EP4758279A1 - Zelle für elektrolyse mit stoffschluss von mehrschichtkomponenten, und verfahren zur herstellung einer solchen zelle - Google Patents

Zelle für elektrolyse mit stoffschluss von mehrschichtkomponenten, und verfahren zur herstellung einer solchen zelle

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EP4758279A1
EP4758279A1 EP24764807.4A EP24764807A EP4758279A1 EP 4758279 A1 EP4758279 A1 EP 4758279A1 EP 24764807 A EP24764807 A EP 24764807A EP 4758279 A1 EP4758279 A1 EP 4758279A1
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EP
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bpp
ptlc
ptla
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gas diffusion
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EP24764807.4A
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Michel Suermann
Alexander Spies
Cornelius Kühn
Simon Kießlich
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betriff eine Zelle (1) für Elektrolyse zumindest aufweisend: eine Schichtfolge aus einer Bipolarplatte (BPP), zumindest einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (PTLC), einer Protonenaustauschmembran (PEM) zwischen Katalysatorschichten (CLC, CLA) oder katalysatorbeschichteten Membran (CCM) zumindest einer anodischen Gasdiffusionsschicht (PTLA), die in einem Rahmen (4) angeordnet sind, wobei ein Stoffschluss (Con) zwischen den einzelnen Schichten zumindest der BPP, PTLAC(s) und/oder PTLBC(s) vorhanden ist.

Description

Beschreibung
ZELLE FÜR ELEKTROLYSE MIT STOFFSCHLUSS VON MEHRSCHICHTKOMPONENTEN, UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SOLCHEN ZELLE
Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Komponente bei elektrochemischen Zellen wie bei der Elektrolyse und ein Verfahren zum Herstellen der elektrochemischen Zelle.
Ein Elektrolyseur ist eine Vorrichtung, die mit Hilfe von elektrischem Strom eine Stoffumwandlung herbeiführt (Elektrolyse). Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen Elektrolysen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseuren, wie beispielsweise einen Elektrolyseur für eine Wasserelektrolyse.
Aktuelle Überlegungen gehen dahin, die überschüssige Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, zu speichern. Eine Umwandlung ist mit elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen möglich. Insbesondere kann Energie durch die Herstellung von Energieträgern gespeichert werden. Ein chemischer Energieträger u.a. ist Wasserstoff, welcher mit Wasserelektrolyseuren erzeugt wird. Mittels des Wasserstoffs kann beispielsweise sogenanntes EE-Gas hergestellt werden.
Dabei erzeugt ein Wasserelektrolyseur mit Hilfe der elektrischen Energie, insbesondere aus Windenergie oder Sonnenenergie, zunächst Wasserstoff, Sauerstoff und Abwärme. Danach kann der Wasserstoff in einem Sabatierprozess zusammen mit Kohlendioxid zur Herstellung von Methan verwendet werden. Das Methan kann dann beispielsweise in ein bereits vorhandenes Erdgasnetz eingespeist werden und ermöglicht so eine Speicherung und einen Transport von Energie zum Verbraucher und kann so ein elektrisches Netz entlasten. Darüber hinaus kann eine Beimengung des Wasserstoffs ins Erdgasnetz oder in ein reines Wasserstoffgasnetz erfolgen.
Alternativ dazu kann der vom Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff auch unmittelbar weiterverwendet werden, beispielsweise für eine Brennstoffzelle. Bei einem Elektrolyseur für die Wasserelektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch gespalten. Bei einem PEM-Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt. Das Wasser wird dabei an der Anode an einem Katalysator für die Sauerstoffentstehungsreaktion zu Sauerstoff, Protonen und Elektronen oxidiert. Die Protonen passieren die Protonenaustauschmembran (PEM), welcher als Elektrolyt fungiert.
Kathodenseitig werden die Protonen mit Elektronen zu Wasserstoff an einem Katalysator für die Wasserstoffentstehungsreaktion reduziert.
Ein typischer Aufbau eines PEM-Elektrolyseurs umfasst jeweils für die Anoden- und Ka- thodenseite mindestens eine poröse Transportschicht bzw. Gasdiffusionsschicht sowie jeweils eine Katalysatorschicht. Zwischen den Katalysator schichten ist die Protonenaustauschmembran (engl.: proton exchange membran, PEM) angeordnet. Die einzelnen Zellen werden mithilfe von Bipolarplatten (BPP) getrennt. Alle Schichten werden jeweils in einem Zellrahmen angeordnet. Die Anordnung der Gasdiffusionsschichten in den Zellrahmen muss derzeit nachteilig mit einer hohen Genauigkeit erfolgen, um eine zuverlässig funktionierende Elektrolysezelle herzustellen. Dies macht die Herstellung der Komponenten sowie die Montage aufwändig und teuer.
