EP4430230A2 - Halbzelle einer elektrolysezelle für einen elektrolyseur und verfahren zum herstellen einer komponente für eine elektrolysezelle - Google Patents

Halbzelle einer elektrolysezelle für einen elektrolyseur und verfahren zum herstellen einer komponente für eine elektrolysezelle

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Publication number
EP4430230A2
EP4430230A2 EP22839724.6A EP22839724A EP4430230A2 EP 4430230 A2 EP4430230 A2 EP 4430230A2 EP 22839724 A EP22839724 A EP 22839724A EP 4430230 A2 EP4430230 A2 EP 4430230A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
anode
cell
transport layer
plate
membrane
Prior art date
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Pending
Application number
EP22839724.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andre KLINGER
Yashar Musayev
Günter Schmid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a half-cell of an electrolytic cell for an electrolyzer and a method for producing a half-cell for an electrolytic cell.
  • the half-cell of an electrolytic cell means in particular that region which, starting from a membrane, extends in the direction of a bipolar plate arranged laterally thereto. Since a bipolar plate is usually arranged on both sides with respect to the membrane, these two areas can each be regarded as half-cells. Two half-cells thus preferably result in an electrolytic cell.
  • electrolytic cells can be combined in a stack and can represent an electrolyser.
  • electrolysis represents one of several ways to convert excess energy into chemical energy in the form of electricity. This process is called electrolysis, in which electrical energy is converted into chemical energy in the form of hydrogen and oxygen.
  • the production of hydrogen from water with the help of electricity is preferably carried out by electrolysis.
  • alkaline electrolysis the following reactions take place at the cathode or anode:
  • Equation 1 (anode ) 40H ⁇ -> 2H 2 O + 0 2 + 4e"
  • Equation 2 (cathode ) 2H 2 O + 2e ⁇ -> 20H ⁇ + H 2 Equations 1 and 2 represent partial reactions of the formation of hydrogen and oxygen and take place separately from each other.
  • the spatial separation takes place in particular by means of a separator which enables ionic transport through the cell.
  • This separator is often referred to as a membrane.
  • anion exchange membrane electrolysis (AEM water electrolysis) this is done by using a hydroxide ion conducting membrane.
  • thermodynamic equilibrium without taking into account the increase in entropy or the necessary supply of heat for the phase change, the result is a reversible cell voltage of 1.23 volts.
  • the non-reversible, thermo-neutral voltage is 1.481 volts at 25 degrees Celsius.
  • An electrolytic cell and the associated half-cells represent electrical assemblies whose components also have electrical resistances or impedances. These resistances or impedances ultimately influence an operating voltage of the electrolytic cell.
  • two resistances are particularly relevant in the industrially relevant operating range, namely the activation resistance and the ohmic resistance of the cell.
  • the activation resistance is largely determined by the electrode or the catalyst and its surroundings.
  • the Ohm's resistance is influenced by all components.
  • the membrane resistances, the electrolyte resistances and the contact resistances are of particular importance with regard to the ohmic resistance.
  • the ohmic resistance of the electrolytic cell thus significantly influences the efficiency of the electrolysis.
  • the lower the ohmic resistance of the electrolytic cell the more hydrogen can be produced with a given amount of energy.
  • An improved electrolytic cell with a lower Ohm 'see resistance or an increased Ef fi ciency can be of great importance when storing excess electrical energy, particularly as part of the energy transition.
  • the object of this invention is to increase efficiency in the electrolysis. This is to be achieved above all by a lower ohmic resistance of the electrolytic cell.
  • This invention is based on the knowledge that in previous electrolytic cells, several different intermediate surfaces are arranged in an electrolytic cell. For example, a gas diffusion layer is often divided into several different layers. Each different layer can thus represent an interface which can increase the ohmic resistance of the electrolytic cell. Therefore, this invention proposes a novel cell design for a half-cell of an electrolytic cell.
  • a first half-cell is described below, which relates to an anode-side part of the electrolysis.
  • a second half-cell preferably refers to a part of the electrolytic cell on the cathode side. It should be noted here that the terms “first half-cell” and “second half-cell” do not represent an order, but merely represent a different designation.
  • a first aspect relates to a half-cell of an electrolysis cell for an electrolyzer.
  • the half-cell has an anode part-plate of a first bipolar plate.
  • the first bipolar plate is preferably composed of the anode part-plate and a cathode part-plate.
  • the anode part plate is part of the electrolysis on the anode side assigned, while the cathode part-plate of another second half-cell, the cathode-side part of the electrolytic cell, is assigned.
  • the first half-cell preferably extends from a membrane of the electrolytic cell in the direction of the partial anode plate, which is in particular part of the first bipolar plate.
  • the first half-cell thus represents the anode side of the electrolytic cell, while the second half-cell preferably represents the cathode side of the electrolytic cell.
  • the membrane can be designed to be electrically conductive for anions. It can be "anion-conducting". Additionally or alternatively, the membrane can be designed to be permeable to hydroxide ions. In particular, the membrane can be designed to be permeable exclusively to hydroxide ions.
  • the partial anode plate preferably has vertical elevations. These vertical elevations can be rectangular, circular and/or curved.
  • the vertical elevations of the partial anode plate can be made of the same material.
  • the partial anode plate can be made in one piece, monolithic and/or homogeneous together with the vertical elevations. Alternatively, the vertical elevations can be applied separately to the partial anode plate. For example, the vertical elevations can be placed on the partial anode plate.
  • a number, shape and/or arrangement of the vertical elevations preferably corresponds to an improved flow profile. This means in particular that the number, shape and/or arrangement of the vertical elevations lead to a lower pressure loss, preferably to the lowest possible pressure loss, of a fluid flowing through the bipolar plate.
  • the vertical elevations are preferably arranged or planned in such a way that the fluid flowing parallel to the partial anode plate experiences the lowest possible pressure loss.
  • Circular and/or arcuate bumps may have a planar flattened area which another Layer, namely a metallic anode transport layer facing.
  • the half-cell has, in particular, a metallic anode transport layer arranged on an upper side of the elevations of the partial anode plate.
  • the anode transport layer can be in direct contact with the anode part plate.
  • the anode transport layer can be in direct contact with the vertical elevations of the partial anode plate. It is also possible that the anode transport layer is only in contact with the vertical elevations. This can result in a space between the vertical elevations of the partial anode plate. Depending on the design of the partial anode plate, this space can be empty or partially filled.
  • the aspect relating to the optimization of the elevations with regard to the pressure loss can be transferred analogously to the intermediate space.
  • the size, shape and/or nature of the intermediate space can be adjusted or selected as a function of a pressure drop in a fluid flowing over the anode part-plate.
  • the height of the vertical elevations can be 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 or 20 mm. They can be semicircular, rectangular and/or curved.
  • the anode transport layer is preferably designed to be electrically conductive. This applies in particular to given charge carriers such as hydroxide ions, protons, electrons and/or hydroxonium ions, which are also referred to as protonated water molecules (H 3 O+ ions). In particular, the charge carriers are electrons.
  • the anode transport layer can only be electrically conductive.
  • the charge carriers in the transport layer are preferably electrons.
  • the anode transport layer can preferably be permeable with regard to the electrons as charge carriers and thus be electrically conductive.
  • the half-cell preferably has a membrane arranged on the anode transport layer. This membrane can be in direct contact with the anode transport layer. However, it is also possible that between the anode transport layer and the membrane is arranged a catalyst layer.
  • the catalyst layer for the anode side i.e. for the anode transport layer, can have or contain the following materials:
  • the catalyst layer for the anode transport layer can also be applied to fibers or to a fiber structure of the partial anode plate.
  • the catalyst layer for the cathode side i.e. for the cathode transport layer, can have or contain the following materials:
  • the membrane is preferably arranged on a side of the anode transport layer facing away from the elevations and is permeable to predetermined charge carriers.
  • the membrane can be permeable to hydroxide ions.
  • the specified charge carriers for the membrane can be protons, electrons, hydroxide ions and hydroxonium ions.
  • the charge carriers are preferably hydroxide ions.
  • the membrane can be designed to be conductive with respect to anions.
  • the membrane can thus be anion-conducting. Anions can be electrically conducted along the membrane. Anions are, in particular, negatively charged ions.
  • the anode transport layer preferably has a graduated pore structure.
  • the graduated pore structure is in particular a structure of the anode transport layer in which a respective diameter of the pores in the anode transport layer decreases in the direction perpendicular to the membrane. This can mean in particular that pores that are closer to the vertical elevations have a larger diameter than other pores that are closer to the membrane, ie further away from the vertical elevations. Conversely, this means in particular that the diameter of the pores becomes larger, ie increases, in the direction perpendicular to the partial anode plate or to the bipolar plate.
  • the anode transport layer can be divided into several layers. Laid one on top of the other or in tandem, the multiple layers can provide the anode transport layer.
  • a support structure can be integrated in predetermined layers. For example, the last layer of the anode transport layer or given layers include a mesh as a support structure. A required rigidity of the anode transport layer can thus be ensured.
  • the meshes of the net are preferably on the order of 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 to 1 mm.
  • the mesh or the supporting structure can have a thickness or a diameter of 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 up to 100 ⁇ m.
  • the combination of the anode transport layer and the support structure takes place in particular in a positive and non-positive manner.
  • the second half-cell which contains the cathode part-plate, is preferably structurally similar to the first half-cell with the anode part-plate.
  • These two half-cells can preferably be designed symmetrically to one another. However, there may be differences in the materials or coatings used. Due to its graduated pore structure, the partial anode plate thus enables efficient gas exchange on the one hand and electrical conductivity for the given charge carriers on the other hand. This eliminates the need for an additional gas diffusion layer.
  • the number of layers within the electrolytic cell can be reduced, which often increases the contact resistance significantly. With this cell design, a number of intermediate surfaces can be reduced and thus the ohmic resistance of the half-cell can also be reduced. This allows to increase the efficiency of the electrolytic cell. In particular, a number of interfaces can be reduced from 8 to 4, which leads to an improvement in the electrical conductivity in the half-cell and thus to an increase in the efficiency of the electrolysis.
  • An additional or alternative embodiment relates to a half-cell, wherein those pores of a first interface of the anode transport layer, which faces the elevations of the anode sub-plate, have a first diameter and those pores of a second interface of the anode transport layer layer facing the membrane have a second diameter.
  • a quotient of the second diameter to the first diameter is preferably arranged within a first interval of 4 to 50.
  • the first diameter can be 50 pm while the second diameter can be as little as 1 gm. Starting from the vertical elevations in the direction of the membrane, the pores thus tend to become smaller in diameter.
  • the change in the respective diameter of the pores as a function of a layer thickness, which can indicate a perpendicular distance to the first interface can be linear, quadratic and/or exponential.
  • the change in the respective diameter of the pores ie the graduated pore structure
  • a product gas that forms can be discharged more efficiently through the larger pores on the side of the vertical elevations. Hydrogen and oxygen are possible product gases in electrolysis.
  • this graduated pore structure which is given by the change in the respective pore diameter along a thickness of the anode transport layer, a pressure loss with regard to the product gases can be reduced. Gas back pressure that is detrimental to the efficiency of the electrolytic cell can thus be avoided or at least reduced. In this way, an efficient gas discharge from the half-cell can be made possible and thus the probability of a gas back-up can be reduced.
  • a respective diameter of those pores between the first and the second interface of the anode transport layer is defined by a linear interpolation.
  • the first interface is preferably in contact with the vertical elevations of the partial anode plate, while the second interface is preferably in contact with the membrane and/or a catalyst layer.
  • the respective diameter of the pores can be described by linear interpolation, which corresponds to a respective pore diameter at a distance from the first or second interface assigns .
  • a quadratic, exponential or other interpolation can also be used.
  • the selected interpolation can be determined as a function of a predetermined performance of the electrolytic cell, a catalytic coating of the partial anode plate and/or material properties of the half-cell.
  • the graduated pore structure can thus be individually adapted to the respective half-cell or electrolytic cell and with regard to the respective specific requirements.
  • the respective diameter of the pores and/or a profile of the respective diameter of the pores within the anode transport layer is dependent on a specified pressure loss for an anode product, an electrical resistance caused by the anode transport layer and / or determined by a predetermined gas pressure of the electrolytic cell.
  • the anode product can be oxygen gas.
  • a specific production quantity for hydrogen and oxygen can be specified.
  • the pore design ie the respective diameter of the pores within the anode transport layer, can be adapted to the production quantity. This also applies to the pressure loss and the electrical resistance.
  • each half-cell can even be individually adapted to a given gas pressure and pressure loss and/or electrical resistance for the half-cell in question.
  • several half-cells in a stack of an electrolyzer can each have different pore structures.
  • the respective pore structures are preferably adapted with regard to the respective half-cell based on a respectively specified pressure loss, electrical resistance and/or specified gas pressure. This allows each individual half-cell within an electrolyser of a large number of electrolytic cells can be adjusted individually to the respective pressure loss, resistance and/or gas pressure with regard to the relevant half-cell. This is achieved in particular by adjusting the respective pore diameters and the respective progression of the pore diameters.
  • An additional or alternative embodiment provides that an anode catalyst is embedded in the anode transport layer and/or is arranged as a layer between the membrane and the anode transport layer.
  • the catalyst layer for the anode side i.e. for the anode transport layer, or the anode catalyst can have or contain the following materials or substance compositions:
  • the catalyst layer for the cathode side i.e. for the cathode transport layer, or the cathode catalyst can have or contain the following materials or substance compositions:
  • the activation resistance can also be positively influenced.
  • the respective fibers can be coated with an appropriate catalyst.
  • An efficiency of the electrolytic cell can be increased.
  • the coating can have one of the substance compositions mentioned, which contributes to the catalytic activity of the electrode or anode transport layer.
  • the catalyst itself can have low electrical conductivity. The electrical conductivity can be increased by means of a coating with the materials mentioned. In this way, good electrical conductivity can still be achieved with a catalyst that actually does not have good electrical conductivity.
  • a transverse conductivity of the catalysts can be increased by direct connection to an electrically conductive material such as stainless steel, graphite or carbon.
  • an electrically conductive material such as stainless steel, graphite or carbon.
  • a further layer is applied to a substrate.
  • the catalyst layer can be used as a substrate and coated with another different layer.
  • the other different layer can contain two different metals, ie it can be bimetallic.
  • the support thus represents one of several possible coating methods. Baking, vapor deposition and/or sputtering can represent other coating methods or can be used.
  • the layer of the anode catalyst can have a layer thickness of 0.01 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the anode transport layer can be produced with other coating methods such as electroplating, PVD, CVD, PACVD or wet-chemically by paste application.
  • other catalysts can be provided as materials.
  • the cathode transport layer should preferably be provided with a corresponding cathode catalyst.
  • This cathode catalyst can be constructed analogously to the exemplary embodiment explained in this example.
  • the graduated pore structure can be realized, for example, with the help of several different layers.
  • the anode transport layer may comprise different layers, with each layer having a corresponding one Has pore diameter.
