Profilbereich
5 Bohrung
6 Öffnung
7 Cluster
8 Prägemuster
8a, 8b, 8c Prägeeinzelmuster
9 Zwischenabschnitt
10 Zwischenprofilierung
11 Sub-Cluster
12 Zwischenprofilierung dreieckig
13 Zwischenprofilierung oval
14 Zwischenprofilierung kreisförmig
14' Zwischenprofilierung kreisförmig und gruppiert in 2-er Anordnung
15 Zwischenprofilierung rechteckig
16 Überlappungsbereich
B2 Breite des Profilblechs
B4 Breite des Profilbereichs
H2 Länge des Profilblechs
H4 Länge des Profilbereichs in Längsrichtung LR
He Länge des Prägemusters in Längsrichtung LR
HQ Länge des Zwischenabschnitts in Längsrichtung LR
LR Längsrichtung

Claims

P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073 12 Patentansprüche
1. Elektrolyseplatte (1), umfassend ein rechteckiges Profilblech (2) aufweisend zwei Längsseiten (2a, 2b) und zwei Schmalseiten (2c, 2b), welches einen äu ßeren, rahmenförmigen Verbindungsbereich (3) und einen in diesem liegenden Profilbereich (4) mit rechteckiger, nicht quadratischer Grundform aufweist, wel cher ein Aktivfeld bildet, wobei durch die Oberfläche des Profilbereichs (4) ein Strömungskanal begrenzt ist, dessen Längsrichtung (LR) durch die nicht quad ratische Form des Profilbereichs (4) gegeben ist und parallel zu den Längssei ten (2a, 2b) verläuft, und wobei ein Prägemuster (8) des Profilblechs (2) in Längsrichtung (LR) des Profilbereichs (4) mindestens dreimal, nicht überlap pend oder berührend, das heißt unter Einhaltung von Abständen, hintereinan der angeordnet ist, wobei das jeweilige Prägemuster (8) aus mindestens drei nebeneinander angeordneten, sich in der Längsrichtung (LR) erstreckenden und eine Zickzack- oder Wellenform beschreibenden Prägeeinzelmustern (8a, 8b, 8c) gebildet ist, und wobei aufeinanderfolgende Prägemuster (8) durch ei nen bandförmigen Zwischenabschnitt (9) mit Zwischenprofilierungen (10) von einander getrennt sind, wobei jeder bandförmige Zwischenabschnitt (9) parallel zu den Schmalseiten (2c, 2d) verlaufend angeordnet ist.
2. Elektrolyseplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Prä gemuster (8) des Profilblechs (2) in Längsrichtung (LR) des Profilbereichs (4) mindestens viermal hintereinander angeordnet ist.
3. Elektrolyseplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenprofilierungen (10) als diskrete Erhebungen ausgebildet sind, die kreisförmig, oval, rechteckig oder dreieckig ausgebildet sind oder aus Kombina tionen oder Gruppen solcher gleicher oder unterschiedlicher Erhebungen gebil det sind.
4. Elektrolyseplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenprofilierungen (10) in Längsrichtung (LR) des Profilbe- P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073
- 13 - reichs (4) mit mindestens einem der beiden benachbarten Prägemustern (8) überlappen.
5. Elektrolyseplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis einer Länge (HQ) eines Zwischenabschnitts (9) in Längsrichtung (LR) und einer Länge (He) eines Prägemusters (8) in Längsrich tung (LR) im Bereich von Hq/Hb = 1/30 bis 1/50 liegt.
6. Elektrolyseplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilbereich (4) mindestens ein Sub-Cluster (11) an gleicharti gen Prägemustern (8) sowie mindestens ein in Längsrichtung (LR) vor- oder nachgelagertes, sich hiervon unterscheidendes Prägemuster (8) umfasst und/oder dass die Zwischenabschnitte (9) zwischen den Prägemustern (8) sich hinsichtlich ihrer Zwischenprofilierungen (10) zumindest teilweise unterschei den.
7. Elektrolyseplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich im rahmenförmigen Verbindungsbereich (3) mehrere Öffnungen (5, 6) zur Durchleitung von Medien und/oder zum Durchstecken von Verbin dungselementen befinden.
8. Verwendung einer Elektrolyseplatte (1) nach Anspruch 1 in einer Elektrolysean lage zur Wasserstoffherstellung.
9. Verfahren zur Herstellung einer Elektrolyseplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellung eines eine rechteckige Form aufweisenden Profilbleches (2), wobei ein äußerer, rahmenförmiger Bereich des Profilbleches (2) als Ver bindungsbereich (3) definiert ist,
- Erzeugung der mindestens drei, voneinander beabstandeten Prägemustern (8) und der bandförmigen Zwischenabschnitte (9) in dem vom Verbindungs- P210093 WO 2022/171237 PCT/DE2022/100073
- 14 - bereich (3) umschlossenen Profilbereich (4) des Profilbleches (2).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägemuster (8) in einem Durchlaufverfahren erzeugt werden.
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