Aus der DE 25 33 728 Al geht eine Elektrolysezelle zur Elektrolyse einer Lösung von Alkalisalzen hervor. Die Elektrolysezelle umfasst nebeneinander angeordneten bipolaren Elektroden und wenigstens einen, wenigstens eine Kammer der Elektrolysezone umschließenden Außenrahmen.
Weitere elektrochemische Zellen mit abgedichteten Zellrahmen sind in der US 6,117,287 und der US 2002/068208 Al beschrieben.
In der CN 107 881 528 A ist ein Herstellungsverfahren für PEM- Membranel ektrodeneinheiten b eschri eb en .
In solchen elektrochemischen Stacks werden etliche Zellen in Serie aneinandergereiht und als Stapel (engl. stack) betrieben. In jeder Zelle sind verschiedenste Komponenten verbaut: Protonenaustauschmembran (engl. proton exchange membran, PEM), metallische Bipolarplatten (bipolar plates, BPP), metallische oder auf Kohlenstoff basierte (letzteres nur Kathode) poröse Transportschichten (porous transport layer, PTL; teilweise auch bekannt als Gasdiffusionsschichten (gas diffusion layer, GDL)), sowie Katalysatorschichten (catalyst layer, CL) und Membranen (PEM) verwendet.
In der Regel werden die anodische und kathodische CL‘s mit der PEM zu einer katalysatorbeschichteten Membran (catalyst coated membrane, CCM) weiterverarbeitet.
Zusätzlich werden weitere Bauteile wie z. B. Dichtungen und Rahmen eingesetzt. Derzeitige Lösungen sehen vor, dass die Komponenten BPP, PTL‘s, CCM (sowie Rahmen und Dichtungen) einzeln vorliegen, nacheinander zusammengeführt und wiederholend gestapelt werden müssen.
Die Komponenten einer PEM müssen z.B. den teilweise harschen Bedingungen unter Elektrolysebetrieb standhalten. Diese beinhalten die anodischen und kathodischen elektrochemischen Potenziale, Sauerstoff- bzw. Wasserstoffatmosphäre sowie demineralisiertes Wasser, die saure Membran und deren möglichen Abbauprodukten (u.a. HF), metallischen Kationen-Kontaminationen, z.B. durch die Verfahrenstechnik der Anlage. Daher wird typischerweise für die BPP und Anoden-GDL(s) Titan als Basismaterial verwendet, für die Kathoden-GDL(s) Edelstahl bzw. Kohlenstoff oder auch Titan.
Hierbei ergebenen sich folgende Herausforderungen und Probleme:
Elektrochemische Verluste und Korrosion im Betrieb
(Elektrische ohmsche) Kontaktwiderstände an den Grenzflächen, hier zwischen den metallischen Bauteilen BPP und PTL(s), welche die Effizienz verringern Grenzflächen zwischen den Bauteilen, an denen Korrosion auftreten kann.
Sowohl Kontaktwi der stände als auch Korrosionserscheinungen können während des Betriebs ansteigen bzw. sich verstärken und so die Effizienz und ggf. die Lebensdauer beeinträchtigen.
Fertigung und Montage
- Etliche, aneinandergereihte Arbeitsschritte beim Stapeln, z.B. für jede Zelle i) Einlegen BPP, ii) Einlegen Dichtungen, iii) Einlegen Rahmen, iv) Einlegen PTL (Ano- de), v) Einlegen CCM, vi) Einlegen PTL (Kathode) beanspruchen Ressourcen (Zeit, Personal, Maschinenzeit).
Toleranzen und Toleranzausgleich sowie Positionierung aufgrund des nötigen Zusammenspiels vieler einzelner Komponenten sorgen für einen Montage- und Qualitätsaufwand von der Waren- bzw. Komponentenprüfung bis zum Stapeln des Stacks.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Zelle gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 7.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile miteinander zu erzielen.
Es zeigen
Figur 1 eine Anordnung aus dem Stand der Technik, Figur 2, 3 erfindungsgemäße Anordnungen.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Stand der Technik für eine beispielhafte Zelle 1‘ gemäß Figur 1 ist eine Lösung mit den Komponenten BPP, PTL‘s (Anode, PTLA; Kathode PTLC), welche einzeln nacheinander gestapelt werden bzw. sind. Dargestellt in Figur 1 ist ein Zelldesign mit einer BPP, zwei Kathoden-PTLs (PTLC 1,2), drei Anoden-PTLs (PTLA 1, 2, 3), einer PEM mit angrenzenden CLA, CLC, (bzw. eine CCM).