  • the graduated pore design can thus correspond to a sequence of several layers, each of which has a constant pore diameter.
  • a person skilled in the art is therefore aware of a number of options for producing a corresponding graduated pore structure for the anode transport layer.
  • An additional or alternative embodiment provides a half-cell, with the anode catalyst being formed as a layer between the membrane and the anode transport layer.
  • the layered anode catalyst preferably has a layer thickness of between 100 nm and 5 ⁇ m.
  • the anode catalyst can be in direct contact with the membrane.
  • the anode catalyst can rest directly on the membrane.
  • the anode transport layer includes a support structure with a first thickness.
  • the support structure can be grid-like, rectangular, mesh-like and/or wire-like.
  • the first thickness can correspond to a diameter of the support structure.
  • the support structure is in particular connected, contacted and/or interwoven with metallic fibers of a second thickness.
  • the support structure can be designed as a mesh, in particular as a metal mesh.
  • the metallic fibers can form a fleece, a fabric and/or a felt, which is connected, contacted and/or woven with the support structure of the anode transport layer.
  • the metallic fibers can be many times thinner than, for example, wires or rods that form the support structure.
  • the significantly thinner metallic fibers can wrap around the wires of the support structure and thus form a unit together with the support structure in the form of the anode transport layer.
  • the graduated pore structure can be realized by means of the metallic fibers.
  • an anode transport layer can be provided which has an effective Allows gas removal and at the same time has the necessary mechanical stability or strength due to the support structure.
  • the support structure thus preferably has a higher stiffness than the metallic fibers.
  • first thickness of the support structure and the second thickness of the metallic fibers are determined as a function of a predetermined stiffness and/or a predetermined elasticity.
  • the anode transport layer can thus be adjusted in terms of its flexibility and stiffness according to the respective half-cell.
  • the support structure preferably enables the necessary rigidity of the anode transport layer, while the metallic fibers can provide the graduated pore structure.
  • the metallic fibers can have the predetermined elasticity and can accordingly be adjusted to a kind of spring strength of the anode transport layer.
  • stiffness and elasticity can be optimally adjusted in order to enable the required stability of the anode transport layer and to ensure the elasticity of the anode transport layer that is also required.
  • An additional or alternative embodiment provides a half-cell, with a quotient of the first thickness to the second thickness being between 2 and 100, in particular between 4 and 20, preferably between 5 and 10.
  • the quotient represents a term D1/D2, where D1 represents the first thickness and D2 the second thickness.
  • the support structure can in particular be designed in the form of a lattice, a net and/or a mesh. Due to the significantly thinner metallic fibers, the support structure can be interwoven with the fibers accordingly.
  • the metallic fibers can include stainless steel, titanium and/or nickel.
  • the metallic fibers each form a fleece.
  • the metallic fibers can thus form a non-woven fabric, also called a non-woven fabric.
  • the fleece can contain stainless steel.
  • the fleece can be stiffened by means of the support structure and in this way a stiffer network structure of the stainless steel fleece can be created. Structural integrity of the porous anode transport layer can be ensured with the aid of the support structure. This can prevent the vertical elevations from being pressed too hard into the anode transport layer.
  • the non-woven fabric on the one hand, the necessary electrical conductivity can be provided, as well as the necessary mechanical stability and porosity for the graduated pore structure.
  • the stainless steel fleece can contain the graduated pore structure.
  • the partial anode plate and/or the partial cathode plate can be coated with iridium, nickel and/or alloys made from the following materials: nickel, iron, oxygen, cobalt, ruthenium and/or mixed alloys made from these substances come for the coating and question .
  • the following table shows, for example, which substance compositions of these substances mentioned are suitable as a coating for the metallic fibers.
  • the cathode side of the bipolar plate can be coated differently than the anode side of the bipolar plate. For other coatings can be provided for the cathode transport layer.
  • the support structure can be embodied in the form of a lattice and/or mesh.
  • the support structure can have stainless steel and/or coated black steel.
  • Stainless steel is preferably used as the support structure, since a rustproof material is advantageous in the electrolysis.
  • An additional or alternative embodiment provides that a number of elevations related to a predetermined planar interface of the partial anode plate, a height, a width and/or a shape of the elevations as a function of a predetermined pressure drop for an anode product Is determined by an electrical resistance caused by the anode part plate and / or by a predetermined gas pressure of the electrolytic cell.
  • the shape or design of the bipolar plate, which includes the anode sub-plate can be adjusted accordingly.
  • the vertical elevations can also have a further flat base area, which is spaced apart from the predetermined flat base area of the partial anode plate.
  • the porous anode transport layer preferably lies directly flat on the knobs and can thus make electrical contact with the anode part plate.
  • the stiffness and elasticity of the anode transport layer can be adjusted using the above-mentioned embodiments.
  • the first thickness of the support structure and the second thickness of the metallic fibers can be adapted.
  • the half-cell can thus be individually defined with regard to the support structure and the metallic fibers as well as with regard to the nub density, their height, width and shape to meet the requirements with regard to pressure loss, electrical resistance and gas pressure.
  • a different coating can be provided for the first half-cell (anode side) compared to the second half-cell (cathode side).
  • the cathode sub-plate can in
  • the partial cathode plate can have nickel or be coated with nickel.
  • the anode Partial plate and/or cathode partial plate can have a thickness of 0.2 to 1 mm.
  • an additional or alternative embodiment provides that the anode transport layer has a thickness of 200 ⁇ m to 1000 ⁇ m and the elevations have a height perpendicular to the anode partial plate of 1 to 5 mm. Due to the height of the elevations of 1 to 5 mm, sufficient space can be created between the vertical elevations in order to ensure the required gas outflow in the half-cell.
  • the elevations can each have a flat surface parallel to the partial anode plate, which is in direct contact with the anode transport layer.
  • the anode transport layer can be arranged at a distance from the partial anode plate.
  • a gap can be set between the anode partial plate and the anode transport layer with the help of the flat surface.
  • an electrical conductivity can be set and, with the help of a height of the elevations, a size of the gap and thus a possible gas flow of the anode product oxygen. The same can apply to the elevations of the partial cathode plate, which is in contact with the cathode transport layer.
  • an additional or alternative embodiment provides that the anode part plate, the anode transport layer and the membrane are fixed in a cell frame and the cell frame has a seal.
  • the seal is preferably designed in such a way that the membrane, the partial anode plate and/or the anode transport layer are sealed.
  • the cell frame can contain two cell frame halves, which can fix the anode part plate, anode transport layer and/or membrane on respectively opposite sides.
  • the first bipolar plate can be removed by means of the cell frame to be written .
  • An electrolytic cell can thus contain two bipolar plates, which can form a complete cell frame by means of two cell frame halves.
  • the first partial anode plate can be regarded as part of the first bipolar plate.
  • the membrane can be force-fitted between the two halves of the cell frame using a suitable sealing material as a seal and thus sealed.
  • a suitable sealing material as a seal and thus sealed.
  • Flat ring seals, O-rings and/or other forms of seals can be used as seals.
  • the material of the cell frame can be metallic or polymeric in nature.
  • a second aspect of this invention relates to an electrolytic cell.
  • the electrolytic cell contains a first half-cell, as was described in the aforementioned embodiments.
  • the electrolytic cell also has a second half-cell, which is arranged in particular on the membrane.
  • the first and second half-cells can be arranged symmetrically to one another with respect to the membrane.
  • the second half-cell has a partial cathode plate of a second bipolar plate.
  • the cathode part plate has vertical elevations.
  • a metallic cathode transport layer is arranged on an upper side of the elevations of the partial cathode plate.
  • the membrane is arranged on a side of the cathode transport layer facing away from the elevations and is permeable to further predetermined charge carriers.
  • the other specified charge carriers can be electrons, protons, hydroxonium ions and hydroxide ions.
  • the membrane is preferably only permeable to hydroxide ions (OH ⁇ ions). With regard to anions, ie negatively charged ions, the membrane is preferably electrically conductive. This allows hydroxide ions (OH ions) to diffuse through the membrane and also be conducted along the membrane surface.
  • Other anions such as, for example, hyperoxide anions (O2" ), ozonide anions (O3" ) can preferably only be conducted electrically from the membrane as anions, but in particular cannot di f funded through the membrane. ren .
  • the cathode transport layer preferably has a further graduated pore structure in which a respective diameter of the pores in the cathode transport layer decreases in the direction perpendicular to the membrane.
  • the structure of the second half-cell is similar to that of the first half-cell.
  • the arrangement of the cathode transport layer, the cathode partial plate and any coatings can be implemented analogously to the first half-cell.
  • all of the embodiments can be transferred analogously to the second half-cell with the partial cathode plate and the cathode transport layer.
  • the second half-cell will not be described in detail again like the first half-cell.
  • all of the statements relating to the first half-cell or to the half-cell can be correspondingly transferred to the second half-cell.
  • the following embodiments relate to the electrolytic cell, which contains the first half-cell and the second half-cell.
  • the properties of the second half-cell are preferably discussed here.
  • the first half-cell reference is made to the embodiments already mentioned.
  • An additional or alternative embodiment for the electrolytic cell provides that the partial cathode plate has nickel and/or is coated with nickel. Hydrogen is preferably produced in the second half-cell with the partial cathode plate.
  • nickel has proven to be a particularly effective material.
  • An additional or alternative embodiment for the electrolytic cell provides that a cathode catalyst is embedded in the cathode transport layer and/or as a Layer between the membrane and the cathode transport layer is arranged.
  • the cathode catalyst can contain platinum, nickel, molybdenum, cobalt and/or mixtures thereof. Tables 1 and 2 show, by way of example, which substances or substance compositions can be used as a catalytic coating for the cathode transport layer.
  • the invention can include an electrolytic cell with a first and/or second half-cell, with the respective transport layer having a plurality of coatings.
  • the respective half-cell can have a fleece containing high-grade steel. This fleece can be in the form of fibers. These fibers can be coated with multiple layers.
  • a first layer may include nickel, for example.
  • a second layer, which is preferably in direct contact with the first layer, can contain NiFe, NiCo, NiFeCo, NiV, NiMo, NiFeO, NiAl and/or NiZn.
  • a third aspect of this invention relates to a method for manufacturing a half-cell for an electrolytic cell.
  • the method can include the following steps. First, an anode sub-plate and a cathode sub-plate can be stamped and/or embossed to form vertical elevations. The punched or embossed partial plates can be welded at the edge areas. A bipolar plate can thus be produced from these two partial plates.
  • a transport layer can be placed on each of the elevations on both sides of the bipolar plate. The anode transport layer is preferably placed on one side and the cathode transport layer is placed on the opposite side.
  • each bipolar plate preferably has contact with exactly one anode transport layer and exactly one cathode transport layer.
  • the respective transport layer is pressed with the bipolar plate by means of a respective contact pressure.
  • the necessary contact pressure is dependent on a specified flow resistance a respective product of the electrolytic cell and/or an electrical resistance of the respective transport layer is determined.
  • the flow resistance and/or the electrical resistance can be predetermined parameters that define the respective contact pressure.
  • a membrane can be arranged in each case on the transport layer.
  • the membrane can be sealed by means of a cell frame which has a gasket for bracing the gasket.
  • two bipolar plates can thus form a complete cell frame with the cell frame halves.
  • the membrane can be tightly clamped between the halves of the cell frame using a suitable seal. In this way the membrane can be sealed.
  • the porous transport layer can be placed directly flat on the knobs, the vertical elevations. This ensures electrical contact with the bipolar plate.
  • FIG. 1 shows an exemplary cross section of an electrolytic cell
  • FIG. 2 shows an exemplary cross section of an electrolyzer with several electrolytic cells
  • FIG. 3 shows an exemplary illustration of an electrolyzer with a centrally arranged bipolar plate which is clamped between two halves of the cell frame;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a graduated pore structure in the anode transport layer and cathode transport layer, with a support structure and metallic fibers;
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an anode transport layer, with a support structure and metallic fibers
  • FIG. 7 shows an exemplary scheme for producing a half-cell or an electrolytic cell.
  • the electrolytic cell EZ preferably includes a first half-cell H1 and a second half-cell H2.
  • the two half-cells H1 and H2 together form the electrolytic cell EZ.
  • a membrane MB is arranged in the center of the electrolytic cell EZ.
  • the first half-cell H1 represents the part of the electrolytic cell EZ on the anode side, while the second half-cell H2 represents the part of the electrolytic cell EZ on the cathode side.
  • the membrane MB is preferably designed to be electrically conductive with regard to anions, such as OH”, O 2- , S 2- , N3 ′′, etc. At the same time, the membrane MB can only be permeable to hydroxide ions (OH ⁇ ions).
  • an anode catalyst AKA Starting from the membrane MB in the x-direction, an anode catalyst AKA follows.
  • the anode catalyst AKA is designed as a layer. However, it can instead or additionally be integrated in an anode transport layer AT or be connected to the anode transport layer AT by means of a coating.
  • the anode transport layer AT is shown in FIG. 1 with holes. This representation of holes is intended to indicate the porosity of the anode transport layer AT.
  • the anode transport layer AT is followed by the anode partial plate AP, which is part of a first bipolar plate BP1.
  • the anode sub-plate AP has vertical elevations NP. These vertical elevations NP are often referred to as nubs.
  • the vertical elevations NP can be in direct contact with the anode transport layer AT.
  • the anode transport layer AT has a first boundary surface Gl, which is partially in contact with the vertical elevations NP.
  • the second boundary surface G2 which is opposite the first boundary surface Gl, is in contact with the anode catalyst AKA.
  • the second interface G2 can also be in contact with the membrane MB.
  • the second half-cell H2, starting from the membrane MB in the negative x-direction, is structurally similar to the first half-cell H1.
  • the second half-cell H2 has a cathode catalyst KKA as a catalyst.
  • the cathode catalyst KKA can also be connected to the cathode transport layer KP.
  • the cathode transport layer KT can rest directly against the nubs of the cathode partial plate KP, which is part of a second bipolar plate BP2.
  • the bipolar plates BP1, BP2 and the membrane MB can be fixed via a first cell frame half ZI and a second cell frame half Z2.
  • a side view of the two cell frame halves ZI and Z2 with the first bipolar plate BP1 is shown enlarged by way of example and schematically.
  • the first bipolar plate BP1 is sealed by means of a gasket DT.
  • the first bipolar plate BP1 has the anode part plate AP and the cathode part plate KP. These two partial plates AP, KP together preferably form the first bipolar plate BP1.
  • the terms "first” or "second” are used only for differentiation and in particular have no direct technical meaning.
  • a seal DT is arranged in the first cell frame half ZI and in the second cell frame half Z2.
  • the seal DT can be a flat ring seal, an O-ring or other type of seal. With the aid of the seal DT, which is arranged between the cell frame halves ZI and Z2, the first bipolar plate BP1 and the membrane MB can be braced in a non-positive manner. Reliable sealing can thus take place.
  • the first bipolar plate BP1 with the partial anode plate AP can be made of titanium.
  • a second bipolar plate BP2 can be made of a different material.
