EP4747431A1 - Gasdiffusionslage für eine elektrolysezelle - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Gasdiffusionslage (5) für eine Elektrolysezelle (1) und ein Herstellungsverfahren einer Gasdiffusionslage (5), umfassend eine erste Lage (51) und eine zweite Lage (52), wobei eine erste Lage (51) eine Feinstruktur mit Feinporen umfasst und eine zweite Lage (52) eine Grobstruktur mit Grobporen umfasst, wobei die zweite Lage (52) eine Vielzahl von Spiralelementen (520) umfasst, wobei die Spiralelemente (520) verwoben sind, wobei mindestens ein Spiralelemente (520) frei beweglich ist, insbesondere frei rotierbar ist.

Description

Beschreibung

Gasdiffusionslage für eine Elektrolysezelle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionslage für eine Elektrolysezelle und ein Herstellungsverfahren einer Ga s di f fusions läge .

Die Produktion von Wasserstoff aus Wasser erfolgt in Elektrolysezellen über einen Prozess der Elektrolyse genannt wird.

Eine Elektrolysezelle umfasst zwei Halbzellen, eine anodische Halbzelle und eine kathodische Halbzelle, wobei beide Halbzellen an einer Membran zusammenliegen. Jede Halbzelle weist eine Bipolarplatte auf, die eine Gasdiffusionslage kontaktiert, wobei die Gasdiffusionslage die Elektrode auf der Membran kontaktiert oder selbst die Elektrode darstellt. Die Elektrode beschreibt das Bauelement, welches auf dem Katalysator angeordnet ist und an welcher die elektrochemische Reaktion stattfindet. Durch die Anordnung der Elektroden und der Aufgabe von elektrischem Strom ergibt sich ein Potential- feld durch welches sich Ionen in Bewegung setzen. Die Bewegung der Ionen erfolgt dabei im leitfähigen Elektrolyten, d.h. dem flüssigen Elektrolyten in jeder Halbzelle, sowie einen potentiell festem Elektrolyten (Membran) , der die Halbzellen voneinander trennt. Durch den lonenfluss durch die Elektrolyten fließt schließlich ein lonenstrom von einer Halbzelle zur anderen Halbzelle, wobei an den jeweiligen Elektroden Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff erzeugt werden .

Die Zellreaktionen der Wasserstoff- und Sauerstoffbildung im alkalischen Milieu lauten:

Anode 40H- 2H₂O + 0₂ + 4e-, E=+0,40 V

Kathode 2H₂O + 2e-^ 20H- + H₂, E°=- 0,83 V

Eine räumliche Trennung der Zellreaktionen wird durch oben genannte Membran ermöglicht, welche den ionischen Transport durch die Elektrolysezelle zulässt . Im Fall der Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEM-Wasser-Elektrolyse ) erfolgt dies durch die Nutzung einer Hydroxid- Ionen leitenden Membran .

Die Elektrolysezellen werden typischerweise in sogenannten Stacks in Reihe geschaltet . Jeder Elektrolyseur weist hierbei eine Ein- oder Viel zahl an Stacks auf .

Eine Elektrolysezelle mit den Elektroden stellt insbesondere eine elektrische Baugruppe dar, wobei an den einzelnen Komponenten der Baugruppe ebenfalls elektrische Widerstände oder Impedanzen auftreten . Diese elektrischen Widerstände geben letztendlich die Betriebsspannung der Elektrolysezelle vor .

Zwei Widerstände sind für den industriellen Betrieb von besonderer Bedeutung, nämlich der Aktivierungswiderstand der Elektrolysereaktion und der ohmsche Widerstand der Elektrolysezelle . Der Aktvierungswiderstand wird maßgeblich von den Elektroden, beziehungsweise dem Katalysator der Elektrolysereaktion und dessen Umgebung vorgegeben . Der ohmsche Widerstand wird von allen leitfähigen Komponenten beeinflusst wird . Insbesondere spielen im Fall des ohmschen Widerstandes , die Membranwiderstände beziehungsweise die Elektrolytwiderstände und Kontaktwiderstände eine übergeordnete Rolle .

Der Kontaktwiderstand zwischen der Gasdi f fusionslage und der Bipolarplatte ist eine Funktion des Anpressdruckes welcher durch Spannelemente wie Zuganker, Spannfedern oder Spanngurten aufgebracht wird .