Die Komponenten sind schichtförmig ausgebildet.
Die elektrischen Kontaktwiderstände zwischen den einzelnen Komponenten, welche insbesondere auf der Anodenseite mit Elektrolysebetriebszeit ansteigen können, sowie mögliche Korrosionsflächen werden teilweise mit Hilfe von relativ aufwändigen und teuren Edelmetallbeschichtungen (Pt, Ir) reduziert bzw. geschützt. Die Erfindung gemäß Figur 2 für eine erfindungsgemäße Zelle 1 sieht einen Stoffschluss Con zwischen der BPP und einer PTLA sowie der PTLA‘s untereinander sowie optional auch mit den metallischen PTLC‘s vor.
Die Erfindung gemäß Figur 3 zeigt beispielhaft eine Zelle 11 mit strukturierter BPP, also der Verwendung von Strömungsfeldern, z.B. in Form von Kanälen, und ebenfalls Stoffschlüssen Con zwischen den Stegen der BPP und den PTLA‘s sowie optional auch mit einer oder den metallischen PTLC’s.
Dies hat u.a. den Vorteil, dass auch die Kontaktflächen und damit die Fläche reduziert wird, in welcher der Stoffschluss erfolgen soll, was den Stoffschluss vereinfacht. Vorteilhaft ist es den Anteil der Querschnitte der Kanäle 14 bei 40% bis 60% zu halten, bezogen auf die gesamte Querschnittsfläche der PTLC bzw. PTLA1.
Grundsätzlich kann der Stoffschluss Con zw. BPP und PTL‘s über ein geeignetes Fügeverfahren wie insbesondere Sintern, Löten oder Schweißen erfolgen. Hierbei können die einzelnen Komponenten entweder gleichzeitig oder nacheinander miteinander stoffschlüssig verbunden und vorzugsweise jeweils nacheinander auf Form- und Lagetoleranz überprüft werden.
Diese Lösung kann nicht nur für Systeme oder Zellen 1, 11 der Wasserelektrolyse angewendet werden (Figuren 2 und 3), sondern auch in anderen elektrochemischen Zellen, z.B. Brennstoffzellen, galvanischen Zellen, etc.
Beispielhaft für die PEM-Wasserelektrolyse werden derzeit die verschiedenen Komponenten (BPP, PTLs, CCMs, Rahmen, Dichtungen, etc.) einzeln hergestellt und nacheinander montiert sowie gestapelt.
Stattdessen ermöglicht die zuvor beschriebene Erfindung einen vorgelagerten Stoffschluss bzw. eine Vormontage der BPP und PTLs. Diese Erfindung hat damit sowohl Vorteile bei der Fertigung und Montage des Stapels als auch während des Betriebs. Somit könnten Einsparungen und Verbesserungen im Bereich der Kosten wie CAPEX und OPEX erfolgen, wie nachfolgenden beschrieben.
Elektrochemische Verluste und Korrosion im Betrieb
- Der Stoffschluss zw. BPP und PTL(s) vermeidet Kontaktstellen, an denen elektrische Kontaktwi der stände entstehen.
- Der Stoffschluss zw. BPP und PTL(s) vermeidet elektrisch schlecht leitende Me- talloxidschichten, welche typischerweise während des Elektrolysebetriebs anwachsen, und damit verbundene ohmsche Widerstände.
- Der Stoffschluss zw. BPP und PTL(s) vermeidet Grenzflächen, an denen Korrosion auftreten kann.
Eine Beschichtung der Kontaktstellen bzw. Grenzflächen ist nicht mehr nötig.
Fertigung und Montage
- Montageerleichterung durch Verringerung der Arbeitsschritte, da nur noch ein bereits vorgefertigter Komponentenverbund eingelegt werden müsste.
- Ein höherer Automatisierungsgrad der Montierung kann einfacher erfolgen, da z.B. der Komponentenverbund mittels Roboter geführt und eingesetzt werden könnte. Die Positionierung bzw. die Formtoleranz von PTL(s) und BPP zueinander kann bereits während der Vormontage erfolgen und überprüft werden. Somit wird ein mögliches Verrutschen der einzelnen Komponenten zueinander während der nachgelagerten Montageprozesse vermieden.
- Austausch in Reparatur und Serviceanwendungen kann durch Zusammenfügen des Komponentenverbundes vereinfacht werden.
Die einzelnen Schichten (PTLC, BPP, PTLA) werden vorzugsweise nacheinander miteinander gefügt, also insbesondere zuerst die eine (Fig. 3) oder einzelnen PTLC‘s, dann wird die BPP gefügt und am Ende die einzelnen PTLA’s.