  • the first bipolar plate can thus be made from two different materials. As a result, greater chemical resistance of the anodic first half-cell H1 can be promoted.
  • the anode partial plate AP and the cathode partial plate KP can be pressed together. In this case, welding of these two partial plates could be omitted.
  • the partial plates pressed together to form the first or second bipolar plate BP1, BP2 can be sealed by the two cell frame halves Z1, Z2.
  • FIG. 3 shows an electrolyzer EY as an example and in a highly simplified manner.
  • the electrolyser EY contains several electrolytic cells EZ.
  • the electrolyzer EY contains two electrolytic cells EZ with the first and the second half cell H1 and H2 and a third half cell H3 and a fourth half cell H4 .
  • the two electrolysis cells EZ are preferably structurally identical.
  • the respective anode transport layers AT and cathode transport layers KT can differ in terms of their respective pore structure and their coatings in the respective half-cells.
  • the second bipolar plate BP2 is shown in the middle in FIG. In the x-direction, starting from the second bipolar plate BP2, one arrives via the membrane MB at the anode transport layer AT of the first bipolar plate BP1. Since the electrolyser EY is composed of several electrolytic cells EZ and several half-cells, it is sufficient to concentrate on the functioning and the basic structure of a half-cell. Depending on the required production volume of hydrogen and/or oxygen, the electrolyzer EY can include a different number of electrolytic cells EZ. Several electrolysis cells EZ can be combined in a stack, which represents the electrolyzer EY.
  • FIG. 4 shows an example of a plan view of the first or second bipolar plate BP1, BP2.
  • this can be an anode partial plate AP or a cathode partial plate KP.
  • the vertical elevations NP in the form of round knobs NP can be seen in FIG.
  • the height, width, shape and distribution and density of the nubs NP on the partial anode plate AT and/or partial cathode plate KT can be adjusted in such a way that contact resistance and pressure loss can be optimized.
  • a desired contact surface with the anode transport layer AT can thus be predetermined and adjusted by a corresponding nub density, nub shape and nub height or nub width.
  • the anode partial plate AP can be determined in terms of its contact area with the anode transport layer AT to be set . This allows one Uniform current distribution and thus a reduction in the ohmic resistances can be achieved during operation of the electrolyser EY. In particular, local current peaks and undesired transition resistances are avoided.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a cross section through the anode transport layer AT and the cathode transport layer KT, which are in contact with the membrane MB.
  • a pore structure of the anode transport layer AT is described below.
  • the pore structure shown in FIG. 5 can be referred to as a graduated pore structure.
  • the graduated pore structure is characterized in particular by the fact that the anode transport layer AT has pores with a first diameter D1 in the region of the first interface G1, while pores with a second diameter D2 can be found on the second interface G2 of the anode transport layer AT .
  • the first diameter D1 is larger than the second diameter D2.
  • the pores between these two interfaces G1, G2 preferably have a diameter which is between the first diameter D1 and the second diameter D2.
  • a diameter of the pores can be given linearly as a function of a thickness of the anode transport layer AT and/or of a vertical distance from the first interface Gl or second interface G2.
  • the anode transport layer AT is often referred to as a porous layer since it has corresponding pores.
  • the first diameter D1 can be 50 pm, for example, while the second diameter D2 can be only 5 pm.
  • the first diameter D1 to the second diameter D2 can form a ratio which can be from 2 to 10.
  • the cathode transport layer KT can have a different graduated pore structure.
  • the pore diameters also increase in the negative x-direction, but to a different extent that corresponds to the specific requirements. Consequently, the graduated The pore structure in the cathode transport layer KT can be designed differently from the graduated pore structure in the anode transport layer AT.
  • the function rule or mapping rule can determine the respective diameter of the pores as a function of a layer thickness, the direction of which is represented by the x-direction, i.e. along the direction perpendicular to the interface.
  • a quadratic or exponential course can instead be given.
  • a functional layer is achieved through the selected distribution function of the graduated pore diameters along the x-direction, which is characterized by a generally non-homogeneous distribution of the pore diameters.
  • the first boundary surface Gl of the anode transport layer AT is positioned directly on the flat surface of the vertical elevations NP.
  • the graduated pore structure shown as an example in FIG. 5 is preferably implemented in all of the embodiments or exemplary embodiments. It is not shown explicitly in FIGS. 1 to 3 merely for reasons of clarity.
  • FIG. 6 shows an example of a plan view of the anode transport layer AT. This applies analogously to the cathode transport layer KT.
  • a support structure ST is shown in the right-hand area of FIG.
  • this support structure ST is in the form of a lattice.
  • the lattice form can be realized by interwoven wires.
  • the wires of this lattice structure can have a thickness a1.
  • the support structure ST is interspersed with a fibrous structure or. interwoven .
  • This fibrous structure has metallic fibers FS. In the right-hand area of FIG. 6, only the fiber structure of the metallic fibers FS can be seen.
  • These metallic fibers FS have a thickness a2 that is smaller than the first thickness a1.
  • the first Thickness al can be 10 or 100 times greater than the second thickness a2.
  • the metallic fibers FS with the second thickness a2 can be connected and/or woven to the support structure ST.
  • the metallic fibers FS wrap around the metal wires of the support structure ST.
  • the anode transport layer AT can be given the required mechanical stability and/or strength.
  • the graduated pore structure is preferably realized via the metallic fibers FS.
  • the metallic fibers FS can be designed as felt, fabric and/or fleece.
  • the metallic fibers can include stainless steel.
  • the fleece with the metallic fibers FS can be placed on the knobs, which are clearly visible in FIG.
  • the stainless steel fleece can thus be positioned directly on the vertical elevations NP.
  • a contact surface between the stainless steel fleece and the vertical elevations NP can be adjusted by applying contact pressure. In principle, this also applies to other metallic fibers FS.
  • a spring effect can be achieved in the first half-cell H1 and electrolytic cell EZ. With the aid of this spring action, a uniform, planar contact with the anode partial plate AP or the cathode partial plate KP can be achieved.
  • the fleece or metal fleece and the metallic fibers FS can be coated.
  • the coating can talysator AKA or cathode catalyst KKA.
  • These catalysts can have a multilayer structure.
  • An example of a layer system on the anode side for efficient electrodes could be a multi-layer coating consisting of an adhesive coating with nickel on stainless steel and a subsequent porous catalytic nickel-iron coating.
  • the coated metal fleece with the metallic fibers FS can also be coated with an anion exchange polymer.
  • An ionic transport channel for the hydroxide ions can thus be created from the membrane MB to the anode catalyst AKA or cathode catalyst KKA. It can thus be achieved that the necessary concentration of a potassium hydroxide solution can be reduced and at the same time mechanical stability of the catalytic layer can be improved.
  • the anode transport layer AT can thus have a microporous structure and lie directly on the membrane MB. A homogeneous force distribution can thus take place over the membrane MB.
  • the fleece or the metallic fibers FS can thus reduce the risk of damage to the membrane MB by squeezing or perforation, particularly when the electrolyzer EY is in pressure mode.
  • the electrolytic cell EZ with the first half-cell H1 and the second half-cell H2 is characterized above all by its low complexity. Due to a lower number of components in the electrolytic cell EZ, there are fewer intermediate surfaces, which can result in a reduction in the associated ohm resistance. At the same time, the respective layers are coordinated in terms of their structure, extent and the corresponding nub design in such a way that the necessary stability, electrical conductivity and the necessary gas passage are nevertheless provided can be guaranteed.
  • This new electrolytic cell EZ allows simple coating technologies to be used, which can significantly reduce the manufacturing costs of the electrolyser EY.
  • FIG. 7 shows a possible method by way of example.
  • the first half-cell H1, the second half-cell H2, the electrolytic cell EZ and/or the electrolyzer EY can thus be produced.
  • the anode partial plate AP and the cathode partial plate KP can be punched and/or embossed. This allows the vertical elevations NP to be formed.
  • these two partial plates can be welded together to form the first bipolar plate BP1.
  • a transport layer is placed on each of the elevations NP on both sides of the first bipolar plate BP1.
  • the transport layer preferably corresponds to the anode transport layer AT, the other transport layer on the opposite side of the first bipolar plate BP1 is preferably the cathode transport layer KT.
  • the respective transport layer can be pressed with the first or second bipolar plate using a respective contact pressure.
  • the contact pressure is determined in particular as a function of a predetermined flow resistance of a respective product of the electrolytic cell EZ and/or an electrical resistance of the respective transport layer AT, KT.
  • the membrane MB can be arranged in each case on the transport layer AT, KT.
  • the membrane MB is braced by means of the cell frame, in particular formed by the two cell frame halves ZI, Z2, by means of the seal DT.
  • the cell frame and the cell frame halves ZI, Z2 can contain the seal.
  • the exemplary embodiments and embodiments show how the efficiency of the electrolysis can be increased by means of a simpler, more robust and overall simpler cell design, while at the same time there are cost advantages in production. Improved electrolysis in electrolytic cells EZ can be advantageous in many technical areas and/or be useful when storing energy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbzelle (H1) einer Elektrolysezelle (EZ) für einen Elektrolyseur (EY). Die Halbzelle (H1) weist eine Anoden-Teilplatte (AP) mit senkrechten Erhebungen (NP) auf. An einer Oberseite der senkrechten Erhebungen (NP) der Anoden-Teilplatte (AP) ist eine Anoden-Transportschicht (AT) angeordnet. Die Halbzelle (H1) weist eine Membran (MB) auf, welche an einer der Erhebungen (NP) abgewandten Seite der Anoden-Transportschicht (AT) angeordnet ist und für vorgegebene Ladungsträger durchlässig ist. Dabei weist die Anoden-Transportschicht (AT) eine graduierte Porenstruktur auf, bei der ein jeweiliger Durchmesser der Poren in der Anoden- Transportschicht (AT) in Richtung senkrecht zur Membran (MB) gewandt abnimmt.

Description

Beschreibung
Halbzelle einer Elektrolysezelle für einen Elektrolyseur und Verfahren zum Herstellen einer Komponente für eine Elektrolysezelle
Die Erfindung betri f ft eine Halbzelle einer Elektrolysezelle für einen Elektrolyseur sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Halbzelle für eine Elektrolysezelle .
Die Halbzelle einer Elektrolysezelle bedeutet in dieser Patentanmeldung insbesondere j ener Bereich, der sich ausgehend von einer Membran in Richtung einer seitlich dazu angeordneten Bipolarplatte erstreckt . Da bezüglich der Membran in der Regel beidseitig eine Bipolarplatte angeordnet ist , können diese beiden Bereiche j eweils als Halbzellen aufgefasst werden . Zwei Halbzellen ergeben somit bevorzugt eine Elektrolysezelle . Mehrere Elektrolysezellen können in einem Stack zusammengefasst werden und können einen Elektrolyseur repräsentieren .
Um von fossilen Energieträgern unabhängiger zu werden, richtet sich derzeit der Fokus vor allem auf erneuerbare Energien . Erneuerbare Energien bedürfen j edoch meistens einer zusätzlichen Speichertechnik . Beispielsweise stellt die Elektrolyse eine von mehreren Möglichkeiten dar, überschüssige Energie in Form von Strom in chemische Energie umzuwandeln . Dieser Prozess wird Elektrolyse genannt , bei der elektrische Energie in chemische Energie in Form von Wasserstof f und Sauerstof f umgesetzt wird . Die Produktion von Wasserstof f aus Wasser mit Hil fe von Strom erfolgt bevorzugt durch die Elektrolyse . Bei einer alkalischen Elektrolyse finden an der Kathode beziehungsweise Anode folgende Reaktionen statt :
Gleichung 1 (Anode ) 40H~ -> 2H2O + 02 + 4e“
Gleichung 2 (Kathode ) 2H2O + 2e~ -> 20H~ + H2 Die Gleichungen 1 und 2 stellen Teilreaktionen der Wasserstof f- und Sauerstof fbildung dar und laufen dabei räumlich getrennt ab . Die räumliche Trennung erfolgt insbesondere mittels eines Separators , der den ionischen Transport durch die Zelle ermöglicht . Dieser Separator wird häufig als Membran bezeichnet . Im Fall der Anionen-Austauschmembran-Elektrolyse (AEM-Wasser-Elektrolyse ) erfolgt dies durch die Nutzung einer Hydroxid- Ionen-leitenden Membran .
Im thermodynamischen Gleichgewicht ohne Berücksichtigung des Entropiezuwachses beziehungsweise der notwendigen Zuführung von Wärme zur Phasenänderung ergibt sich damit eine reversible Zellspannung von 1 , 23 Volt . Die nicht-reversible , thermoneutrale Spannung beträgt damit bei 25 Grad Celsius 1 , 481 Volt . Eine Elektrolysezelle sowie die dazugehörigen Halbzellen stellen elektrische Baugruppen dar, deren Komponenten ebenfalls elektrische Widerstände beziehungsweise Impedanzen aufweisen . Diese Widerstände oder Impedanzen beeinflussen somit letztendlich eine Betriebsspannung der Elektrolysezelle . Bezüglich des Widerstands sind im industriell relevanten Betriebsbereich insbesondere zwei Widerstände relevant , nämlich der Aktivierungswiderstand sowie der Ohm ' sehe Widerstand der Zelle .
Der Aktivierungswiderstand wird maßgeblich von der Elektrode oder dem Katalysator und dessen Umgebung vorgegeben . Dagegen wird der Ohm ' sehe Widerstand von allen Komponenten beeinflusst . Insbesondere sind bezüglich des Ohm ' sehen Widerstands die Membranwiderstände , die Elektrolytwiderstände sowie die Kontaktwiderstände von wichtiger Bedeutung . Der Ohm ' sehe Widerstand der Elektrolysezelle beeinflusst somit maßgeblich die Ef fi zienz der Elektrolyse . Je geringer der Ohm ' sche Widerstand der Elektrolysezelle ist , umso mehr Wasserstof f lässt sich bei einer vorgegebenen Energiemenge produzieren . Eine verbesserte Elektrolysezelle mit einem geringeren Ohm ' sehen Widerstand beziehungsweise einer gesteigerten Ef fi- zienz kann bei der Speicherung von überschüssiger elektrischer Energie , insbesondere im Rahmen der Energiewende , von großer Bedeutung sein .
Aus diesem Grund stellt sich diese Erfindung als Aufgabe , eine Ef fi zienz bei der Elektrolyse zu steigern . Dies soll vor allem durch einen geringeren Ohm ' sehen Widerstand der Elektrolysezelle erreicht werden .
Dieser Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde , dass bei bisherigen Elektrolysezellen mehrere unterschiedliche Zwischenflächen in einer Elektrolysezelle angeordnet sind . So wird beispielsweise häufig eine Gasdi f fusionsschicht in mehrere unterschiedliche Schichten auf geteilt . Jede unterschiedliche Schicht kann somit eine Zwischenfläche darstellen, welche den Ohm ' sehen Widerstand der Elektrolysezelle erhöhen kann . Daher schlägt diese Erfindung ein neuartiges Zelldesign für eine Halbzelle einer Elektrolysezelle vor .
