EP4788854A1 - Gasdiffusionsschicht für eine elektrolysezelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionsschicht (1) für eine Elektrolysezelle (3), umfassend eine erste Gasdiffusionslage (5) und eine zweite Gasdiffusionslage (7), wobei die erste Gasdiffusionslage (5) eine mikroporöse Schicht mit Feinporen aufweist, die durch eine gesinterte Verbundstruktur aus einem leitfähigen Vliesmaterial (9) und aus einem Sintermaterial (11) ausgebildet ist, und wobei die zweite Gasdiffusionslage (7) eine Grobstruktur mit Grobporen aufweist, wobei die zweite Gasdiffusionslage (7) auf die erste Gasdiffusionslage (5) aufgebracht und mit dieser verbunden ist. Die Erfindung betriff weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eine Gasdiffusionsschicht (1).

Description

Beschreibung

Gasdiffusionsschicht für eine Elektrolysezelle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionsschicht für eine Elektrolysezelle und ein Herstellungsverfahren einer Gasdif fusions schicht .

Die Spaltung von Wasser durch elektrischen Strom zur Produktion von Wasserstoff- und Sauerstoff gas mittels einer Elektrolysezelle ist hinlänglich bekannt. Es wird dabei hauptsächlich zwischen zwei technischen Systemen, der alkalischen Elektrolyse und der PEM ( Proton-Exchange-Membrane-Elektro- lyse, unterschieden.

Eine Elektrolysezelle umfasst zwei Halbzellen, eine anodische Halbzelle und eine kathodische Halbzelle, wobei beide Halbzellen an einer Membran zusammenliegen. Jede Halbzelle weist eine so genannte Bipolarplatte auf, die eine Gasdiffusionsschicht kontaktiert, wobei eine Gasdiffusionsschicht aus mehreren Gasdiffusionslagen zusammengesetzt sein kann, wobei eine Gasdiffusionslage beispielsweise 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 das Anlegen einer Elektrolysespannung im Elektrolysebetrieb ergibt sich ein elektrisches Potential und ein Stromfluss, durch welches sich Ionen in Bewegung setzen. Die Bewegung der Ionen erfolgt dabei in einem leitfähigen Elektrolyten, d.h. dem flüssigen Elektrolyten in jeder Halbzelle, sowie einen potenziell festen 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~ 2OH- + H₂ E° = -0, 83 V

Die Zellreaktionen der Wasserstoff- und Sauerstoffbildung bei einer PEM-Elektrolyse lauten:

Anode 2H₂O 4H+ + O₂ + 4e~, E = +1,23 V

Kathode 4H+ + 4e~ 2H₂ E° = 0,00 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. Ein zentraler Zellbestandteil ist die Membran- Elektroden-Einheit (kurz MEA) . Die MEA besteht beidseitig aus dem jeweiligen Katalysator-Elektrodenverbund und einer Feststoff- Polymembran (SPA) .

Im Falle der PEM-Elektrolyse ist die protonenleitende Polymermembran eine semipermeable Membran aus lonomeren. lonomere gehören zur Gruppe der Thermoplaste, haben aber gegenüber den Thermoplasten den Vorteil, dass in ihnen lonenbindungen wirksam werden und sie im Gegensatz zu den meisten Kunststoffen als Elektrolyte eingesetzt werden können. Die PEM sorgt durch ihre Gasundurchlässigkeit dafür, dass sich die Produkte Wasserstoff und Sauerstoff nicht vermischen. Bei diesem Verfahren hat der Wasserstoff eine höhere Reinheit als bei anderen Elektrolyseverfahren. Die PEM-Elektrolysezelle wird auf der O₂-Seite mit vollentsalztem Wasser gespeist, das an der Anode in Sauerstoff gas und Protonen (H+) zerlegt wird. Die Protonen wandern durch die protonenleitende Membran und rekombinieren an der Kathode (H₂-Seite) zu Wasserstoff gas . Die an den Elektroden anliegende und typischerweise aus mehreren Gasdiffusionslagen zusammengesetzte Gasdiffusionsschicht gewährleistet neben der Elektrodenkontaktierung die optimale Wasserverteilung und damit die Benetzung der Membran sowie den Abtransport der Produktgase. Benötigt wird daher als Gasdif- fusionsschicht ein elektrisch leitendes , poröses Element mit guter dauerhafter Kontaktierung der Elektrode . Als zusätzliche Anforderung sollen ggf . im Elektrolyseur entstehende Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden, um eine möglichst gleichmäßige Kontaktierung der MEA in j edem Toleranz fall zu ermöglichen .