Nach dem Stand der Technik werden die Gasdi f fusionslagen als Streckmetall , Drahtgeflechten und starren, geprägten Bipolarplatten realisiert auf denen gegebenenfalls ein metall- oder kohlenstof fbasierendes Faservließ gelegt wird . Die Stei figkeit dieser Baugruppen ist außerordentlich hoch und die Kompressibilität relativ gering . Dies hat zur Folge , dass im Fall einer ungenügenden Planparallelität die Bipolarplatten und den Gasdi f fusionslagen inhomogen aneinandergepresst werden und sich somit unterschiedlich große Kontakt flächen ausbilden . Abweichungen im lokalen Anpressdruck führen so schließlich zu lokal unterschiedlichen Kontaktwiderständen und damit zu einer unerwünschten Stromdichteverteilung, die beispielsweise das Schmel zen oder aneinanderschweißen, oder korrodieren der Bauteile begünstigt . Dies resultiert letztendlich in einer Degradation des Elektrolyseurs .

Um den Kontaktwiderstand gering zu halten werden die einzelnen Metalllagen bzw . Drahtfasern bisher miteinander verschweißt oder starr verwebt . Dies führt j edoch zu einer erhöhten Stei figkeit und zu möglichen Zunderstellen . Aus Streckmetallen zusammengesetzte Gasdi f fusionslagen zeigen ein irreversibles Setzverhalten, beziehungsweise werden solche Gasdi f fusionslagen unter der angewandten Kompression plastisch deformiert .

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Gasdi ffusionslage , sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen .

Die Aufgabe wird durch eine Gasdi f fusionslage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren .

Entsprechend wird eine Gasdi f fusionslage für eine Elektrolysezelle vorgeschlagen, umfassend eine erste Lage und eine zweite Lage , wobei eine erste Lage eine Feinstruktur mit Feinporen umfasst und eine zweite Lage eine Grobstruktur mit Grobporen umfasst . Erfindungsgemäß umfasst die zweite Lage eine Viel zahl von Spiralelementen, wobei die Spiralelemente verwoben sind, wobei j edes Spiralelement frei beweglich ist , insbesondere frei rotierbar ist . Die Gasdi f fusionslage ist zwischen der Bipolarplatte und der Membran der Elektrolysehalbzelle angeordnet . Die Gasdi f fusionslage hat die Aufgabe eine gleichmäßige Stromverteilung über der Membran herzustellen, so dass die Ionen der Elektrolysereaktion gleichmäßig durch die Membran propagieren können . Gleichzeitig muss die Gasdi f fusionslage derart porös beziehungsweise löchrig ausgestaltet sein, so dass ein Transport der Ionen durch die Poren möglich ist .

Die Bipolarplatte ist hierbei mit der zweiten Lage der Gasdi f fusionslage in elektrischem Kontakt und die zweite Lage steht mit der ersten Lage in elektrischem Kontakt und die erste Lage ist in mechanischem Kontakt mit der Membran . Die Kontakte werden durch einen mechanischen Anpressdruck bereitgestellt , der durch den Anpressdruck durch Spannelemente wie Zuganker, Spannfedern oder Spanngurte auf die Halbzelle aufgebracht werden kann .

Durch den dadurch variablen Anpressdruck ist auch der Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplatte und der zweiten Lage , sowie zwischen der zweiten Lage und der ersten Lage variabel . Gewissermaßen kann durch einen größeren Anpressdruck die Kontakt fläche zwischen den Komponenten erhöht werden, so dass bei gleich großer Leitfähigkeit ein geringerer Kontaktwiderstand entsteht .

Die zweite Lage weist eine Grobstruktur auf mit einer Federeigenschaft entlang der Flächennormalen der zweiten Lage auf . Dadurch kann bei einem inhomogenen Anpressdruck entlang der Oberflächennormalen der Lage dennoch ein homogener Kontaktwiderstand entlang der Kontakt fläche erzeugt werden .

Die erste Lage weist eine Feinstruktur auf , die eine möglichst homogene Stromverteilung bereitstellt . Die erste Lage wird typischerweise aus einem Vlies aus leitfähigen Fasern bereitgestellt , die j edoch alleine nicht die nötige mechanische Stabilität aufweisen und deshalb mit der zweiten Lage elektrisch kontaktiert werden . Die Grobstruktur umfasst insbesondere Grobporen, während die Feinstruktur Feinporen aufweist . Eine Pore ist eine Aussparung in der Fläche der j eweiligen Lage . Eine Grobpore ist hierbei lediglich eine größere Aussparung als eine Feinpore .