Die einzelnen Schichten (PTLC, BPP, PTLA,) können auch vorzugsweise auf einmal miteinander gefügt werden. Vorzugsweise ist es möglich mehrere Schichten (PTLC, BPP, PTLA) miteinander, aber nicht alle auf einmal miteinander zu fügen, also PTLC1+ PTLC2, dann dazu BPP + PTLA1, dann dazu PTLA2 + PTLA3.
Ebenso vorzugsweise ist es möglich die einzelnen Schichttypen (PTLC's, PTLA' s) jeweils separat gefügt werden und dann optional mit der Bipolarplatte (BPP) gefügt werden.
Die Bipolarplatte (BPP) ist vorzugsweise einstückig, d.h. massiv und nicht aus zwei oder mehr Teilen zusammen gefügt bzw. geschweißt (zumindest nicht in der Lagigkeit). Strömungsfelder in der Bipolarplatte (BPP) werden ggfs herausgearbeitet.
Es kann sowohl großflächig, aber auch punktweise, linienförmig oder mäanderförmig gefügt werden, was den Energieeintrag und Aufwand reduziert. Dies ist insbesondere sinnvoll beim Schweißen.
Es können einzelne oder mehrere Komponenten mithilfe von Sintern, Schweißen oder Löten stoffschlüssig verbunden werden.
Der Stoffschluss Con ist deutlich erkennbar.
Wenn die Fügung durch Sinterung erfolgte, ist ein Diffusionsbereich zwischen den Schichten (PTLC, BPP, PTLA) vorhanden.
Wenn die Fügung durch Schweißung erfolgte, ist zumindest ein aufgeschmolzener Bereich zwischen den Schichten (PTLC, BPP, PTLA) und/oder eine andere Mikrostruktur oder Komstruktur vorhanden.

Claims

Patentansprüche
1. Zelle (1, 11) für Elektrolyse zumindest aufweisend: eine Schichtfolge aus einer Bipolarplatte (BPP), zumindest einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (PTLC), einer Protonenaustauschmembran (PEM) zwischen Katalysatorschichten (CLC, CLA) oder eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) zumindest einer anodischen Gasdiffusionsschicht (PTLA), die in einem Rahmen (4) angeordnet sind, wobei zumindest ein Stoffschluss (Con) zwischen den einzelnen Schichten zumindest der Bipolarplatte (BPP), zumindest einer anodischer Gasdiffusionsschicht (PTLA) und/oder zumindest einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (PTLC) vorhanden ist.
2. Zelle nach Anspruch 1, dessen Rahmen (4) zumindest eine Dichtung (7) aufweist, die an die Protonenaustauschmembran (PEM) angrenzt.
3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dessen Bipolarplatte (BPP) strukturiert ist und ein Flussfeld (14) aufweist, insbesondere bei der die Kanäle 60% bis 40% der Querschnittsfläche der Bipolarplatte (BPP) ausmacht.
4. Zelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die zumindest zwei kathodische Gasdiffusionsschichten (PTLC) und/oder zumindest drei anodische Gasdiffusionsschicht (PTLA) aufweist.
5. Zelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die nur eine kathodische Gasdiffusionsschicht (PTLC) aufweist und/oder höchstens zwei anodische Gasdiffusionsschichten (PTLA) aufweist.
6. Zelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei der jede einzelne Schicht miteinander gefügt ist, insbesondere die Bipolarplatte (BPP), mit einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (PTLC) und insbesondere auch die anodischen und kathodischen Gasdiffusionsschichten (PTLA, PTLC) jeweils miteinander.
7. Zelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem die Bipolarplatte (BPP) einstückig ausgebildet ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Zelle (1, 11) nach einem oder mehreren vorherigen Ansprüche, bei dem einzelne Schichten (PTLC, BPP, PTLA) miteinander gefügt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die einzelnen Schichten (PTLC, BPP, PTLA) nacheinander miteinander gefügt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die einzelnen Schichten (PTLC, BPP, PTLA) auf einmal miteinander gefügt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem mehrere Schichten (PTLC, BPP, PTLA), aber nicht alle Schichten auf einmal miteinander gefügt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die einzelnen Schichttypen (PTLC's, PTLA 's) jeweils separat miteinander gefügt werden und dann optional mit der Bipolarplatte (BPP) gefügt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 8, 9, 10, 11 oder 12, bei dem nach jeder Fügung auf Form und Lage der Schichten (PTLC, BPP, PTLA) überprüft.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Fügung durch Sintern und/oder Schweißen erfolgt
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Schweißung punktweise, linienförmig oder mäanderförmig erfolgt.
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