Mehrere Elektrolysezellen werden hernach 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 . Insbesondere spielen im Fall des ohmschen Widerstandes , die Membranwiderstände beziehungsweise die Elektrolytwiderstände und Kontaktwiderstände eine übergeordnete Rolle .

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

Nach dem Stand der Technik werden die Gasdi f fusionslagen als Streckmetall , Drahtgeflechte und starren, geprägten Bipolarplatten realisiert , auf denen gegebenenfalls ein metall- oder kohlenstof fbasierendes Faservlies 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 Aufschmel zen oder Aneinanderschweißen, oder das Korrodieren der Bauteile begünstigt . Mit diesen Effekten geht eine über die Betriebs zeit nachteilige Degradation der Elektrolysezelle und des Elektrolyseurs einher .

Um den Kontaktwiderstand gering zu halten werden beispielswe- se 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 hinsichtlich der Degradationsneigung verbesserte Gasdi f fusionsschicht anzugeben, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasdi f fusionsschicht für eine Elektrolysezelle , umfassend eine erste Gasdi f fusionslage und eine zweite Gasdi f fusionslage , wobei die erste Gasdi f fusionslage eine mikroporöse Schicht mit Feinporen aufweist , die durch eine gesinterte Verbundstruktur aus einem leitfähigen Vliesmaterial und aus einem Sintermaterial ausgebildet ist , und wobei die zweite Gasdi f fusionslage eine Grobstruktur mit Grobporen aufweist , wobei die zweite Gasdi f fusionslage auf die erste Gasdi f fusionslage aufgebracht und mit dieser verbunden ist . Die Erfindung geht bereits von der Erkenntnis aus , dass die aus dem Stand der Technik bekannte Konfiguration einer Gasdi f fusionsschicht nachteilig ist . Hier werden die Komponenten des grobstrukturierten Teils einer Gasdi f fusionsschicht und die feinstrukturierte Gasdi f fusionslage in der Elektrolysezelle lose aufeinandergelegt . Diese lose Stapelung bringt j edoch viel fältige Nachteile in der elektrischen Kontaktierung, im Handling bei der Montage sowie mögliche Korrosionsangri f fspunkte mit sich . Hinzu kommt , dass für zukünftige Produktentwicklungen selbst die Maschenweite von so genannten Micromeshes zu grobmaschig ist , weshalb das typischerweise gewal zte Streckgitter durch eine deutlich feinere PTL „porous transport layer" oder sogar MPL „microporous transport layer" erweitert werden soll .

Die Erfindung hat erkannt , dass die damit einhergehenden technische Heraus forderungen einer umfassenden Betrachtung und Berücksichtigung sowohl der mechanischen als auch der elektrischen Integration bzw . Kombination einer sehr feinporigen ersten Gasdi f fusionslage mit einer grobstrukturierten grobporigen zweiten Gasdi f fusionslage bedarf .

Der Grad der feinsten Porosität wird durch den Einsatz einer gesinterten Struktur in der ersten Gasdi f fusionslage deutlich erhöht . Die gesinterte Verbundstruktur ist dabei von dem leitfähigen Vliesmaterial und dem Sintermaterial gebildet , wobei das leitfähige Vliesmaterial in das Sintermaterial gleichmäßig eingebettet und durch den Sinterprozess innig verbunden ist . Hierdurch ist eine sehr gleichmäßige und homogene mikroporöse erste Gasdi f fusionslage mit Feinporen be- reitgestellt . Zugleich ist durch die gesinterte Verbundstruktur eine sehr gleichmäßige elektrische Kontaktierung über die Oberfläche geschaf fen sowie eine homogene Stromleitung, insbesondere mit einer sehr homogenen lokalen Flächenstromdichte , durch die erste Gasdi f fusionslage . Eine auf diese Weise konfigurierte ersten Gasdi f fusionslage ist für eine elektrische Kontaktierung einer Elektrode einer Elektrolysezelle , beispielsweise einer Membran-Elektrodeneinheit , besonders ge- eignet . Zugleich ein sehr ef fi zienter und gleichmäßiger Medientransport der Edukte und Produkte der Elektrolyse durch die gesinterte Verbundstruktur der ersten Gasdi f fusionslage erreicht . Die feinporöse gesinterte Verbundstruktur ist sowohl dabei für eine Kontaktierung der Anodenelektrode mit aufgebrachtem Katalysator als auch einer katalytisch beschichteten Kathodenelektrode einer Elektrolysezelle einsetzbar . Die erste Gasdi f fusionsschicht wirkt somit als gesinterte Funktionsschicht für die Kontaktierung und den Medientransport , wobei durch das in das Sintermaterial eingebettete und umschlossene leitfähige Vliesmaterial eine intrinsische Stützstruktur in der feinporösen ersten Gasdi f fusionsschicht realisiert ist .