Die zweite Lage umfasst eine Viel zahl von Spiralelementen . Die Spiralelemente winden sich entlang der Spiralachse um die Spiralachse herum . Die Spiralelemente werden hierbei charakterisiert durch die Händigkeit der Spiralelemente . Beispielsweise winden sich sie Spiralelemente im Uhrzeigersinn oderge- gen den Uhrzeigersinn um die Spiralachse herum . Die Spiralelemente werden weiter charakterisiert durch die Anzahl an Windungen pro Wegstrecke entlang der Spiralachse , beziehungsweise der Windungslänge , sowie durch den Windungsdurchmesser, also dem zwei fachen radialen Abstand der Windung zur Spiralachse . In der Spiralstruktur werden die Spiralen senkrecht zueinander verwebt . Diese Art der Verwebung lässt die einzelne Spirale zwar beweglich, der Verbund der Spiralen bildet j edoch ein formstabiles Gewebe .

Somit ist prinzipiell das einzelne Spiralelement frei rotierbar, da es durch eine Drehung um die Spiralachse aus der zweiten Lage geschraubt werden könnte .

Besonders bevorzugt ist j edes Spiralelement frei beweglich . Dadurch kann insbesondere eine Gasdi f fusionslage bereitgestellt werden, die durch eine geeignete Wahl der Spiralelemente eine hohe mechanische Beweglichkeit senkrecht zur Gewebeebene gegenüber den weiteren mechanischen Bauteilen aufweist , dies führt dazu, das lokale Plantoleranzen ausgeglichen werden können . Dies gilt insbesondere dann, wenn großflächige Zellen hergestellt werden müssen . Besonders Vorteilhaft ist daher die elastische Deformierbarkeit des Spiralgewebes bei Druckbeanspruchung .

Durch die Spiralstruktur kann eine gleichmäßige Kontaktierung der Bipolarplatte und der Gasdi f fusionslage gewährleistet werden . Die Spiralelemente können eine Deformationskraft senkrecht zur Spiralachse in eine Torsion um die Spiralachse zu überführen .

Bei einem Wärmeeintrag in die Struktur, welcher insbesondere bei höheren Stromdichten durch den Innenwiderstand der Zelle ausgelöst wird, dehnt sich der Draht der Spirale in Längsrichtung aus . Dies hat zur Folge , dass die die Spiralelemente entlang der Spiralachse gestreckt werden .

Wenn die zweite Lage entlang der Oberflächennormalen der Lage belastet wird, so kommt es auf Grund der Federwirkung der Windungen der Spiralelemente zu einer elastischen Deformation . Beispielsweise wird der Windungsdurchmesser des Spiralelements lokal durch die Belastung reduziert ( gestaucht ) . Entlang der Spiralachse schlägt sich dies bei gleichbleibender Windungslänge in einer Torsion nieder .

Diese Deformation ist bevorzugt vollständig reversibel , so dass bei einer anschließend unbelasteten zweiten Lage die ursprüngliche Windungs zahl und die ursprüngliche wiederhergestellt wird . Die Reversibilität der Spirale beruht hierbei auf der Federkonstanten des Spiralelements .

Damit wird eine minimale laterale Ausdehnung der zweiten Lage bei einer Belastung erreicht , wodurch die angrenzenden Strukturen der Elektrolysezelle , wie beispielsweise der Zellrahmen wenig oder nicht mechanisch belastet wird und die Gefahr, dass Baugruppen oder Komponenten mechanisch verklemmen, reduziert wird .

Im Unterschied zu den starren Streckmetalllagen, Drahtgeweben oder Faltblechen des Standes der Technik, führt eine Kompression somit nicht zu Materialspannungen und damit nicht zu inhomogene Druckspitzen, die im ungünstigsten Fall zu mechanischen Verkeilungen im Elektrolyseur führen .

Im Druckbetrieb des Elektrolyseurs , können zudem Di f ferenzdrücke zwischen den anodischen und kathodischen Halbzellen auftreten . Die beschriebenen Gasdi f fusionslagen können durch den zweilagigen Aufbau bestehend aus Feinstruktur und Grobstruktur demnach die Membran entsprechend dynamisch und lokal abstützen, so dass diese den Kräften im Elektrolyseur standhält und nicht unnötig mechanisch belastet wird .

Die Spiralelemente können miteinander verwebt sein, wobei pro Windung des Spiralelements mindestens ein Knotenpunkt existiert , indem vier Spiralelemente miteinander reibschlüssig verbunden sind, wobei das erste und das zweite Spiralelement parallel zueinander laufen, insbesondere doppelhelix-artig miteinander verwunden sind, wobei das dritte und das vierte Spiralelement parallel zueinander laufen, insbesondere doppelhelix-artig miteinander verwunden sind, wobei das dritte Spiralelement und das vierte Spiralelement senkrecht zum ersten Spiralelement und zum zweiten Spiralelement laufen .