Im Folgenden wird eine erste Halbzelle beschrieben, welche sich auf einen anodenseitigen Teil der Elektrolyse bezieht . Eine zweite Halbzelle bezieht sich bevorzugt auf einen katho- denseitigen Teil der Elektrolysezelle . Dabei ist zu beachten, dass die Begri f fe „erste Halbzelle" sowie „zweite Halbzelle" keine Reihenfolge darstellen, sondern lediglich eine unterschiedliche Bezeichnung repräsentieren .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Patentansprüche dieser Anmeldung gelöst . Sinnvolle Weiterbildungen und alternative Aus führungs formen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren angegeben .
Ein erster Aspekt betri f ft eine Halbzelle einer Elektrolysezelle für einen Elektrolyseur . Die Halbzelle weist eine Ano- den-Teilplatte einer ersten Bipolarplatte auf . Die erste Bipolarplatte setzt sich bevorzugt aus der Anoden-Teilplatte sowie einer Kathoden-Teilplatte zusammen . Die Anoden-Teilplatte ist dabei einem anodenseitigen Teil der Elektrolyse zugeordnet , während die Kathoden-Teilplatte einer weiteren zweiten Halbzelle , dem kathodenseitigen Teil der Elektrolysezelle , zugeordnet ist . Die erste Halbzelle erstreckt sich bevorzugt von einer Membran der Elektrolysezelle in Richtung der Anoden-Teilplatte , die insbesondere Teil der ersten Bipolarplatte ist . Die erste Halbzelle repräsentiert somit die Anodenseite der Elektrolysezelle , während die zweite Halbzelle bevorzugt die Kathodenseite der Elektrolysezelle darstellt . Die Membran kann für Anionen elektrisch leitend ausgeführt sein . Sie kann „anionenleitend" sein . Zusätzlich oder alternativ kann die Membran für Hydroxid- Ionen durchlässig ausgeführt sein . Insbesondere kann die Membran ausschließlich für Hydroxid- Ionen durchlässig ausgeführt sein .
Die Anoden-Teilplatte weist bevorzugt senkrechte Erhebungen auf . Diese senkrechten Erhebungen können rechteckig, kreisförmig und/oder gebogen ausgeführt sein . Die senkrechten Erhebungen der Anoden-Teilplatte können aus demselben Material ausgeführt sein . Die Anoden-Teilplatte kann zusammen mit den senkrechten Erhebungen einstückig, monolithisch und/oder homogen ausgeführt sein . Alternativ können die senkrechten Erhebungen auf der Anoden-Teilplatte separat aufgebracht sein . Zum Beispiel können die senkrechten Erhebungen auf der Anoden-Teilplatte aufgelegt sein .
Vorzugsweise entspricht eine Anzahl , Form und/oder Anordnung der senkrechten Erhebungen einem verbesserten Strömungsprofil . Dies bedeutet insbesondere , dass die Anzahl , Form und/oder Anordnung der senkrechten Erhebungen zu einem geringeren Druckverlust , bevorzugt zu einem möglichst geringen Druckverlust , eines durch die Bipolarplatte strömenden Fluids führen . Die senkrechten Erhebungen werden vorzugsweise so angeordnet oder geplant , dass das parallel zur Anoden-Teilplatte strömende Fluid einen möglichst geringen Druckverlust erfährt .
Kreis förmige und/oder gebogene Erhebungen können einen planaren abgeflachten Bereich aufweisen, welcher einer weiteren Schicht , nämlich einer metallischen Anoden-Transportschicht zugewandt ist . Die Halbzelle weist insbesondere eine an einer Oberseite der Erhebungen der Anoden-Teilplatte angeordnete metallische Anoden-Transportschicht auf . Die Anoden-Transportschicht kann unmittelbar mit der Anoden-Teilplatte kontaktiert sein . Insbesondere kann die Anoden-Transportschicht mit den senkrechten Erhebungen der Anoden-Teilplatte unmittelbar kontaktiert sein . Ebenso ist es möglich, dass die Anoden-Transportschicht ausschließlich nur mit den senkrechten Erhebungen in Kontakt steht . Damit kann sich j eweils zwischen den senkrechten Erhebungen der Anoden-Teilplatte ein Zwischenraum ergeben . Je nach Aus führung der Anoden-Teilplatte kann dieser Zwischenraum leer sein oder teilweise gefüllt sein . Der Aspekt bezüglich des Optimierens der Erhebungen hinsichtlich des Druckverlusts kann sinngemäß und analog auf den Zwischenraum übertragen werden . Größe , Form und/oder Beschaf fenheit des Zwischenraums können in Abhängigkeit von einem Druckverlust eines die Anoden-Teilplatte überströmenden Fluids angepasst sein oder gewählt werden . Beispielsweise kann die Höhe der senkrechten Erhebungen 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 oder 20 mm betragen . Sie können halbkreis förmig, rechteckig und/oder gebogen ausgeführt sein .
Die Anoden-Transportschicht ist bevorzugt elektrisch leitend ausgebildet . Dies gilt insbesondere für vorgegebene Ladungsträger wie zum Beispiel Hydroxidionen, Protonen, Elektronen und/oder Hydroxonium- Ionen, die auch als protonierte Wassermoleküle bezeichnet werden (H3O+ Ionen) . Insbesondere sind die Ladungsträger Elektronen . Die Anoden-Transportschicht kann nur elektrisch leitfähig sein . Die Ladungsträger in der Transportschicht sind bevorzugt Elektronen . Die Anoden-Transportschicht kann bevorzugt bezüglich der Elektronen als Ladungsträger durchlässig und damit elektrisch leitend sein . Die Halbzelle weist bevorzugt eine an der Anoden-Transportschicht angeordnete Membran auf . Diese Membran kann mit der Anoden-Transportschicht unmittelbar kontaktiert sein . Möglich ist j edoch auch, dass zwischen der Anoden-Transportschicht und der Membran eine Katalysatorschicht angeordnet ist . Die Katalysatorschicht für die Anodenseite , also für die Anoden- Transportschicht , kann folgende Materialien aufweisen oder beinhalten :
Nickel-Aluminium, Nickel-Zink, Cobalt-Aluminium, Cobalt-Eisen, Nickel-Eisen, Nickel-Eisen-Vanadium, Nickel-Cobalt , Ni- ckel-Molybdän, Nickel-Eisen-Double layered Hydroxid, Nickel- Eisen-Cobalt , Iridium, Rutheniumoxid, Nickelhydroxid, Nickeloxid und/oder Nickel . Die Katalysatorschicht für die Ano- den-Transportschicht kann auch auf Fasern oder auf eine Faserstruktur der Anoden-Teilplatte aufgebracht sein .
Die Katalysatorschicht für die Kathodenseite , also für die Kathoden-Transportschicht , kann folgende Materialien aufweisen oder beinhalten :
Nickel , Nickel-Molybdän auf Ruß , Nickel-Molybdän, Nickel-Platin, Platin, Nickel auf Ruß , Nickel-Phosphat und/oder Nickel- Vanadium . Die Katalysatorschicht für die Kathoden-Transportschicht kann auch auf Fasern oder auf eine Faserstruktur der Kathoden-Teilplatte aufgebracht sein .
Die Membran ist bevorzugt an einer der Erhebungen abgewandten Seite der Anoden-Transportschicht angeordnet sowie für vorgegebene Ladungsträger durchlässig . Insbesondere kann die Membran für Hydroxid- Ionen durchlässig sein . Die vorgegebenen Ladungsträger für die Membran können Protonen, Elektronen, Hyd- roxidionen sowie Hydroxonium- Ionen sein . Bevorzugt sind die Ladungsträger Hydroxydionen . Zusätzlich oder alternativ kann die Membran betref fend Anionen leitend ausgeführt sein . Die Membran kann somit anionenleitend ausgeführt sein . Anionen können entlang der Membran elektrisch geleitet werden . Anionen sind insbesondere negativ geladene Ionen . Dagegen ist es möglich, dass ausschließlich Hydroxidionen ( OH~ Ionen) durch die Membran di f fundieren können, also die Membran nur für Hydroxid- Ionen ( OH~ ) durchlässig ist . Die Membran kann betref fend Hydroxid- Ionen durchlässig sein, insbesondere nur für Hydroxid- Ionen durchlässig sein . Die Anoden-Transportschicht weist bevorzugt eine graduierte Porenstruktur auf. Die graduierte Porenstruktur ist insbesondere eine Struktur der Anoden-Transportschicht, bei der ein jeweiliger Durchmesser der Poren in der Anoden-Transportschicht in Richtung senkrecht zur Membran gewandt abnimmt. Dies kann insbesondere bedeuten, dass ene Poren, welche sich näher an den senkrechten Erhebungen befinden, einen größeren Durchmesser aufweisen als andere Poren, welche sich näher an der Membran befinden, also weiter weg von den senkrechten Erhebungen sind. Umgekehrt bedeutet dies insbesondere, dass in senkrechter Richtung zur Anoden-Teilplatte oder zur Bipolarplatte der Durchmesser der Poren größer wird, also steigt.
Die senkrechten Erhebungen werden oft „Noppen" genannt. Somit weist die Anoden-Transportschicht bezüglich der Durchmesserverteilung der Poren keine homogene Verteilung auf. Insbesondere kann der Porendurchmesser ausgehend von einer Grenzfläche der Anoden-Transportschicht, die den senkrechten Erhebungen zugewandt ist, in Richtung der gegenüberliegenden Grenzfläche linear abnehmen. Damit kann der Durchmesser der jeweiligen Poren in der Anoden-Transportschicht von einer Position der jeweiligen Pore innerhalb der Anoden-Transportschicht abhängig sein. Dabei ist insbesondere ein senkrechter Abstand zu einer der beiden Grenzflächen der Anoden-Transportschicht von Bedeutung. Die Anoden-Transportschicht kann Edelstahl und/oder Schwarzstahl beinhalten. Der Durchmesser der Poren, auch Porengröße genannt, kann bis zu 50 pm betragen. Die Porengröße kann 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 oder 50 pm betragen. Eine Dicke der Transportschicht kann 0,2 bis 2,0 mm betragen. Insbesondere kann die Dicke der Transportschicht 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0, 6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1, 6, 1,7, 1,8, 1,9 oder 2 mm betragen.
Die Anoden-Transportschicht kann in mehrere Lagen unterteilt sein. Aufeinandergeschichtet oder hintereinander können die mehreren Lagen die Anoden-Transportschicht ergeben. In vorgegebenen Lagen kann eine Stützstruktur integriert sein. Zum Beispiel kann die letzte Lage der Anoden-Transportschicht oder vorgegebene Lagen ein Netz als Stützstruktur beinhalten. Damit kann eine erforderliche Steifigkeit der Anoden-Trans- portschicht gewährleistet werden. Die Maschen des Netzes liegen dabei bevorzugt in einer Größenordnung von 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0, 6, 0,7, 0,8, 0,9 bis 1 mm. Das Netz oder die Stützstruktur kann eine Dicke oder einen Durchmesser von 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 bis zu 100 pm aufweisen. Der Verbund aus Anoden-Transportschicht und Stützstruktur erfolgt insbesondere formschlüssig und kraf tschlüssig .
Die zweite Halbzelle, welche die Kathoden-Teilplatte enthält, ist bevorzugt strukturell ähnlich aufgebaut wie die erste Halbzelle mit der Anoden-Teilplatte . Bevorzugt können diese beiden Halbzellen symmetrisch zueinander ausgeführt sein. Jedoch können sich bezüglich der eingesetzten Materialien oder Beschichtungen Unterschiede ergeben. Die Anoden-Teilplatte ermöglicht somit aufgrund ihrer graduierten Porenstruktur einerseits einen effizienten Gasaustausch und andererseits wird zugleich eine elektrische Leitfähigkeit für die vorgegebenen Ladungsträger ermöglicht. Damit kann der Einsatz einer zusätzlichen Gasdiffusionsschicht entfallen. Die Anzahl von Schichten innerhalb der Elektrolysezelle kann reduziert werden, welche den Kontaktwiderstand häufig signifikant erhöhen. Durch dieses Zelldesign kann eine Anzahl von Zwischenflächen reduziert werden und somit auch der Ohm' sehe Widerstand der Halbzelle herabgesetzt werden. Dies erlaubt, die Effizienz der Elektrolysezelle zu steigern. Insbesondere kann eine Anzahl von Zwischenflächen von 8 auf 4 herabgesetzt werden, was zu einer Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit in der Halbzelle und somit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads bei der Elektrolyse führt.
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form betrifft eine Halbzelle, wobei jene Poren einer ersten Grenzfläche der Anoden-Transportschicht, die den Erhebungen der Anoden-Teilplatte zugewandt ist, einen ersten Durchmesser aufweisen und jene Poren einer zweiten Grenzfläche der Anoden-Transport- schicht , die der Membran zugewandt ist , einen zweiten Durchmesser aufweisen . Bevorzugt ist ein Quotient aus dem zweiten Durchmesser zu dem ersten Durchmesser innerhalb eines ersten Intervalls von 4 bis 50 angeordnet . Der erste Durchmesser kann 50 pm betragen, während der zweite Durchmesser nur 1 gm betragen kann . Ausgehend von den senkrechten Erhebungen in Richtung der Membran werden somit die Poren hinsichtlich ihres Durchmessers tendenziell kleiner . Die Änderung des j eweiligen Durchmessers der Poren in Abhängigkeit von einer Schichtdicke , die einen senkrechten Abstand zu der ersten Grenz fläche angeben kann, kann linear, quadratisch, und/oder exponentiell sein . Somit kann die Änderung des j eweiligen Durchmessers der Poren, also die graduierte Porenstruktur, einem vorgegebenen Verlauf entsprechen . Durch die größeren Poren auf Seite der senkrechten Erhebungen kann ein sich bildendes Produktgas ef fi zienter abgeführt werden . Bei der Elektrolyse kommen als Produktgase Wasserstof f und Sauerstof f in Frage . Mit Hil fe dieser graduierten Porenstruktur, welche durch die Änderung der j eweiligen Porendurchmesser entlang einer Dicke der Anoden-Transportschicht gegeben ist , kann ein Druckverlust bezüglich der Produktgase reduziert werden . Ein für die Ef fi zienz der Elektrolysezelle schädlicher Gasrückstau kann somit vermieden oder wenigstens reduziert werden . Dadurch kann ein ef fi zienter Gasaustrag aus der Halbzelle ermöglicht werden und somit eine Wahrscheinlichkeit für einen Gasrückstau reduziert werden .