Die erste Gasdi f fusionslage kann auf verschiedene Weise mit der zweiten grobporösen Gasdi f fusionslage verbunden sein, etwa indem die zweite Gasdi f fusionslage mit der erste Gasdi f fusionslage kraf tschlüssig, formschlüssig oder stof f schlüssig verbunden ist , so dass eine feste mechanische Verbindung der beiden Gasdi f fusionslagen bei gleichzeitig guter elektrischer Kontaktierung besteht . Hierzu weist das Material der zweiten Gasdi f fusionslage eine hohe elektrische Leitfähigkeit und grobporöse Struktur bei gleichzeitiger Korrosionsbeständigkeit für den Einsatz in einer Elektrolysezelle auf . Die zweite Gasdi f fusionslage kann beispielsweise als ein of fenporiges metallisches Vlies oder ein Streckgitter ausgeführt sein . Auf diese Weise ist ein Zweilagensystem bereitgestellt mit einer feinporösen und gesinterten Verbundlage und einer Lage mit größeren Poren oder Grobporen für den Medientransport und die Stromzufuhr .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Gasdi f fusionsschicht ist in der ersten Gasdi f fusionslage das leitfähige Vliesmaterial aus einem metallischen Fasermaterial gebildet .

Die erste Gasdi f fusionslage weist mithin eine Feinstruktur auf , die eine möglichst homogene Stromverteilung und einen Medientransport bereitstellt . Die erste Lage wird vorzugsweise aus einem Vlies aus leitfähigen Fasern bereitgestellt , die j edoch allein nicht die nötige mechanische Stabilität aufweist und deshalb in das Sintermaterial in einer gesinterten Verbundstruktur eingebettet und dadurch mechanisch gestützt ist . Die Grobstruktur der zweiten Gasdi f fusionslage umfasst insbesondere Grobporen, während die Feinstruktur Feinporen aufweist . Eine Pore ist eine Aussparung in der Fläche einer j eweiligen Lage und innerhalb einer Lage , so dass Strömungskanäle für einen ef fektiven Fluidtransport durch die Gasdi ffusionslage senkrecht zu der Normalen der Gasdi f fusionslage ausgebildet sind . Eine Grobpore ist hierbei lediglich eine deutlich größere räumliche Aussparung als eine Feinpore oder Mikropore .

In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Gasdi f fusionsschicht sind in der ersten Gasdi f fusionslage die Feinporen der mikroporösen Schicht durch eine faserartige Struktur gebildet sind, wobei die Faserstärke zwischen 10pm und 50pm beträgt .

Dabei sind insbesondere geflochtene feinmaschige Netzstrukturen aus Metall fasern in der gesinterten metall-keramischen Verbundstruktur eingebracht . Dadurch kann eine sehr gute Querleitfähigkeit , also eine Leitfähigkeit innerhalb der Lage und damit eine sehr gute Verteilung des Stromes erreicht werden . Der Strom, der in der Einbausituation von den Kontaktpunkten an die Elektroden einer Elektrolysezelle fließt , wird mit einer solchen Struktur homogen verteilt .