Reibschlüssig ist die Verbindung der Spiralelemente , wenn sie lösbar ist , dynamisch belastbar ist und kein Spiel der Spiralelemente auf tritt .

Diese Webart ermöglicht , dass j edes einzelne Spiralelement der Grobstruktur flexibel bewegbar sein kann . Flexibel bewegbar bedeutet , dass die Spirale um ihre Spiralachse rotieren kann aber auch entlang ihrer Spiralachse gedehnt oder gestaucht werden kann, also insbesondere tordiert werden kann . Somit weist j edes Spiralelement der Grobstruktur einen Bewegungs freiheitsgrad längs zur Spiralachse aber auch einen Rotations freiheitsgrad um die Spiralachse auf .

Durch eine solche Webart wird insbesondere eine zweite Lage bereitgestellt , dessen freibewegliche Spiralelemente eine ho- mogenere Anpressung der angrenzenden Komponenten und einen besseren Toleranzausgleich bieten .

Beispielsweise kann die zweite Lage Toleranzausgleich zwischen 100pm bis 500pm, bevorzugt von 200pm aufweisen .

Der Drahtdurchmesser kann zwischen 0 , 3mm und 1 , 5mm betragen, bevorzugt 0 , 7mm betragen und/oder die Maschenweite kann zwischen 2mm und 10mm betragen, bevorzugt 6mm betragen und/oder die Lochöf fnung kann zwischen 2mm und 8mm betragen, bevorzugt 3 , 5mm betragen und/oder die Gesamtdicke der zweiten Lage kann zwischen 3mm und 10mm betragen, bevorzugt 5mm betragen .

Dadurch können die Kompressibilität beziehungsweise die Spannkraft eingestellt werden . Insbesondere kann der Kontaktwiderstand durch eine geeignete Wahl der Parameter eingestellt werden .

Die Grobporen der zweiten Lage können einen Durchmesser aufweisen, der dem 100- fachen bis zum 1000- fachen des Durchmessers der Feinporen der ersten Lage entspricht .

Dies sorgt für eine homogenere Stromdichteverteilung, so dass insbesondere Spannungsspitzen vermieden werden und dadurch die Lebensdauer der Elektrolysezelle erhöht wird .

Es ist aber auch möglich, die Stromdichteverteilung durch Beschichtungen weiter verbessert werden kann . Durch die Beschichtung kann die zweite Lage ebenfalls als Elektrokatalysator und damit die Struktur als Elektrode im Elektrolyseur dienen .

Die Feinstruktur der ersten Lage kann faserartige Strukturen umfassen, wobei die Faserstärke zwischen 10pm und 50pm beträgt und/oder Lochbleche mit einem Lochdurchmesser zwischen 2mm bis 10mm umfassen und/oder geflochtene feinmaschige Netzstrukturen umfassen . Zudem kann die erste Lage eine Dicke zwischen 0 , 2 und 1mm beträgt .

Dadurch kann eine sehr gute Querleitfähigkeit , also eine Leitfähigkeit in der Lage und damit eine sehr gute Verteilung des Stromes erreicht werden . Der Strom, der von den Kontaktpunkten an die Elektroden des Elektrolyseurs fließt , wird mit einer solchen dieser Struktur homogen verteilt .

Bevorzugt sind hierbei faserartige Strukturen, die in der Regel als Vlies ausgebildet werden . Die erste Lage und die zweite Lage können insbesondere aus einem NiCr-Basisstahl gefertigt werden. Bei den oben genannten Faserstärken und Drahtstärken können jedoch auch andere Metalle wie Ni, Ti oder Legierungen (1.4404, 1.4571, 1.4550, 1.4541, 1.4539, 2.4816, 2.4066, 2.4819) eingesetzt werden.

Die erste Lage und die zweite Lage können insbesondere miteinander versintert anstatt miteinander verschweißt sein, siehe unten .

Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Herstellungsverfahren einer Gasdiffusionslage mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.

Entsprechend wird ein Herstellungsverfahren einer Gasdiffusionslage vorgeschlagen wobei die erste Lage und die zweite Lage miteinander versintert werden, insbesondere diffusions- versintert werden.

Beim Versintern werden die erste Lage und die zweite Lage aufeinandergelegt und anschließend miteinander verbacken. Die erste Lage und die zweite Lage sind dabei insbesondere nicht miteinander verschweißt, jedoch stoff schlüssig miteinander verbunden .