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form sieht vor, dass für die Porenstruktur ein j eweiliger Durchmesser j ener Poren zwischen der ersten und der zweiten Grenz fläche der Anoden-Transportschicht durch eine lineare Interpolation definiert ist . Die erste Grenz fläche steht bevorzugt mit den senkrechten Erhebungen der Anoden-Teilplatte in Kontakt , während die zweite Grenz fläche bevorzugt mit der Membran und/oder einer Katalysatorschicht in Kontakt steht . Der j eweilige Durchmesser der Poren kann durch die lineare Interpolation beschrieben werden, welche einem Abstand zur ersten oder zweiten Grenz fläche einen j eweiligen Porendurchmesser zuordnet . Anstelle der linearen Interpolation kann auch eine quadratische , exponentielle oder anderweitige Interpolation zum Einsatz kommen . Insbesondere kann die gewählte Interpolation in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Leistungsvermögen der Elektrolysezelle , einer katalytischen Beschichtung der Anoden-Teilplatte und/oder von Materialeigenschaften der Halbzelle bestimmt sein . Somit kann die graduierte Porenstruktur individuell an die j eweilige Halbzelle oder Elektrolysezelle und im Hinblick auf die j eweiligen spezi fischen Anforderungen angepasst werden .
Bei einer zusätzlichen oder alternativen Aus führungs form für die Halbzelle ist der j eweilige Durchmesser der Poren und/oder ein Verlauf des j eweiligen Durchmessers der Poren innerhalb der Anoden-Transportschicht in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Druckverlust für ein Anoden-Produkt , von einem elektrischen Widerstand verursacht durch die Anoden- Transportschicht und/oder von einem vorgegebenen Gasdruck der Elektrolysezelle bestimmt . Das Anoden-Produkt kann insbesondere Sauerstof f gas sein . Je nach Elektrolysezelle kann eine bestimmte Produktionsmenge für Wasserstof f sowie Sauerstof f festgelegt sein . Mit Hil fe dieser Aus führungs form kann das Porendesign, also der j eweilige Durchmesser der Poren innerhalb der Anoden-Transportschicht auf die Produktionsmenge angepasst sein . Dies gilt ebenso für den Druckverlust sowie den elektrischen Widerstand . Prinzipiell kann sogar j ede Halbzelle individuell an einen j eweiligen vorgegebenen Gasdruck sowie Druckverlust und/oder elektrischen Widerstand für die betref fende Halbzelle angepasst sein . Entsprechendes gilt analog für die zweite Halbzelle , welche die Kathoden-Teil- platte enthält . Somit können mehrere Halbzellen in einem Stack eines Elektrolyseurs j eweils unterschiedliche Porenstrukturen aufweisen . Dabei sind die j eweiligen Porenstrukturen basierend auf einem j eweils vorgegebenen Druckverlust , elektrischen Widerstand und/oder vorgegebenen Gasdruck bevorzugt betref fend die j eweilige Halbzelle angepasst . Damit kann j ede einzelne Halbzelle innerhalb eines Elektrolyseurs mit einer Viel zahl von Elektrolysezellen individuell auf den j eweiligen Druckverlust , Widerstand und/oder Gasdruck bezüglich der betref fenden Halbzelle eingestellt werden . Dies wird insbesondere durch das Anpassen der j eweiligen Porendurchmesser sowie des j eweiligen Verlaufs der Porendurchmesser erreicht .
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form sieht vor, dass in der Anoden-Transportschicht ein Anoden-Katalysator eingebettet ist und/oder als Schicht zwischen der Membran und der Anoden-Transportschicht angeordnet ist .
Die Katalysatorschicht für die Anodenseite , also für die Anoden-Transportschicht , oder der Anoden-Katalysator kann folgende Materialien oder Stof f Zusammensetzungen aufweisen oder beinhalten :
Nickel-Aluminium, Nickel-Zink, Cobalt-Aluminium, Cobalt-Eisen, Nickel-Eisen, Nickel-Eisen-Vanadium, Nickel-Cobalt , Ni- ckel-Molybdän, Nickel-Eisen-Double layered Hydroxid, Nickel- Eisen-Cobalt , Iridium, Rutheniumoxid, Nickelhydroxid, Nickeloxid und/oder Nickel .
Die Katalysatorschicht für die Kathodenseite , also für die Kathoden-Transportschicht , oder der Kathoden-Katalysator kann folgende Materialien oder Stof f Zusammensetzungen aufweisen oder beinhalten :
Nickel , Nickel-Molybdän auf Ruß , Nickel-Molybdän, Nickel-Platin, Platin, Nickel auf Ruß , Nickel-Phosphat und/oder Nickel- Vanadium .
Mit Hil fe unterschiedlicher Katalysatoren kann neben dem
Ohm ' sehen Widerstand auch der Aktivierungswiderstand positiv beeinflusst werden . Bei einer f aserf örmigen Anoden-Transportschicht können die j eweiligen Fasern mit einem entsprechenden Katalysator beschichtet sein . Eine Ef fi zienz der Elektrolysezelle kann gesteigert werden . Die Beschichtung kann eine der genannten Stof f Zusammensetzungen aufweisen, welche zur katalytischen Aktivität der Elektrode beziehungsweise Anoden- Transportschicht beiträgt . Insbesondere können Fasern als Träger des Katalysators ausgebildet sein . Der Katalysator selbst kann eine geringe elektrische Leitfähigkeit besitzen . Mittels einer Beschichtung mit den genannten Materialien kann die elektrische Leitfähigkeit gesteigert werden . So kann bei einem Katalysator, der eigentlich keine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt , dennoch eine gute elektrische Leitfähigkeit erreicht werden .
Durch eine Trägerung von edelmetall freien Katalysatoren kann eine Querleitfähigkeit der Katalysatoren durch eine direkte Anbindung an ein elektrisch leitfähiges Material wie Edelstahl , Graphit oder Kohlenstof f erhöht werden . Bei der Trägerung wird auf ein Substrat eine weitere Schicht aufgebracht . Die Katalysatorschicht kann als Substrat verwendet werden und mit einer weiteren unterschiedlichen Schicht beschichtet werden . Die weitere unterschiedliche Schicht kann zwei verschiedene Metalle beinhalten, also bi-metallisch ausgeführt sein . Die Trägerung stellt somit eine von mehreren möglichen Beschichtungsmethoden dar . Verbacken, Aufdampfen und/oder Sputtern können weitere Beschichtungsmethoden repräsentieren oder zum Einsatz kommen .
Die Schicht des Anoden-Katalysators kann eine Schichtdicke von 0 , 01 pm bis 5 pm aufweisen . Die Anoden-Transportschicht kann mit weiteren Beschichtungsmethoden wie zum Beispiel der Galvanik, PVD, CVD, PACVD oder nasschemisch durch Pastenauftragung erzeugt werden . Bezüglich der zweiten Halbzelle mit der Kathoden-Transportschicht können andere Katalysatoren als Materialien vorgesehen sein . Bei der zweiten Halbzelle ist entsprechend bevorzugt die Kathoden-Transportschicht mit einem entsprechenden Kathoden-Katalysator zu versehen . Dieser Kathoden-Katalysator kann analog aufgebaut sein wie in diesem Aus führungsbeispiel erläutert ist .
Die graduierte Porenstruktur kann beispielsweise mit Hil fe mehrerer unterschiedlicher Schichten realisiert werden . Beispielsweise kann die Anoden-Transportschicht unterschiedliche Schichten umfassen, wobei j ede Schicht einen entsprechenden Porendurchmesser aufweist . Somit kann das graduierte Porendesign einer Abfolge mehrerer Schichten entsprechen, die j eweils einen konstanten Porendurchmesser aufweisen . Somit sind dem Fachmann mehrere Möglichkeiten bekannt , um für die Ano- den-Transportschicht eine entsprechende graduierte Porenstruktur zu erzeugen .
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form sieht eine Halbzelle vor, wobei der Anoden-Katalysator als Schicht zwischen der Membran und der Anoden-Transportschicht ausgebildet ist . Der schicht förmige Anoden-Katalysator weist bevorzugt eine Schichtdicke zwischen 100 nm bis 5 pm auf . Insbesondere kann der Anoden-Katalysator unmittelbar mit der Membran kontaktiert sein . Der Anoden-Katalysator kann zum Beispiel direkt auf der Membran aufliegen .
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form sieht vor, dass die Anoden-Transportschicht eine Stützstruktur mit einer ersten Dicke beinhaltet . Die Stützstruktur kann gitterf örmig, rechteckig, maschenförmig und/oder drahtförmig ausgebildet sein . Die erste Dicke kann einem Durchmesser der Stützstruktur entsprechen . Die Stützstruktur ist insbesondere mit metallischen Fasern einer zweiten Dicke verbunden, kontaktiert und/oder verwoben . Die Stützstruktur kann wie bereits erwähnt als Netz , insbesondere als Metallnetz ausgeführt sein . Die metallischen Fasern können ein Vlies , ein Gewebe und/oder ein Fil z bilden, welches mit der Stützstruktur der Anoden-Transportschicht verbunden, kontaktiert und/oder verwoben ist . Die metallischen Fasern können um ein Viel faches dünner sein als beispielsweise Drähte oder Stäbe , welche die Stützstruktur bilden .
Die deutlich dünneren metallischen Fasern können die Drähte der Stützstruktur umwickeln und so zusammen mit der Stützstruktur eine Einheit in Form der Anoden-Transportschicht bilden . Insbesondere kann mittels der metallischen Fasern die graduiere Porenstruktur realisiert sein . So kann eine Anoden- Transportschicht bereitgestellt werden, welche eine ef fektive Gasabfuhr ermöglicht und dabei zugleich aufgrund der Stützstruktur die nötige mechanische Stabilität oder Festigkeit aufweist . Die Stützstruktur weist somit bevorzugt eine höhere Stei figkeit auf als die metallischen Fasern .
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form sieht vor, dass die erste Dicke der Stützstruktur und die zweite Dicke der metallischen Fasern in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Stei figkeit und/oder von einer vorgegebenen Elasti zität bestimmt sind . Damit kann die Anoden-Transportschicht hinsichtlich ihrer Flexibilität sowie Stei figkeit entsprechend der j eweiligen Halbzelle eingestellt werden . Bevorzugt ermöglicht die Stützstruktur die nötige Stei figkeit der Anoden- Transportschicht , während die metallischen Fasern die graduierte Porenstruktur bereitstellen können . Zugleich können die metallischen Fasern die vorgegebene Elasti zität aufweisen und dem gemäß entsprechend an eine Art Federstärke der Anoden- Transportschicht eingestellt werden . Insbesondere können Stei figkeit sowie Elasti zität optimal eingestellt werden, um zum einen die erforderliche Stabilität der Anoden-Transportschicht zu ermöglichen und zum anderen die ebenso erforderliche Elasti zität der Anoden-Transportschicht zu gewährleisten .
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form sieht eine Halbzelle vor, wobei ein Quotient aus erster Dicke zu der zweiten Dicke zwischen 2 und 100 , insbesondere zwischen 4 und 20 , bevorzugt zwischen 5 und 10 beträgt . Der Quotient repräsentiert insbesondere einen Term D1 /D2 , wobei Dl die erste Dicke darstellt und D2 die zweite Dicke . Dies bedeutet , dass die metallischen Fasern bis zu einhundert Mal kleiner sein können als beispielsweise gitterf örmige Drähte der Stützstruktur . Die Stützstruktur kann insbesondere gitterf örmig, netz förmig und/oder maschenförmig ausgebildet sein . Aufgrund der deutlich dünneren metallischen Fasern kann die Stützstruktur entsprechend mit den Fasern verwoben sein .
Die metallischen Fasern können Edelstahl , Titan und/oder Nickel aufweisen . Insbesondere können die metallischen Fasern j eweils ein Vlies ausbilden . Die metallischen Fasern können somit ein Vlies , auch Vliesstof f genannt , bilden . Das Vlies kann Edelstahl beinhalten . Das Vlies kann mittels der Stützstruktur verstei ft werden und so kann eine stei fere Netzstruktur des Edelstahlvlieses geschaf fen werden . Mit Hil fe der Stützstruktur kann eine strukturelle Integrität der porösen Anoden-Transportschicht gewährleistet werden . Ein zu starkes Eindrücken der senkrechten Erhebungen in die Anoden- Transportschicht kann so verhindert werden . Mit Hil fe des Vliesstof fs kann zum einen die notwendige elektrische Leitfähigkeit bereitgestellt werden, als auch die erforderliche mechanische Stabilität sowie Porosität für die graduierte Porenstruktur . Somit kann das Edelstahlvlies die graduierte Porenstruktur beinhalten .
Insbesondere können die Anoden-Teilplatte und/oder die Katho- den-Teilplatte mit Iridium, Nickel und/oder Legierungen aus den folgenden Materialien beschichtet sein : Nickel , Eisen, Sauerstof f , Kobalt , Ruthenium und/oder Mischlegierungen aus diesen genannten Stof fen können für die Beschichtung und Frage kommen . Folgende Tabelle gibt beispielsweise an, welche Stof f Zusammensetzungen dieser genannten Stof fe als Beschichtung für die metallischen Fasern in Frage kommen .
Tabelle 1 : Beschichtungen für Bipolarplatten
Diese genannten Stof fe beziehen sich bevorzugt auf die Bipolarplatte . Die Kathodenseite der Bipolarplatte kann anders beschichtet sein als die Anodenseite der Bipolarplatte . Für die Kathoden-Transportschicht können andere Beschichtungen vorgesehen sein .
Die Stützstruktur kann gitterförmig und/oder maschenförmig ausgebildet sein . Zudem kann die Stützstruktur Edelstahl und/oder beschichteten Schwarzstahl aufweisen . Bevorzugt wird Edelstahl als Stützstruktur eingesetzt , da ein rostfreies Material bei der Elektrolyse vorteilhaft ist .
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form sieht vor, dass eine Anzahl der Erhebungen bezogen auf eine vorgegebene ebene Grenz fläche der Anoden-Teilplatte , eine Höhe , eine Breite und/oder eine Form der Erhebungen in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Druckverlust für ein Anoden-Produkt , von einem elektrischen Widerstand verursacht durch die Anoden- Teilplatte und/oder von einem vorgegebenen Gasdruck der Elektrolysezelle bestimmt ist . Gemäß dieser Aus führungs form kann die Form oder das Design der Bipolarplatte , welche die Anoden-Teilplatte beinhaltet , entsprechend angepasst werden . Beispielsweise können die senkrechten Erhebungen ebenfalls eine weitere ebene Grundfläche aufweisen, welche zu der vorgegebenen ebenen Grundfläche der Anoden-Teilplatte beab- standet ist .
Diese weitere ebene Grundfläche kann mit der Anoden-Trans- portschicht unmittelbar in Kontakt stehen . Die Größe dieser weiteren ebenen Fläche der senkrechten Erhebungen kann in Abhängigkeit von dem Druckverlust , elektrischen Widerstand und/oder Gasdruck bestimmt sein . Das Anoden-Produkt ist bevorzugt Sauerstof f , das Kathoden-Produkt ist bevorzugt Wasserstof f . Beispielsweise kann bei einem weichen Edelstahlvlies die Höhe der senkrechten Erhebungen erhöht sein . Dadurch kann zum Beispiel eine Kontakt fläche zwischen der Anoden-Transportschicht und der Anoden-Teilplatte erhöht werden, ohne dabei den zwischen den Erhebungen nötigen Zwischenraum aus zufüllen . Die Anzahl der senkrechten Erhebungen bezogen auf die vorgegebene ebene Grundfläche der Anoden-Teil- platte kann als Dichte der Erhebungen betrachtet werden . Somit kann mittels einer Erhebungsdichte der Druckverlust , elektrische Widerstand und/oder Gasdruck beeinflusst werden .