Vorzugsweise weist das leitfähige Vliesmaterial Titan vom Grad 1 technischer Reinheit auf oder ist daraus gebildet . Drähte , Geflechte , Gewirke und Vliese auf Titanbasis dieses höchsten Reinheitsgrades sind besonders geeignet und vorteilhaft für den Einsatzweck . So kann beispielsweise mit einem Titan-Faser-Vlies in einer gesinterten Struktur eine besonders feinporöse bzw . mikroporöse Struktur bei guter elektrischer Leitfähigkeit erreicht werden . Dabei wird durch den Sinterprozess die Porosität insbesondere durch den Sinterschwund gegenüber herkömmlichen Mikrovliesen erhöht . Zielbereich ist beim Vliesmaterial beispielsweise 50- 60% und bei gesintertem Pulver mindestens 30-40%. Die Messung der Porosität kann mittels einer Volumen-Gewichts-Messung der Gasdiffusionslage und entsprechender Verhältnisbildung auf einfache Weise erfolgen.

Vorzugsweise weisen bei der Gasdiffusionsschicht in der mikroporösen Schicht der ersten Gasdiffusionslage die Feinporen eine Porosität von typischerweise 30%-50%, insbesondere von 30%-40%, auf. Es kann sogar besonders bevorzugt sein in der ersten Gasdiffusionslage eine etwas größere Porosität von mehr als 50% vorzusehen, insbesondere etwa 55% - 56%, was noch bessere Eigenschaften für eine Elektrodenkontaktierung in einer Elektrolysezelle erwarten lässt.

In besonders bevorzugter Ausführung der Gasdiffusionsschicht weist die erste Gasdiffusionslage eine Schichtdicke zwischen 0,2mm und 1mm auf. Dies erlaubt eine gute Weiterverarbeitbarkeit und fertigungstechnische Handhabbarkeit des metallkeramischen Sinterverbunds der ersten Gasdiffusionslage sowie ein einfaches Aufbringen und Verbinden der zweiten Gasdiffusionslage mit der ersten Gasdiffusionslage. Die erste Gasdiffusionslage kann aufgrund der geringen Lagendicke beispielsweise in die gewünschte Form passend für die Einbausituation zurechtgeschnitten werden. Auch ist der Materialeinsatz für diese feinporöse Einzellage als Funktionsschicht reduziert bei sogar besserem Ergebnis für die elektrische Kontaktierung und den Medientransport.

In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Gasdiffusionsschicht umfasst die zweite Gasdiffusionslage ein metallisches Streckgitter mit einer Maschenweite von 1,5 mm x 1 mm bis 2,5 mm x 2 mm.

Durch das metallische Streckgitter wird eine grobporöse und zugleich elektrisch gut leitfähige Struktur bereitgestellt. Dabei ist zugleich eine gewisse Elastizität und Federeigenschaft erzielt. Neben Streckmetallgittern oder -lagen, Drahtgeweben oder Faltblechen können auch Kombinationen zum Ein- satz kommen. Es sind Strukturen vorteilhaft, die eine gewisse mechanische Kompression erlauben und somit nicht zu Materialspannungen und damit nicht zu inhomogenen Druckspitzen führen, die im ungünstigsten Fall zu mechanischen Verspannungen oder einer unerwünschten Verkeilung in der Einbausituation in einer Elektrolysezelle führen.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Gasdiffusionsschicht weisen in der zweiten Gasdiffusionslage die Grobporen einen Durchmesser auf, der dem 100-fachen bis zum 1000-fachen des Durchmessers der Feinporen entspricht.

Aufgrund des um Größenordnungen größer eingestellten Porendurchmessers in der zweiten Gasdiffusionslage im Vergleich zur ersten Gasdiffusionslage ist ein größerer Volumenstrom an Fluid rasch durch die zweite Gasdiffusionslage bei moderaten oder geringen Druckverlusten ableitbar. Vor allem der Produktstrom aus einer Wasser-Elektrolyse, der Wasser und Gasblasen aus Wasserstoff bzw. Sauerstoff enthält, ist durch einen großen Volumenstrom gekennzeichnet. Diese Fluidtransporteigenschaften sind durch die Grobporen gewährleistet. Zugleich ist durch die metallische und großporige Ausführung der zweiten Gasdiffusionslage, insbesondere durch ein metallisches Streckgitter, eine mechanische Stützstruktur der ersten Gasdiffusionslage realisiert sowie elektrische Leitfähigkeit für die Stromleitung und Stromversorgung der ersten Gasdiffusionslage.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Gasdiffusionsschicht sind die erste Gasdiffusionslage und die zweite Gasdiffusionslage miteinander versintert, insbesondere diffusi- onsversintert .