Dadurch kann in der Gasdiffusionslage die Bildung von Mischphasen im Metallgefüge vermieden werden. Solche Mischphasen können beispielsweise beim Zusammenschweißen der Streckmetalllagen durch einen hohen lokalen Hitzeeintrag ausgelöst werden. Derartige Mischphasen können die Bildung von Passivierungsschichten verhindern und -durch die mangelnde Passivierung - Korrosion begünstigen. Dementsprechend wird durch ein Versintern der Lagen eine Ausbildung einer gleichmäßigen Passivierungsschicht ermöglicht, wodurch die Gasdiffusionslage gegen Korrosion geschützt werden kann. Des Weiteren bilden die erste Lage und die zweite Lage eine stoff schlüssig verbundene einzelne Komponente und eine funktionstüchtige Einheit bildet.

Die erste Lage und die zweite Lage können in einer Schutzgasatmosphäre versintert werden.

Das Versintern in Schutzgasatmosphäre hat zur Folge, dass sich die erste Lage und die zweite Lage via Diffusion miteinander verbinden, jedoch auf Grund des fehlenden Sauerstoffs und der eher milden Temperaturen keine Zunderstellen oder oxidischen Einlagerungen bilden.

Die Bindung beim Versintern ist immer stoff schlüssig und bietet daher einen optimalen Kontakt mit einem minimalen Kontaktwiderstand zwischen den Komponenten. Die Oberflächen der ersten Lage und der zweiten Lage können im Vorfeld entfettet und gebeizt werden um die Versinterung der Drähte und Fasern zu erleichtern.

Die Sintertemperatur kann zwischen 700°C und 1200°C betragen, bevorzugt 900°C betragen und/oder die erste Lage und die zweite Lage können bei einem Druck zwischen lOMPa und lOOMPa, bevorzugt 40MPa versintert werden und/oder die Heizrate kann 50°C/min betragen.

Bevorzugte Parameter für die Versinterung ist eine Sintertemperatur von 900°C bei einem Druck von 40 MPa und Heizraten von 50 °C/min. Dadurch können sich die Spiralelemente immer noch frei bewegen, obwohl sie an bestimmten Kontaktpunkten mit dem ersten Lage versintert sind. Die Eigenschaften der besseren Querstromleitfähigkeit der ersten Lage sind nun mit der reversiblen Kompressibilität, dem Toleranzausgleich und der damit homogeneren Ankontaktierung gepaart.

Die Gasdiffusionslage kann mit Ni und/oder NiP und/oder NiTi und/oder NiFe beschichtet werden.

Dadurch kann die Stromtragfähigkeit und der Ohm' sehe Widerstand der Gasdiffusionslage verringert werden, während die Nickelbasisbeschichtung gleichzeitig verschleißhemmende Eigenschaften aufweist , wie beispielsweise Abrasions-und Korrosionsschutz .

Die Beschichtung kann stromlos , galvanisch oder durch Gasphasenverfahren, insbesondere Sputtern, Lichtbogenverdampfung oder Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden wird .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrif ft eine Elektrolysezelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdif fusionslage .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrif ft einen Elektrolyseur mit einer erfindungsgemäßen Gasdi ffusionslage .

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte weitere Aus führungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert . Dabei zeigen :

Figur 1 ein schematischer Aufbau einer Elektrolyseur-Halbzelle

Figur 2A, B eine schematische Darstellung der ersten

Spiralstruktur ;

Figur 3A, B eine schematische Darstellung der Deformation in z-Richtung und Rotation der Spiralstruktur ;

Figur 4 Ergebnisse eines Anpressungsversuchs , links : Gasdi ffusionslage nach dem Stand der Technik, rechts : erfindungsgemäße Gasdif fusionslage ;

Figur 5 eine Druckverformungskennlinie der erfindungsgemäßen Gasdi f fusionslage ;

Figur 6A, B eine Feinstruktur der ersten Lage ; und

Figur 7 die Unterschiede in der Fertigungstechnologie einer Elektrolysezelle in Bezug auf ein CCM- und CCS- Design .

BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Im Folgenden werden bevorzugte Aus führungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben . Dabei werden gleiche , ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugs zeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet , um Redundanzen zu vermeiden .

In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäßer Elektrolysezelle 1 gezeigt . Die Elektrolysezelle 1 ist unterteilt in eine anodische Halbzelle 10 und eine kathodische Halbzelle 12 , wobei beide Zellen an der Membran 6 zusammenfallen . Jede Halbzelle 10 , 12 weist eine Bipolarplatte 2 auf , die eine Gasdi f fusionslage 5 kontaktiert , wobei die Gasdi f fusionslage 5 eine erste Lage 51 und eine zweite Lage 52 aufweist . Zwischen der Bipolarplatte 2 und der Gasdi f fusionslage 5 sind der Zellrahmen 3 sowie Dichtungen 4 angeordnet . Die beiden Halbzellen 10 , 12 werden durch Befestigungsmittel wie Zuganker 7 aufeinandergepresst , so dass die Komponenten der Elektrolysezelle 1 miteinander in mechanischem beziehungsweise elektrischem Kontakt stehen ( sofern sie leitfähig sind) .