Die poröse Anoden-Transportschicht liegt bevorzugt unmittelbar flächig auf den Noppen auf und kann somit einen elektrischen Kontakt mit der Anoden-Teilplatte herstellen . Zusätzlich kann mittels der zuvor genannten Aus führungs formen die Stei figkeit sowie Elasti zität der Anoden-Transportschicht eingestellt werden . Dazu können beispielsweise die erste Dicke der Stützstruktur sowie die zweite Dicke der metallischen Fasern angepasst sein . Somit kann die Halbzelle sowohl bezüglich der Stützstruktur und der metallischen Fasern als auch zugleich hinsichtlich der Noppendichte , deren Höhe sowie deren Breite und deren Form individuell auf die Anforderungen hinsichtlich des Druckverlusts , des elektrischen Widerstands sowie des Gasdrucks definiert werden .
Die Anoden-Teilplatte kann folgende Materialen aufweisen und/oder damit beschichtet sein : Zu diesen Materialen können beispielsweise Edelstahl , Titan, Federstahl , Stickstof f , Kohlenstof f , Nickel , Sauerstof f , Nickel-Aluminium, Nickel-Zink, Cobalt-Aluminium, Cobalt-Eisen, Nickel-Eisen, Nickel-Eisen- Vanadium, Nickel-Cobalt , Nickel-Molybdän, Nickel-Eisen-Double layered Hydroxid, Nickel-Eisen-Cobalt , Iridium, Rutheniumoxid, Nickelhydroxid, Nickeloxid, Nickel und/oder Mischungen daraus sein . Fasern oder faserige Struktur der Anoden- Teilplatte können mit den genannten Stof fen oder Stof f zusammensetzungen beschichtet sein . Die folgende Tabelle gibt beispielhaft mögliche Stof f Zusammensetzungen der auf gelisteten Stof fe wieder .
Tabelle 2 : Beispielhafte Katalysatoren für die Anoden-Trans- portschicht oder Kathoden-Transportschicht
Betref fend die Kathoden-Teilplatte sind folgende Materialen oder Beschichtungen möglich :
Nickel , Nickel-Molybdän auf Ruß , Nickel-Molybdän, Nickel-Platin, Platin, Nickel auf Ruß , Nickel-Phosphat und/oder Nickel- Vanadium . Die Beschichtung kann auch auf Fasern oder eine Faserstruktur der Kathoden-Teilplatte aufgebracht sein .
Für die erste Halbzelle (Anodenseite ) kann eine unterschiedliche Beschichtung im Vergleich zur zweiten Halbzelle (Katho- denseite ) vorgesehen sein . Die Kathoden-Teilplatte kann im
Gegensatz zur Anoden-Teilplatte mit anderen Materialien beschichtet sein . Insbesondere kann die Kathoden-Teilplatte Nickel aufweisen oder mit Nickel beschichtet sein . Die Anoden- Teilplatte und/oder Kathoden-Teilplatte können eine Dicke von 0 , 2 bis 1 mm aufweisen .
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form sieht vor, dass die Anoden-Transportschicht eine Dicke von 200 pm bis 1000 pm und die Erhebungen eine Höhe senkrecht zur Anoden- Teilplatte von 1 bis 5 mm aufweisen . Durch die Höhe der Erhebungen von 1 bis 5 mm kann genügend Zwischenraum zwischen den senkrechten Erhebungen geschaf fen werden, um einen erforderlichen Gasabfluss in der Halbzelle zu gewährleisten .
Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Aus führungs form können die Erhebungen j eweils eine ebene Fläche parallel zur Anoden-Teilplatte aufweisen, welche unmittelbar mit der Anoden-Transportschicht kontaktiert ist . Dadurch kann die Anoden-Transportschicht von der Anoden-Teilplatte beabstandet angeordnet werden . Mit Hil fe der ebenen Fläche kann ein Spalt zwischen der Anoden-Teilplatte sowie der Anoden-Transportschicht eingestellt werden . Je nach Größe der ebenen Fläche , die mit der Anoden-Transportschicht in Kontakt steht , kann eine elektrische Leitfähigkeit eingestellt werden sowie mithil fe einer Höhe der Erhebungen eine Größe des Spalts und somit ein möglicher Gasdurchfluss des Anoden-Produkts Sauerstof f . Entsprechendes kann für die Erhebungen der Kathoden- Teilplatte gelten, die mit der Kathoden-Transportschicht kontaktiert ist .
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form sieht vor, dass die Anoden-Teilplatte , die Anoden-Transportschicht und die Membran in einem Zellrahmen fixiert sind und der Zellrahmen eine Dichtung aufweist . Die Dichtung ist bevorzugt derart ausgebildet , dass die Membran, die Anoden-Teilplatte und/oder die Anoden-Transportschicht abgedichtet sind . Der Zellrahmen kann zwei Zellrahmenhäl ften beinhalten, welche auf j eweils gegenüberliegenden Seiten die Anoden-Teilplatte , Anoden- Transportschicht und/oder Membran fixieren können . Insbesondere kann die erste Bipolarplatte mittels des Zellrahmens ab- gedichtet werden . Eine Elektrolysezelle kann somit zwei Bipolarplatten beinhalten, welche mittels zweier Zellrahmenhäl ften einen kompletten Zellrahmen bilden kann . Die erste Ano- den-Teilplatte kann als Teil der ersten Bipolarplatte betrachtet werden . Zwischen den beiden Zellrahmenhäl ften kann mit einem geeigneten Dichtmaterial als Dichtung die Membran kraf tschlüssig verspannt werden und somit abgedichtet werden . Als Dichtungen können Flachringdichtungen, O-Ringe und/oder andere Formen für Dichtungen eingesetzt werden . Das Material des Zellrahmens kann metallischer oder polymerischer Natur sein .
Ein zweiter Aspekt dieser Erfindung betri f ft eine Elektrolysezelle . Die Elektrolysezelle beinhaltet eine erste Halbzelle , wie sie in den zuvor genannten Aus führungs formen beschrieben wurde . Die Elektrolysezelle weist ferner eine zweite Halbzelle auf , welche insbesondere an der Membran angeordnet ist . Insbesondere können die erste und zweite Halbzelle symmetrisch zueinander bezüglich der Membran angeordnet sein . Die zweite Halbzelle weist eine Kathoden-Teilplatte einer zweiten Bipolarplatte auf . Die Kathoden-Teilplatte weist senkrechte Erhebungen auf . An einer Oberseite der Erhebungen der Kathoden-Teilplatte ist eine metallische Kathoden-Trans- portschicht angeordnet . Die Membran ist an einer der Erhebungen abgewandten Seite der Kathoden-Transportschicht angeordnet und für weitere vorgegebene Ladungsträger durchlässig . Die weiteren vorgegebenen Ladungsträger können Elektronen, Protonen, Hydroxonium- Ionen sowie Hydroxid- Ionen sein . Bevorzugt ist die Membran ausschließlich für Hydroxid- Ionen ( OH~ Ionen) durchlässig . Bezüglich von Anionen, also negativ geladenen Ionen, ist die Membran bevorzugt elektrisch leitend . Damit können Hydroxid- Ionen ( OH- Ionen) durch die Membran di f fundieren und ebenso entlang der Membranoberfläche geleitet werden . Andere Anionen wie zum Beispiel Hyperoxid-Anionen (O2“ ) , Ozonid-Anionen ( O3“ ) können bevorzugt lediglich als Anionen elektrisch von der Membran geleitet werden, können j edoch insbesondere nicht durch die Membran hindurch di f fundie- ren . Die Kathoden-Transportschicht weist bevorzugt eine weitere graduierte Porenstruktur auf , bei der ein j eweiliger Durchmesser der Poren in der Kathoden-Transportschicht in Richtung senkrecht zur Membran gewandt abnimmt . Die zweite Halbzelle ist prinzipiell von der Struktur ähnlich aufgebaut wie die erste Halbzelle . Insbesondere die Anordnung der Kathoden-Transportschicht , der Kathoden-Teilplatte sowie eventueller Beschichtungen können analog wie bei der ersten Halbzelle ausgeführt sein . Unterschiede können sich j edoch hinsichtlich der verwendeten Materialien, Beschichtungen und/oder Schichtdicken, insbesondere bei den j eweils eingesetzten Katalysatoren ergeben .
Insbesondere können sämtliche Aus führungs formen sinngemäß und analog auf die zweite Halbzelle mit der Kathoden-Teilplatte sowie Kathoden-Transportschicht übertragen werden . Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird j edoch darauf verzichtet , die zweite Halbzelle nochmals detailliert zu beschreiben wie die erste Halbzelle . Demzufolge können sämtliche Aus führungen zu der ersten Halbzelle oder zur Halbzelle entsprechend auf die zweite Halbzelle sinngemäß übertragen werden . Die nachfolgenden Aus führungs formen beziehen sich auf die Elektrolysezelle , welche die erste Halbzelle und die zweite Halbzelle beinhaltet . Dabei wird bevorzugt auf die Eigenschaften der zweiten Halbzelle eingegangen . Bezüglich der ersten Halbzelle wird auf die bereits genannten Aus führungs formen verwiesen .
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form für die Elektrolysezelle sieht vor, dass die Kathoden-Teilplatte Nickel aufweist und/oder mit Nickel beschichtet ist . In der zweiten Halbzelle mit der Kathoden-Teilplatte wird bevorzugt Wasserstof f erzeugt . Diesbezüglich hat sich Nickel als besonders ef fektiver Werkstof f erwiesen .
Eine zusätzliche oder alternative Aus führungs form für die Elektrolysezelle sieht vor, dass in der Kathoden-Transportschicht ein Kathoden-Katalysator eingebettet ist und/oder als Schicht zwischen der Membran und der Kathoden-Transport- schicht angeordnet ist . Dabei kann der Kathoden-Katalysator Platin, Nickel , Molybdän, Kobalt und/oder Mischungen daraus aufweisen . Die Tabellen 1 und 2 zeigen beispielhaft , welche Stof fe oder Stof f Zusammensetzungen als katalytische Beschichtung für die Kathoden-Transportschicht in Frage kommen können .
Die Erfindung kann eine Elektrolysezelle mit einer ersten und/oder zweiten Halbzelle umfassen, wobei die j eweilige Transportschicht mehrere Beschichtungen aufweist . Die j eweilige Halbezelle kann ein Vlies , welches Edelstahl beinhaltet , aufweisen . Dieses Vlies kann in Form von Fasern vorliegen . Diese Fasern können mit mehreren Schichten beschichtet sein . Eine erste Schicht kann zum Beispiel Nickel aufweisen . Eine zweite Schicht , die bevorzugt unmittelbar mit der ersten Schicht in Kontakt steht , kann NiFe , NiCo , NiFeCo , NiV, NiMo , NiFeO, NiAl und/oder NiZn enthalten .
Ein dritter Aspekt dieser Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbzelle für eine Elektrolysezelle . Das Verfahren kann folgende Schritte umfassen . Zunächst kann eine Anoden-Teilplatte und eine Kathoden-Teilplatte gestanzt und/oder geprägt werden, um senkrechte Erhebungen aus zubilden . Die gestanzten oder geprägten Teilplatten können an den Randbereichen verschweißt werden . So kann aus diesen beiden Teilplatten eine Bipolarplatte erzeugt werden . In einem weiteren Schritt kann j e eine Transportschicht auf die Erhebungen beidseitig der Bipolarplatte aufgelegt werden . Auf einer Seite wird dabei bevorzugt die Anoden-Transportschicht , auf der gegenüberliegenden Seite die Kathoden-Transportschicht aufgelegt . Somit weist j ede Bipolarplatte bevorzugt Kontakt zu j eweils genau einer Anoden-Transportschicht und genau einer Kathoden-Transportschicht auf . Die j eweilige Transportschicht wird mit der Bipolarplatte mittels eines j eweiligen Anpressdrucks verpresst . Dabei wird der nötige Anpressdruck in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Strömungswiderstand eines j eweiligen Produktes der Elektrolysezelle und/oder eines elektrischen Widerstands der j eweiligen Transportschicht bestimmt . Der Strömungswiderstand und/oder der elektrische Widerstand können vorgegebene Parameter sein, welche den j eweiligen Anpressdruck definieren . Jeweils an die Transportschicht kann eine Membran angeordnet werden . Die Membran kann mittels eines Zellrahmens , der eine Dichtung aufweist , zum Verspannen der Dichtung abgedichtet werden . Bei einem Zusammenbau der Elektrolysezelle können somit zwei Bipolarplatten mit den Zellrahmenhäl ften einen kompletten Zellrahmen bilden . Zwischen den Zellrahmenhäl ften kann mit einer geeigneten Dichtung die Membran kraf tschlüssig verspannt werden . So kann die Membran abgedichtet werden . Die poröse Transportschicht kann direkt flächig auf den Noppen, den senkrechten Erhebungen aufgelegt werden . So kann ein elektrischer Kontakt mit der Bipolarplatte gewährleistet werden .
Die im Zusammenhang mit der Halbzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgestellten Merkmale , Aus führungs formen, Beispiele sowie deren Vorteile gelten entsprechend für die Elektrolysezelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, für das Verfahren zum Herstellen einer Halbzelle gemäß dem dritten Aspekt und j eweils umgekehrt . Vorrichtungsmerkmale der ersten und/oder zweiten Halbzelle können somit auf die Elektrolysezelle oder einen Elektrolyseur mit mehreren Elektrolysezellen übertragen werden und umgekehrt . Entsprechendes gilt für die Übertragbarkeit von Vorrichtungsmerkmalen auf Verfahrensmerkmale und umgekehrt .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Aus führungsbeispiele , die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden . Daher wird die Erfindung im Folgenden anhand beispielhafter Zeichnungen näher erläutert . Dabei ist zu beachten, dass die Figuren lediglich beispielhaft darstellen, wie die Erfindung realisiert werden kann . In keinem Fall stellen die Zeichnungen sowie die dazugehörige Beschreibung Einschränkungen für die Erfindung dar . Dabei zeigt :
FIG 1 einen beispielhaften Querschnitt einer Elektrolysezelle ;
FIG 2 einen beispielhaften Querschnitt eines Elektrolyseurs mit mehreren Elektrolysezellen;
FIG 3 eine beispielhafte Darstellung eines Elektrolyseurs mit einer mittig angeordneten Bipolarplatte , die zwischen zwei Zellrahmenhäl ften eingespannt ist ;
FIG 4 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte mit senkrechten Erhebungen;
FIG 5 eine schematische Darstellung einer graduierten Porenstruktur in der Anoden-Transportschicht und Ka- thoden-Transportschicht , mit einer Stützstruktur sowie metallischen Fasern;
FIG 6 eine schematische Darstellung einer Anoden-Transportschicht , mit einer Stützstruktur sowie metallischen Fasern;
FIG 7 ein beispielhaftes Schema zum Herstellen einer Halbzelle oder einer Elektrolysezelle .