Auf diese Weise ist eine besonders vorteilhafte stoffschlüssige Verbindung der Lagen erreicht, wobei das Sintermaterial für die Versinterung der ersten Gasdiffusionslage mit der zweiten Gasdiffusionslage angepasst, insbesondere kann dasselbe Sintermaterial verwendet werden wie für die erste Gas- dif fusionslage . Die Grenzflächenhaftung zwischen der ersten Gasdiffusionslage und der zweiten Gasdiffusionslage sind durch den Stoff Schluss sehr begünstigt. Die Art der Verbindung kann dann insbesondere wie derart ausgestaltet sein, dass zunächst ein Aufbau der ersten Gasdiffusionslage aus einem Titan-Faser-Vlies mit dem Sintermaterial und damit verbundenem Streckgitter mit einer Maschenweite von 1,5 mm x 1 mm bis 2,5 mm x 2 mm bereitgestellt wird. Die Verbindung mit der zweiten grobporösen Gasdiffusionslage ist durch einen Sinterprozess realisiert. Dabei werden als Sintermaterial feinkörnige keramische oder metallische Stoffe - oft unter erhöhtem Druck - erhitzt, wobei die Temperaturen jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben, so dass die Gestalt (Form) des Werkstückes erhalten bleibt. Dabei kommt es in der Regel zu einer Schwindung, weil sich die Partikel des Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume zumindest teilweise aufgefüllt werden. Hierdurch ist ein gesinterter Zweilagenverbund realisiert, bei der die zweite Gasdiffusionslage mit der ersten Gasdiffusionslage stoffschlüssig mit dem Sintermaterial versintert ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Gasdiffusionsschicht ist die zweite Gasdiffusionslage mehrlagig ausgeführt, mit einer Mehrzahl übereinander geschichteter und Grobporen aufweisender Einzellagen, wobei übereinander geschichtete benachbarte Einzellagen miteinander verschweißt sind .

Die mehrlagige Ausführung der zweiten Gasdiffusionslage umfassend mehrere Einzellagen ist sehr vorteilhaft, da sie eine lagenspezifische Anpassung der Eigenschaften für den Fluidtransport von Edukten und Produkten uns zugleich eine gleichmäßige Stromzufuhr ermöglicht. Somit ist die Porosität über die Einzellagen einstellbar. Dabei hat sich gezeigt, dass die Ausgestaltung als Schweißverbindung für die Verbindung der Einzellagen der zweiten Gasdiffusionslage besonders vorteilhaft ist. Da im Betrieb in einer Elektrolysezelle für die zweite Gasdiffusionslage der Transport von größerer Volumen- strömen and Fluid überwiegt , wäre eine feinporöse gesinterte Struktur - wie für die ersten Gasdi f fusionslage vorgesehen - innerhalb des Lagenverbunds der zweiten Gasdi f fusionslage nachteilig . Hingegen hat sich gerade die Kombination einer gesinterten Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Gasdi f fusionslage mit den geschweißten Einzellagenaufbau innerhalb der zweiten Gasdi f fusionslage als sehr vorteilhaft erwiesen . Sowohl fertigungstechnisch als auch hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften und der Transporteigenschaften der Gasdi f fusionsschicht als poröse Transportschicht , ergeben sich hier erhebliche Vorteile . Die mehrlagige Aus führung der zweiten Gasdi f fusionslage kann beispielsweise aus einem Stapel oder Verbund von mindestens zwei oder mehreren Streckgittern erfolgen . Die Streckgitter haben eine vorzugsweise rechteckige Form und ein Aspektverhältnis von mindestens 1 , 2 . Vorteilhaft sind Streckgitter mit einem Aspektverhältnis von insbesondere mindestens größer 2 , 0 . Ein solcher Stapel oder mehrlagiger Verbund von Streckgittern kann in eine Portal- Schweißmaschine eingebracht werden und dort mit Hil fe von so genannten Stempeln, die die Schweißelektroden bilden, zusammengeschweißt werden .

Dabei nimmt in vorteilhafter Ausgestaltung der Gasdi f fusionsschicht der Durchmesser der Grobporen lagenspezi fisch mit dem Abstand einer geschichteten Einzellage in einer Richtung senkrecht zur Schichtnormalen von der ersten Gasdi f fusionslage zu .