Durch den Zuganker 7 wird demnach ein Anpressdruck aufgebaut , der sind in der Elektrolysezelle 1 homogen verteilen soll . Durch Fertigungstoleranzen kann es j edoch in der Elektrolysezelle 1 zu Spannungsspitzen des Materials insbesondere im Bereich der Gasdi f fusionslagen 5 kommen, so dass es ebenfalls zu einer inhomogenen Verteilung des Kontaktwiderstandes zwischen den elektrischen Komponenten 6 , 51 , 52 der Zelle kommt , welche Beschädigungen nach sich ziehen kann .

In Figur 2 ist eine erfindungsgemäße zweite Lage 52 gezeigt . Die zweite Lage 52 umfasst eine Viel zahl von Spiralelementen 520 , die freibeweglich und insbesondere frei rotierbar beziehungsweise frei tordierbar sind .

Beispielsweise laufen das erste Spiralelement 521 und das zweite Spiralelement 522 parallel zueinander . Insbesondere fallen die Spiralachsen der Spiralelemente 521 , 522 zusammen . Die beiden Spiralelemente 521 , 522 bilden für sich genommen eine Doppelhelix-Struktur, da sie ineinander verwunden sind .

Selbiges gilt für das dritte Spiralelement 523 und das vierte Spiralelement 524 .

Die ersten und zweiten Spiralelemente 521 , 522 stehen hierbei senkrecht zu den dritten und vierten Spiralelemente 523 , 524 . Insbesondere bilden die Spiralelemente 521 , 522 , 523 , 524 einen Knotenpunkt K, indem alle Spiralelemente reibschlüssig miteinander verbunden sind .

Eine reibschlüssige Verbindung wird etwa dadurch erreicht , dass das erste Spiralelement 521 im Knotenpunkt K unter dem dritten Spiralelement 523 und über dem vierten Spiralelement 524 entlanggeführt wird, während das zweite Spiralelement 522 über dem dritten Spiralelement 523 und unter dem vierten Spiralelement 524 entlanggeführt wird . Gleichzeitigt wird das dritte Spiralelement 523 im Knotenpunkt K unter dem zweiten Spiralelement 522 und über dem ersten Spiralelement 521 entlanggeführt wird, während, das vierte Spiralelement 522 über dem zweiten Spiralelement 523 und unter dem ersten Spiralelement 524 entlanggeführt wird .

Figur 2B zeigt eine entsprechende Fotographie solcher verwebter Spiralelemente 520 .

Figur 3 zeigt den Ef fekt der Torsion eines Spiralelements 520 durch vertikalen Druck in einer FEM-Simulation, wobei die Verformung in x-Richtung in Figur 3A und die Verformung in z- Richtung in Figur 3B dargestellt wird . Die Windungen des Spiralelements 520 passen sich durch den ausgeübten Druck der Auflagefläche an, wodurch etwaige Erhöhungen oder Vertiefungen in der j eweiligen Auflagefläche ausgeglichen werden . Dadurch kommt es insgesamt zu einer gleichmäßigen Kontaktfläche . Dies geschieht etwa, indem das Spiralelement 520 entlang der Spiralachse tordiert wird, sprich die Spirale lokal ihre Windungs zahl anpasst ( dunkle Verfärbung) . Die Fertigungstole- ranzen benachbarter Bauteile und Komponenten können dadurch deutlich fertigungs freundlicher und somit ökonomisch sinnvoller gewählt werden . Dies kann zu einer erheblichen Kostenreduktion insbesondere bei Bauteilen mit entsprechend großer Ausdehnung führen . Hierbei ist ein Toleranzausgleich im Bereich von 100 pm - 500 pm, bevorzugt 200pm, möglich .

Figur 4 zeigt einen Drucktest der homogenen Ankontaktierung . In Figur 5 ist links eine herkömmliche zweite Lage 52 , bestehend aus einem Streckmetall , dargestellt , während rechts die neuartige zweite Lage 52 aus den verwobenen Spiralelementen 520 dargestellt ist . Die Punkte auf den unterliegenden Blättern zeigen die Kontaktierungspunkte der beiden zweiten Lagen 52 . Je schwärzer die Farbe , desto höher der Anpressdruck .