FIG 1 zeigt beispielhaft eine Seitenansicht einer Elektrolysezelle EZ . Die Elektrolysezelle EZ beinhaltet bevorzugt eine erste Halbzelle Hl sowie eine zweite Halbzelle H2 . Die beiden Halbzellen Hl und H2 bilden zusammen die Elektrolysezelle EZ . Mittig in der Elektrolysezelle EZ ist eine Membran MB angeordnet . Die erste Halbzelle Hl repräsentiert den anodenseitigen Teil der Elektrolysezelle EZ , während die zweite Halbzelle H2 den kathodenseitigen Teil der Elektrolysezelle EZ darstellt . Die Membran MB ist bevorzugt elektrisch leitend ausgeführt bezüglich Anionen, wie zum Beispiel OH“, O2- , S2- , N3“ , etc . Zugleich kann die Membran MB ausschließlich für Hydroxid- Ionen ( OH~ Ionen) durchlässig sein .
Von der Membran MB ausgehend in x-Richtung schließt sich ein Anoden-Katalysator AKA an . Im Fall von FIG 1 ist der Anoden- Katalysator AKA als Schicht ausgebildet . Er kann j edoch stattdessen oder zusätzlich in einer Anoden-Transportschicht AT integriert sein oder mittels Beschichtung mit der Anoden- Transportschicht AT verbunden sein . Die Anoden-Transportschicht AT ist in FIG 1 löchrig dargestellt . Diese löchrige Darstellung soll auf die Porosität der Anoden-Transportschicht AT hinweisen . Weiter in x-Richtung schließt sich an die Anoden-Transportschicht AT die Anoden-Teilplatte AP an, welche Teil einer ersten Bipolarplatte BP1 ist . Die Anoden- Teilplatte AP weist senkrechte Erhebungen NP auf . Diese senkrechten Erhebungen NP werden oft als Noppen bezeichnet . Diese Noppen können rundlich, eckig, zylinderförmig und/oder dreieckförmig ausgeführt sein . Insbesondere können die senkrechten Erhebungen NP unmittelbar mit der Anoden-Transportschicht AT in Kontakt stehen . Die Anoden-Transportschicht AT weist eine erste Grenz fläche Gl auf , welche mit den senkrechten Erhebungen NP teilweise in Kontakt steht . Die zur ersten Grenzfläche Gl gegenüberliegende zweite Grenz fläche G2 liegt dagegen am Anoden-Katalysator AKA an .
Alternativ kann die zweite Grenz fläche G2 auch mit der Membran MB kontaktiert sein . Die zweite Halbzelle H2 , ausgehend von der Membran MB in negative x-Richtung, ist strukturell zur ersten Halbzelle Hl ähnlich auf gebaut . Als Katalysator weist die zweite Halbzelle H2 einen Kathoden-Katalysator KKA auf . Der Kathoden-Katalysator KKA kann ebenfalls mit der Ka- thoden-Transportschicht KP verbunden sein . Die Kathoden- Transportschicht KT kann unmittelbar an den Noppen der Katho- den-Teilplatte KP, die Teil einer zweiten Bipolarplatte BP2 ist , anliegen . Die Bipolarplatten BP1 , BP2 sowie die Membran MB können über eine erste Zellrahmenhäl fte Z I sowie eine zweite Zellrahmenhäl fte Z2 fixiert sein . In FIG 2 ist beispielhaft und schematisch eine Seitenansicht der beiden Zellrahmenhäl ften Z I und Z2 mit der ersten Bipolarplatte BP1 vergrößert dargestellt . Die erste Bipolarplatte BP1 wird mittels einer Dichtung DT abgedichtet . Die erste Bipolarplatte BP1 weist die Anoden-Teilpatte AP und die Katho- den-Teilplatte KP auf . Diese beiden Teilplatten AP, KP bilden zusammen bevorzugt die erste Bipolarplatte BP1 . Entsprechendes gilt für die zweite Bipolarplatte BP2 sowie für weitere Bipolarplatten . Die Begri f fe „erste" oder „zweite" dienen lediglich der Unterscheidung und haben insbesondere keine direkte technische Bedeutung . Eine Dichtung DT ist dabei in der ersten Zellrahmenhäl fte Z I sowie in der zweiten Zellrahmenhäl fte Z2 angeordnet . Die Dichtung DT kann eine Flachringdichtung, ein O-Ring oder eine andere Dichtung sein . Mit Hil fe der Dichtung DT , die zwischen den Zellrahmenhäl ften Z I und Z2 angeordnet ist , kann die erste Bipolarplatte BP1 und die Membran MB kraf tschlüssig verspannt werden . So kann eine zuverlässige Abdichtung erfolgen .
Die erste Bipolarplatte BP1 mit der Anoden-Teilplatte AP kann aus Titan gefertigt sein . Eine zweite Bipolarplatte BP2 kann dagegen aus einem anderen Material gefertigt sein . Somit kann die erste Bipolarplatte aus zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt sein . Dadurch kann eine höhere chemische Beständigkeit der anodischen ersten Halbzelle Hl begünstigt werden . Die Anoden-Teilplatte AP sowie Kathoden-Teilplatte KP können miteinander verpresst werden . Ein Verschweißen dieser beiden Teilplatten könnte in diesem Fall entfallen . Die miteinander verpressten Teilplatten zur ersten oder zweiten Bipolarplatte BP1 , BP2 können durch die beiden Zellrahmenhäl ften Z I , Z2 abgedichtet werden .
In FIG 3 ist beispielhaft und stark vereinfacht ein Elektrolyseur EY dargestellt . Der Elektrolyseur EY beinhaltet mehrere Elektrolysezellen EZ . Im Beispiel von FIG 3 beinhaltet der Elektrolyseur EY zwei Elektrolysezellen EZ mit der ersten und der zweiten Halbzelle Hl und H2 sowie einer dritten Halb- zelle H3 und einer vierten Halbzelle H4 . Die beiden Elektrolysezellen EZ sind bevorzugt strukturell gleich auf gebaut . Jedoch können sich die j eweiligen Anoden-Transportschichten AT sowie Kathoden-Transportschichten KT hinsichtlich ihrer j eweiligen Porenstruktur sowie ihrer Beschichtungen in den j eweiligen Halbzellen unterscheiden .
In FIG 3 ist mittig die zweite Bipolarplatte BP2 dargestellt . In x-Richtung ausgehend von der zweiten Bipolarplatte BP2 gelangt man über die Membran MB zur Anoden-Transportschicht AT der ersten Bipolarplatte BP1 . Da der Elektrolyseur EY durch mehrere Elektrolysezellen EZ sowie mehrere Halbzellen zusammengesetzt ist , reicht es aus , sich auf die Funktionsweise und den prinzipiellen Aufbau einer Halbzelle zu konzentrieren . Je nach erforderlichem Produktionsvolumen von Wasserstof f und/oder Sauerstof f kann der Elektrolyseur EY eine unterschiedliche Anzahl von Elektrolysezellen EZ umfassen . Mehrere Elektrolysezellen EZ können in einem Stack zusammengefasst werden, was den Elektrolyseur EY repräsentiert .
In FIG 4 ist beispielhaft eine Draufsicht auf die erste oder zweite Bipolarplatte BP1 , BP2 gezeigt . Dabei kann es sich j e nach Betrachtung und Einbausituation um eine Anoden-Teil- platte AP oder um eine Kathoden-Teilplatte KP handeln . In FIG 4 sind die senkrechten Erhebungen NP in Form von runden Noppen NP erkennbar . Die Noppen NP der Anoden-Teilplatte AT und/oder Kathoden-Teilplatte KT können in ihrer Höhe , Breite , Form sowie Verteilung und deren Dichte so angepasst werden, dass ein Kontaktwiderstand sowie Druckverlust optimiert werden kann . Somit kann durch eine entsprechende Noppendichte , Noppenform sowie Noppenhöhe oder Noppenbreite eine gewünschte Kontakt fläche zur Anoden-Transportschicht AT vorbestimmt und eingestellt werden . Mit Hil fe der Dichte der senkrechten Erhebungen NP (Noppen) , deren ebenen Grundfläche auf den senkrechten Erhebungen NP, der Höhe sowie der Breite oder des Durchmessers der senkrechten Erhebungen NP kann die Anoden- Teilplatte AP hinsichtlich ihrer Kontakt fläche mit der Anoden-Transportschicht AT eingestellt werden . Dadurch kann eine gleichmäßige Stromverteilung und somit eine Reduzierung der Ohm ' sehen Widerstände während des Betriebs des Elektrolyseurs EY erreicht werden . Insbesondere werden lokale Stromspitzen und unerwünschte Übergangswiderstände vermieden .
In FIG 5 ist in schematischer Darstellung ein Querschnitt durch die Anoden-Transportschicht AT sowie Kathoden-Trans- portschicht KT gezeigt , welche an der Membran MB anliegen . Im Folgenden wird eine Porenstruktur der Anoden-Transportschicht AT beschrieben . Die in FIG 5 gezeigte Porenstruktur kann als graduierte Porenstruktur bezeichnet werden . Die graduierte Porenstruktur zeichnet sich insbesondere dadurch aus , dass die Anoden-Transportschicht AT im Bereich der ersten Grenzfläche Gl Poren mit einem ersten Durchmesser Dl aufweist , während an der zweiten Grenz fläche G2 der Anoden-Transportschicht AT Poren mit einem zweiten Durchmesser D2 anzutref fen sind . Dabei ist der erste Durchmesser Dl größer als der zweite Durchmesser D2 . Die Poren zwischen diesen beiden Grenz flächen Gl , G2 weisen bevorzugt einen Durchmesser auf , welcher zwischen dem ersten Durchmesser Dl und dem zweiten Durchmesser D2 liegt .
Insbesondere kann ein Durchmesser der Poren linear in Abhängigkeit von einer Dicke der Anoden-Transportschicht AT und/oder von einem senkrechten Abstand zur ersten Grenz fläche Gl oder zweiten Grenz fläche G2 gegeben sein . Die Anoden- Transportschicht AT wird oft als poröse Schicht bezeichnet , da sie entsprechend Poren aufweist . Der erste Durchmesser Dl kann beispielsweise 50 pm betragen, während der zweite Durchmesser D2 lediglich 5 pm betragen kann . Der erste Durchmesser Dl zu dem zweiten Durchmesser D2 kann ein Verhältnis bilden, welches von 2 bis 10 sein kann . Die Kathoden-Transportschicht KT kann im Gegensatz zur Anoden-Transportschicht AT eine unterschiedliche graduierte Porenstruktur aufweisen . Dies bedeutet , dass in der Kathoden-Transportschicht KT sich ebenfalls in negativer x-Richtung die Porendurchmesser vergrößern, j edoch in einem unterschiedlichen und entsprechend der spezi fischen Anforderungen Ausmaß . Mithin kann die graduierte Porenstruktur kann in der Kathoden-Transportschicht KT unterschiedlich zur graduierten Porenstruktur in der Anoden-Trans- portschicht AT ausgeführt sein .
Bezüglich eines Verlaufs der j eweiligen Porendurchmesser kann die Funktionsvorschri ft oder Abbildungsvorschri ft den j eweiligen Durchmesser der Poren in Abhängigkeit von einer Schichtdicke , deren Richtung durch die x-Richtung repräsentiert wird, bestimmt werden, also entlang der Richtung senkrecht zu der Grenz fläche . Anstelle eines linearen zunehmenden oder abnehmenden Verlaufs der j eweiligen Porendurchmesser kann stattdessen ein quadratischer oder exponentieller Verlauf gegeben sein . Auf diese Weise ist durch die gewählte Verteilungs funktion der graduierten Porendurchmesser entlang des x-Richtung eine Funktionsschicht erzielt , die sich durch eine im Allgemeinen nicht-homogene Verteilung der Porendurchmesser aus zeichnet . Die erste Grenz fläche Gl der Anoden- Transportschicht AT ist im Beispiel von FIG 5 unmittelbar auf der ebenen Fläche der senkrechten Erhebungen NP positioniert . Die in FIG 5 beispielhaft dargestellte graduierte Porenstruktur ist bevorzugt in allen Aus führungs formen oder Aus führungsbeispielen verwirklicht . Lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit ist sie in den FIG 1 bis 3 nicht expli zit dargestellt .
In FIG 6 ist beispielhaft eine Draufsicht auf die Anoden- Transportschicht AT gezeigt . Dies gilt analog für die Kathoden-Transportschicht KT . Im rechten Bereich von FIG 6 ist eine Stützstruktur ST dargestellt . Diese Stützstruktur ST ist im Beispiel von FIG 6 gitterförmig ausgebildet . Die Gitterform kann durch miteinander verwobene Drähte realisiert sein . Die Drähte dieser Gitterstruktur können eine Dicke al aufweisen . Die Stützstruktur ST ist mit einer faserigen Struktur durchsetzt bzw . verwoben . Diese faserige Struktur weist metallische Fasern FS auf . Im rechten Bereich von FIG 6 ist lediglich die Faserstruktur der metallischen Fasern FS zu erkennen . Diese metallischen Fasern FS weisen dabei eine Dicke a2 auf , welche kleiner ist als die erste Dicke al . Die erste Dicke al kann, 10 oder auch 100 Mal größer sein als die zweite Dicke a2 . Die metallischen Fasern FS mit der zweiten Dicke a2 können mit der Stützstruktur ST verbunden und/oder verwoben sein .
Im rechten Bereich von FIG 6 ist deutlich zu erkennen, dass die metallischen Fasern FS die Metalldrähte der Stützstruktur ST umschlingen . Dadurch kann der Anoden-Transportschicht AT eine erforderliche mechanische Stabilität und/oder Festigkeit verliehen werden . Die graduierte Porenstruktur wird bevorzugt über die metallischen Fasern FS realisiert . Die metallischen Fasern FS können dabei als Fil z , Gewebe und/oder Vlies ausgebildet sein . Insbesondere können die metallischen Fasern Edelstahl aufweisen .
Das Vlies mit den metallischen Fasern FS kann auf den Noppen, die in FIG 4 gut zu erkennen sind, aufgelegt werden . Somit kann das Edelstahlvlies unmittelbar auf den senkrechten Erhebungen NP positioniert sein . Bei einer Montage der j eweiligen Elektrolysezelle EZ kann mittels eines auf zubringenden Anpressdrucks eine Kontakt fläche zwischen dem Edelstahlvlies und den senkrechten Erhebungen NP eingestellt werden . Dies gilt grundsätzlich auch für andere metallische Fasern FS . Mit Hil fe der metallischen Fasern FS oder des Edelstahlvlieses kann eine Federwirkung in der ersten Halbzelle Hl sowie Elektrolysezelle EZ erreicht werden . Mit Hil fe dieser Federwirkung kann eine gleichmäßige flächige Kontaktierung zur Anoden-Teilplatte AP beziehungsweise Kathoden-Teilplatte KP erreicht werden . Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Stromverteilung und zugleich kann mit Hil fe der graduierten Porenstruktur in dem Edelstahlvlies ein Druckverlust des Ano- den-Produkts oder Kathoden-Produkts reduziert werden . Diese beiden Faktoren können dabei hel fen, die Ef fi zienz der Elektrolysezelle EZ oder des Elektrolyseurs EY zu steigern .