Hervorzuheben ist hierbei die gleichmäßige Punktgröße die mit der zweiten Lage aus verwobenen Spiralelementen erreicht wird, während links deutliche Form- und Größenunterschiede zu erkennen sind . Dementsprechend wird eine deutliche Verbesserung des Kontaktwiderstands mit der neuartigen Spiralstruktur erreicht .

Figur 5 zeigt eine Versuchsreihe zum Setzverhalten der zweiten Lage . Verwendet wurde hierfür eine zweite Lage mit einer Drahtdicke von 0 , 7mm, einer Maschenweite von 6mm, einer Lochöf fnung von 3 , 5mm und einer Gesamtdicke von 5mm .

Beim Setzverhalten wird die irreversible Stauchung der zweiten Lage bei einer periodischen Belastung untersucht . Vorliegend wurde hierfür periodisch ein Druck zwischen 0 , 6MPa und 2 , 5MPa auf gebaut .

Die zweite Lage zeigt ein Setzverhalten nach 100 Zyklen vollständiger Entlastung von etwa 20pm . Ein zyklischer Belastungsversuch mit 10000 Zyklen, zeigt lediglich ein Setzverhalten von 24 pm wobei im gesamten Arbeitsbereich der zweiten Lage ein nahezu ideal elastisches Verhalten zu beobachten ist .

Die Federkonstante in diesem Bereich liegt bei 8 , 7MPa/mm . Die zweite Lage ist daher in einem Druckbereich von 0 , 5MPa bis 5MPa verwendbar . Besonders bevorzugt ist hierbei ein Druckbereich zwischen l , 0MPa und 3 , 5MPa .

Durch die spiral förmige zweite Lage 52 zeigen demnach die Gasdi f fusionslagen bei Druckschwankungen des Elektrolyseurs beziehungsweise bei einer zyklischen, mechanischen Belastung des Elektrolyseurs eine gewisse Formbeständigkeit , so dass der entsprechende Anpressdruck konstant gehalten wird .

Figur 6A zeigt ein Mikroskopbild einer ersten Lage 51 mit einer Feinstruktur, die eine homogene Stromversorgung ermöglicht . Die erste Lage 51 wird hierbei mechanisch und elektrisch über die zweite Lage 52 kontaktiert , wie in Figur 6B gezeigt .

Die Feinstruktur der ersten Lage 51 unterscheidet sich von der Grobstruktur der zweiten Lage 52 dadurch, dass die Fasern nicht systematisch, sondern wahllos zu einem Gelege verarbeitet werden . Die Folge ist eine wahllose ineinander-Verf lech- tung und eine deutlich höhere Tortuosität des Geleges . Das makroskopische Erscheinungsbild der Feinstruktur erscheint auf Grund der Größenverhältnisse dennoch homogen, wobei die Fasern auf mikroskopischer Ebene ein chaotisches , inhomogenes Erscheinungsbild zeigen . Durch die Wahl einer Faserstärke zwischen 10pm und 50 pm und einer Dicke der ersten Lage zwischen 0 , 2mm und 1mm, kann eine sehr gute Querleitfähigkeit , also eine Leitfähigkeit in hori zontaler Richtung und damit eine Verteilung des Stromes erreicht werden .

Die Gasdi f fusionslage ist abhängig von der Materialauswahl für die Polymermembraneelektrolyse , insbesondere mit saure Protonenaustauschmembranen oder alkalische Anionenaustauschmembranen, geeignet . Auch die Anwendung in der alkalischen Elektrolyse mit Diaphragmen ist möglich .

In Figur 7 werden zudem zwei mögliche Herstellungsverfahren der Elektrolysezelle dargestellt . Im sogenannten CCS-Design ( Catalyst Coated Substrate ) werden die Gasdi f fusionslagen 5 mit einem Elektrokatalysator beschichtet und die dann mit dem Diaphragma oder der Membran verpresst . Im CCM-Design ( Catalyst Coated Membrane ) wird die Membran mit dem Elektrokatalysator beschichtet und dann mit der unbeschichteten Gasdi f fusionslage 5 verpresst . Kombinationen beider Designs sind möglich . Die industrielle Fertigung nutzt derzeit aus Kostengründen einheitliche Verfahren .

Auf Grund der Feinstruktur der ersten Lage , welche bereits im Ausgangzustand durch die Fasern eine hohe Oberfläche aufweist , kann diese im Fall für die Anwendung im alkalischen Milieu mit Katalysatoren beschichtet werden, um anschließend selbst als Elektrode zu dienen . Zusammen mit einer vorrausgehenden Haftbeschichtung ist mit dieser Schichtkombination ein kombiniertes mehrlagiges Elektrodendesign möglich, welches die Membran 6 kontaktiert und mechanisch abstützt .

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale , die in den Aus führungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen .

Bezugs zeichenliste

1 Elektrolysezelle

10 Halbzelle

12 Halbzelle 2 Bipolarplatte

3 Zellrahmen

4 Dichtung

5 Gasdi f fusionslage

51 erste Lage 52 zweite Lage

520 Spiralelement

521 Spiralelement

522 Spiralelement

523 Spiralelement 524 Spiralelement

6 Membran

7 Zuganker

Claims

Patentansprüche

1. Gasdiffusionslage (5) für eine Elektrolysezelle (1) , umfassend eine erste Lage (51) und eine zweite Lage (52) , wobei eine erste Lage (51) eine Feinstruktur mit Feinporen umfasst und eine zweite Lage (52) eine Grobstruktur mit Grobporen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lage (52) eine Vielzahl von Spiralelementen (520) umfasst, wobei die Spiralelemente (520) verwoben sind, wobei mindestens ein Spiralelement (520) frei beweglich ist, insbesondere frei rotierbar ist.

2. Gasdiffusionslage (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralelemente (520) eine Spiralachse aufweisen und dazu eingerichtet sind, eine Deformationskraft senkrecht zur Spiralachse in eine Rotation und/oder Torsion um die Spiralachse zu überführen.

3. Gasdiffusionslage (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralelemente (520) miteinander verwoben sind, wobei pro Windung jedes Spiralelements mindestens ein Knotenpunkt (K) existiert, indem vier Spiralelemente (521, 522, 523, 624) miteinander reibschlüssig verbunden sind,

- wobei das erste Spiralelement (521) und das zweite Spiralelement (522) parallel zueinander laufen, insbesondere doppelhelix-artig miteinander verwunden sind,

- wobei das dritte Spiralelement (523) und das vierte Spiralelement (524) parallel zueinander laufen, insbesondere doppelhelix-artig miteinander verwunden sind,

- wobei das dritte Spiralelement (523) und das vierte Spiralelement (524) senkrecht zum ersten Spiralelement (521) und zum zweiten Spiralelement (522) laufen.

4. Gasdiffusionslage (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Drahtdurchmesser zwischen 0,3mm und 1,5mm beträgt, bevorzugt 0,7mm beträgt und/oder

- die Maschenweite zwischen 2mm und 10mm beträgt, bevorzugt 6mm beträgt und/oder

- die Lochöffnung zwischen 2mm und 8mm beträgt, bevorzugt 3,5mm beträgt und/oder

- die Gesamtdicke der zweiten Lage (52) zwischen 3mm und 10mm beträgt, bevorzugt 5mm beträgt.

5. Gasdiffusionslage (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobporen einen Durchmesser aufweisen, der dem 100-fachen bis zum 1000- fachen des Durchmessers der Feinporen entspricht.

6. Gasdiffusionslage (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung der Gasdiffusionslage (5) ein Elektrokatalysator ist.

7. Gasdiffusionslage (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lage (52) einen Toleranzausgleich zwischen 100pm bis 500pm, bevorzugt von 200pm aufweist.

8. Gasdiffusionslage (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur der ersten Lage (51) faserartige Strukturen umfasst, wobei die Faserstärke zwischen 10pm und 50pm beträgt und/oder Lochbleche mit einem Lochdurchmesser zwischen 2mm bis 10mm umfasst und/oder geflochtene feinmaschine Netzstrukturen umfasst

9. Gasdiffusionslage (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (51) eine Dicke zwischen 0,2 und 1mm beträgt.

10. Gasdiffusionslage (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (51) und die zweite Lage (52) miteinander versintert sind, insbesondere dif fusionsversintert sind.

11. Herstellungsverfahren einer Gasdiffusionslage (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (51) und die zweite Lage (52) miteinander versintert werden, insbesondere dif fusionsversintert werden, wobei

- die Sintertemperatur zwischen 700°C und 1200°C, bevorzugt 900°C beträgt und/oder

- die erste Lage (51) und die zweite Lage (52) in einer Schutzgasatmosphäre versintert werden und/oder

- die erste Lage (51) und die zweite Lage (52) mit einem Druck zwischen lOMPa und lOOMPa, bevorzugt 40MPa versintert werden und/oder

- die Heizrate 50°C/min beträgt.

12. Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslage (5) mit Ni und/oder NiP und/oder NiTi und/oder NiFe beschichtet wird.

13. Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungen stromlos, galvanisch oder durch Gasphasenverfahren, insbesondere Sputtern, Lichtbogenverdampfung oder Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden wird.

14. Elektrolysezelle (1) mit einer Gasdiffusionslage (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

15. Elektrolyseur mit einer Gasdiffusionslage (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.