Das Vlies oder Metall-Vlies sowie die metallischen Fasern FS können beschichtet sein . Die Beschichtung kann der Anoden-Ka- talysator AKA oder Kathoden-Katalysator KKA sein . Diese Katalysatoren können mehrschichtig aufgebaut sein . Ein beispielhaftes anodenseitiges Schichtsystem für ef fi ziente Elektroden könnte durch eine mehrlagige Beschichtung aus einer Haftbeschichtung mit Nickel auf Edelstahl und einer anschließend porösen katalytischen Nickel-Eisen-Beschichtung erfolgen . Das beschichtete Metallvlies mit den metallischen Fasern FS kann weiterhin mit einem Anionen-Austauschpolymer beschichtet werden . Damit kann ein ionischer Transportkanal für die Hydro- xid- Ionen von der Membran MB zum Anoden-Katalysator AKA oder Kathoden-Katalysator KKA geschaf fen werden . Damit kann erreicht werden, dass die notwendige Konzentration von einer Kalium-Hydroxid-Lösung gesenkt werden kann und zugleich eine mechanische Stabilität der katalytischen Schicht verbessert werden kann .
Die Anoden-Transportschicht AT kann somit eine mikroporöse Struktur aufweisen sowie unmittelbar auf der Membran MB aufliegen . Damit kann eine homogene Kräfteverteilung über die Membran MB erfolgen . Somit kann durch das Vlies beziehungsweise die metallischen Fasern FS das Risiko einer Beschädigung der Membran MB durch Quetschen oder Perforation insbesondere im Druckbetrieb des Elektrolyseurs EY vermindert werden .
Materialien, Schichtdicken sowie Gestaltung der senkrechten Erhebungen NP sind bevorzugt derart aufeinander abgestimmt , dass gasseitig Ausgangsdrücke von bis zu 25 bar realisiert werden können . Insbesondere zeichnet sich die Elektrolysezelle EZ mit der ersten Halbzelle Hl und der zweiten Halbzelle H2 vor allem durch ihre geringe Komplexität aus . Aufgrund einer geringeren Komponentenanzahl in der Elektrolysezelle EZ ergeben sich weniger Zwischenflächen, was eine Verringerung des dazugehörigen Ohm ' sehen Widerstand bewirken kann . Zugleich sind die j eweiligen Schichten in ihrer Struktur, Ausdehnung sowie dem entsprechenden Noppendesign derart aufeinander abgestimmt , dass die nötige Stabilität , elektrische Leitfähigkeit und der notwendige Gasdurchtritt dennoch gewährleistet werden kann . Durch diese neue Elektrolysezelle EZ können einfache Beschichtungstechnologien eingesetzt werden, was die Herstellungskosten des Elektrolyseurs EY deutlich reduzieren kann .
In FIG 7 ist beispielhaft ein mögliches Verfahren dargestellt . Damit kann die erste Halbzelle Hl , die zweite Halbzelle H2 , die Elektrolysezelle EZ und/oder der Elektrolyseur EY hergestellt werden . Dazu kann in einem ersten Schritt S 1 die Anoden-Teilplatte AP und die Kathoden-Teilplatte KP gestanzt und/oder geprägt werden . Dadurch können die senkrechten Erhebungen NP gebildet werden .
In einem zweiten Schritt S2 können diese beiden Teilplatten zu der ersten Bipolarplatte BP1 miteinander verschweißt werden .
In einem dritten Schritt S3 wird insbesondere j e eine Transportschicht auf die Erhebungen NP beidseitig der ersten Bipolarplatte BP1 aufgelegt . Die Transportschicht entspricht bevorzugt der Anoden-Transportschicht AT , die andere Transportschicht auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Bipolarplatte BP1 ist bevorzugt die Kathoden-Transportschicht KT .
In einem vierten Schritt S4 kann die j eweilige Transportschicht mit der ersten oder zweiten Bipolarplatte unter Anwendung eines j eweiligen Anpressdrucks verpresst werden . Der Anpressdruck wird insbesondere in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Strömungswiderstand eines j eweiligen Produktes der Elektrolysezelle EZ und/oder eines elektrischen Widerstandes der j eweiligen Transportschicht AT , KT bestimmt . In einem fünften Schritt S5 kann die Membran MB j eweils an die Transportschicht AT , KT angeordnet werden . In einem sechsten Schritt S 6 wird die Membran MB mittels des Zellrahmens , insbesondere gebildet durch die beiden Zellrahmenhäl ften Z I , Z2 , mittels der Dichtung DT verspannt . Der Zellrahmen und die Zellrahmenhäl ften Z I , Z2 können die Dichtung beinhalten . Die Aus führungsbeispiele und Aus führungs formen zeigen, wie mittels eines einfacheren, robusteren und insgesamt schlichteren Zelldesigns die Ef fi zienz bei der Elektrolyse erhöht werden kann, wobei sich zugleich Kostenvorteile bei der Her- Stellung ergeben . Eine verbesserte Elektrolyse bei Elektrolysezellen EZ kann in vielen technischen Bereichen vorteilhaft sein und/oder bei der Speicherung von Energie nützlich sein .

Claims

34 Patentansprüche
1. Halbzelle (Hl) einer Elektrolysezelle (EZ) für einen Elektrolyseur (EY) aufweisend:
- eine Anoden-Teilplatte (AP) einer ersten Bipolarplatte (BP1) , wobei die Anoden-Teilplatte (AP) senkrechte Erhebungen aufweist (NP) ,
- eine an einer Oberseite der Erhebungen (NP) der Anoden- Teilplatte (AP) angeordnete metallische Anoden-Transport- schicht (AT) ,
- eine an der Anoden-Transportschicht (AT) angeordnete Membran (MB) , welche an einer der Erhebungen (NP) abgewandten Seite der Anoden-Transportschicht (AT) angeordnet ist und für vorgegebene Ladungsträger durchlässig ist, wobei
- die Anoden-Transportschicht (AT) eine graduierte Porenstruktur aufweist, bei der ein jeweiliger Durchmesser (Dl, D2 ) der Poren in der Anoden-Transportschicht (AT) in Richtung senkrecht zur Membran (MB) gewandt abnimmt.
2. Halbzelle (Hl) nach Anspruch 1, wobei ene Poren einer ersten Grenzfläche (Gl) der Anoden-Transportschicht, die den Erhebungen (NP) der Anoden-Teilplatte (AT) zugewandt ist, einen ersten Durchmesser (Dl) aufweisen und jene Poren einer zweiten Grenzfläche (G2) der Anoden-Transportschicht (AT) , die der Membran (MB) zugewandt ist, einen zweiten Durchmesser (D2) aufweisen, wobei bevorzugt ein Quotient aus zweitem Durchmesser (D2) zu erstem Durchmesser innerhalb (Dl) eines ersten Intervalls von 4 bis 50 liegt.
3. Halbzelle (Hl) nach Anspruch 2, wobei für die Porenstruktur ein jeweiliger Durchmesser jener Poren zwischen der ersten und zweiten Grenzfläche (Gl, G2 ) der Anoden-Transportschicht (AT) durch eine lineare Interpolation definiert ist.
4. Halbzelle (Hl) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Durchmesser (Dl, D2 ) der Poren und/oder ein Verlauf des jeweiligen Durchmessers (Dl, D2 ) der Poren innerhalb der Anoden-Transportschicht (AT) in Abhängigkeit 35 von einem vorgegebenen Druckverlust für ein Anoden-Produkt , von einem elektrischen Widerstand verursacht durch die Ano- den-Transportschicht (AT) und/oder von einem vorgegebenen Gasdruck der Elektrolysezelle (EZ) bestimmt ist.
5. Halbzelle (Hl) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Anoden-Transportschicht (AT) ein Anoden-Kataly- sator (AKA) eingebettet ist und/oder als Schicht zwischen der Membran (MB) und der Anoden-Transportschicht (AT) angeordnet ist, wobei der Anoden-Katalysator Iridium, Nickel und/oder Legierungen aus Nickel, Eisen, Sauerstoff, Kobalt, Ruthenium und/oder Mischungen aus diesen Stoffen aufweist.
6. Halbzelle (Hl) nach Anspruch 5, wobei der Anoden-Katalysator (AKA) als Schicht zwischen der Membran (MB) und der Anoden-Transportschicht (AT) ausgebildet ist und die Schicht eine Schichtdicke von 200 nm bis 1 pm aufweist.
7. Halbzelle (Hl) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anoden-Transportschicht (AT) eine Stützstruktur
(ST) mit einer ersten Dicke (al) beinhaltet, die mit metallischen Fasern (FS) einer zweiten Dicke (a2) verbunden, kontaktiert und/oder verwoben ist.
8. Halbzelle (Hl) nach Anspruch 7, wobei die erste Dicke (al) der Stützstruktur (ST) und die zweite Dicke (a2) der metallischen Fasern (FS) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Steifigkeit oder einer vorgegebenen Elastizität bestimmt sind .
9. Halbzelle (Hl) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei ein Quotient aus der ersten Dicke (al) und der zweiten Dicke (a2) zwischen 2 und 100, insbesondere zwischen 4 und 20, bevorzugt zwischen 5 und 10 beträgt.
10. Halbzelle (Hl) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die metallischen Fasern (FS) Edelstahl, Titan und/oder Nickel aufweisen .
11. Halbzelle (Hl) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die metallischen Fasern (FS) mit Iridium, Nickel und/oder Legierungen aus Nickel, Eisen, Sauerstoff, Kobalt, Ruthenium und/oder Mischlegierungen aus diesen Stoffen beschichtet ist.
12. Halbzelle (Hl) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Stützstruktur (ST) gitterförmig und/oder maschenförmig ausgebildet ist und Edelstahl und/oder beschichteten Schwarzstahl aufweist.
13. Halbzelle (Hl) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl der Erhebungen (NP) bezogen auf eine vorgegebene ebene Grundfläche der Anoden-Teilplatte (AT) , eine Höhe, eine Breite und/oder eine Form der Erhebungen (NP) in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Druckverlust für ein Ano- den-Produkt, von einem elektrischen Widerstand verursacht durch die Anoden-Teilplatte (AT) und/oder von einem vorgegebenen Gasdruck der Elektrolysezelle (EZ) bestimmt ist.
14. Halbzelle (Hl) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anoden-Teilplatte (AP) folgende Materialen aufweist und/oder damit beschichtet ist: Edelstahl, Titan, Federstahl, Stickstoff, Kohlenstoff, Nickel, Sauerstoff und/oder Mischungen daraus .
15. Halbzelle (Hl) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anoden-Transportschicht (AT) eine Dicke von 200 pm bis 1000 pm und die Erhebungen (NP) eine Höhe senkrecht zur Anoden-Teilplatte (AT) von 1 bis 5 mm aufweisen.
16. Halbzelle (Hl) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erhebungen (NP) jeweils eine ebene Fläche parallel zur Anoden-Teilplatte (AP) aufweisen, welche unmittelbar mit der Anoden-Transportschicht (AT) kontaktiert ist.
17. Halbzelle (Hl) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anoden-Teilplatte (AP) , die Anoden-Transportschicht (AT) und die Membran (MB) in einem Zellrahmen (ZI, Z2) fixiert sind und der Zellrahmen (ZI, Z2) eine Dichtung (DT) aufweist, die insbesondere derart ausgebildet ist, die Membran (MB) , die Anoden-Teilplatte (AP) und/oder die Anoden- Transportschicht (AT) abzudichten.
18. Elektrolysezelle (EZ) mit einer ersten Halbzelle (Hl) nach Anspruch 17 und einer an der Membran (MB) angeordneten zweiten Halbzelle (H2) , welche aufweist:
- eine Kathoden-Teilplatte (KP) einer zweiten Bipolarplatte (BP2) , wobei die Kathoden-Teilplatte (KP) senkrechte Erhebungen (NP) aufweist,
- eine an einer Oberseite der Erhebungen (NP) der Kathoden- Teilplatte (KP) angeordnete metallische Kathoden-Transport- schicht (KT) ,
- wobei die Membran (MB) an einer der Erhebungen (NP) abgewandten Seite der Kathoden-Transportschicht (KT) angeordnet ist und für weitere vorgegebene Ladungsträger durchlässig ist, und wobei
- die Kathoden-Transportschicht (KT) eine weitere graduierte Porenstruktur aufweist, bei der ein jeweiliger Durchmesser (Dl, D2 ) der Poren in der Kathoden-Transportschicht (KT) in Richtung senkrecht zur Membran (MB) gewandt abnimmt.
19. Elektrolysezelle (EZ) nach Anspruch 18, wobei die Kathoden-Teilplatte (KP) Nickel aufweist und/oder mit Nickel beschichtet ist.
20. Elektrolysezelle (EZ) nach einem der Ansprüche 18 oder 19 mit einem in der Kathoden-Transportschicht (KT) eingebetteten Kathoden-Katalysator (KKA) und/oder als Schicht zwischen der Membran (MB) und der Kathoden-Transportschicht (KT) angeordneten Kathoden-Katalysator (KKA) , wobei der Kathoden-Katalysator Platin, Nickel, Molybdän, Kobalt und/oder Mischungen daraus aufweist.
21. Verfahren zum Herstellen einer Halbzelle (Hl) für eine Elektrolysezelle (EZ) umfassend die Schritte: 38
- (Sl) Stanzen und/oder Prägen einer Anoden-Teilplatte (AP) und einer Kathoden-Teilplatte (KP) zum Ausbilden von senkrechten Erhebungen (NP) ,
- (S2) Verschweißen der beiden Teilplatten (AP, KP) zu einer Bipolarplatte (BP1, BP2) ,
- (S3) Auflegen je einer Transportschicht (AT, KT) auf die Erhebungen beidseitig der Bipolarplatte (BP1, BP2) ,
- (S4) Verpressen der jeweiligen Transportschicht (AT, KT) mit der Bipolarplatte (BP1, BP2) mittels eines jeweiligen Anpressdrucks, welcher in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Strömungswiderstand eines jeweiligen Produktes der Elektrolysezelle (EZ) und/oder eines elektrischen Widerstandes der jeweiligen Transportschicht (AT, KT) bestimmt wird,
- (S5) Anordnen einer Membran (MB) jeweils an die Transportschicht (AT, KT) ,
- (S6) Abdichten der Membran (MB) mittels eines Zellrahmens (ZI, Z2) , der eine Dichtung (DT) aufweist, durch Verspannen der Dichtung (DT) .
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