Hierbei kann ein zweckmäßigerweise ein Mittelwert , also ein mittlerer Porendurchmesser einer Verteilung als ein Porositätsmaß einer Einzellage betrachtet werden, über den eine gewünschte gradierte Struktur einstellbar und erzielbar ist . Somit ist ein Porositätsgradient einstellbar und eine Anpassung und gezielte Erhöhung der Fluidleitfähigkeit , insbesondere der Volumenstromleitung, für den erforderlichen Medientransport . Dabei nimmt die Fluidleitfähigkeit senkrecht zur Schichtnormale hin zu bzw . der Strömungswiderstand entspre- chend ab .

Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht, bei dem eine erste Gasdiffusionslage bereitgestellt wird, bei dem ein leitfähiges Vliesmaterial und ein Sintermaterial miteinander ver- sintert werden, so dass in der gesinterten Verbundstruktur eine mikroporöse Schicht mit Feinporen ausgebildet wird, bei dem weiterhin eine zweite Gasdiffusionslage mit einer Grobstruktur aus Grobporen bereitgestellt wird, wobei die zweite Gasdiffusionslage mit der ersten Gasdiffusionslage (3) derart verbunden wird, dass sowohl eine mechanische Anbindung als auch eine elektrische Kontaktierung der Gasdiffusionslagen bewirkt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.

Entsprechend wird ein Herstellungsverfahren einer Gasdiffusionsschicht vorgeschlagen, wobei die erste Gasdiffusionslage und die zweite Gasdiffusionslage miteinander versintert werden, insbesondere dif fusionsversintert werden.

Beim Versintern werden die erste Gasdiffusionslage und die zweite Gasdiffusionslage aufeinandergelegt und anschließend miteinander verbacken, wobei ein Sintermaterial verwendet wird. Das Sintermaterial kann ein metallisches oder keramisches Sintermaterial sein oder auch metall-keramische Sintermaterialgemische. Die erste Gasdiffusionslage und die zweite Gasdiffusionslage sind dabei insbesondere nicht miteinander verschweißt, jedoch stoff schlüssig miteinander verbunden.

Dadurch kann in der Gasdiffusionsschicht 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 ersten Gasdiffusionslage und der zweiten Gasdiffusionslage die Ausbildung einer besonders gleichmäßigen Passivierungsschicht ermöglicht, wodurch die Gasdiffusionsschicht gegen Korrosion und Degradation geschützt werden kann.

Des Weiteren bilden die erste Gasdiffusionslage und die zweite Gasdiffusionslage eine stoff schlüssig verbundene einzelne Komponente und eine bereits funktionstüchtige Einheit für den Einsatz in einer Elektrolysezelle.

Die erste Gasdiffusionslage und die zweite Gasdiffusionslage 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 und gleichmäßigen Kontakt mit einem minimalen Kontaktwiderstand zwischen den Komponenten, respektive der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Gasdiffusionslage. Die Oberflächen der ersten Lage und der zweiten Lage können im Vorfeld entfettet und gebeizt werden, um die Versinterung der Drähte und Fasern, und Vliese zu erleichtern .

Die Sintertemperatur kann typischerweise zwischen 700°C und 1200°C betragen, wobei bevorzugt eine Sintertemperatur von 900°C eingestellt wird. Alternativ oder zusätzlich können bei der Temperaturanwendung die erste Gasdiffusionslage und die zweite Gasdiffusionslage bei einem Druck zwischen lOMPa und lOOMPa, bevorzugt 40MPa versintert werden. Alternativ oder zusätzlich kann dabei eine Heizrate von 50°C/min eingestellt werden . Bevorzugte Parameter für die Versinterung ist eine Sintertemperatur von 900°C bei einem Druck von 40 MPa und Heizraten von 50 °C/min. Dadurch ist ein besonders guter und zugleich aber lokal begrenzter Stoffschluss an der Grenzfläche erzielt, so dass die grobporöse zweite Gasdiffusionslage in ihrer Transport funktion für Fluide nicht beeinträchtigt ist. Zugleich sind durch den Stoffschluss eine leitfähige Verbindung erzielt, bei der eine Vielzahl elektrischer Kontaktpunkte ausgebildet und mit der ersten Gasdiffusionslage versin- tert sind.

Die zweite Gasdiffusionslage kann bedarfsweise 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 mit einem entsprechenden Beschichtungsmaterial kann stromlos, galvanisch oder durch Gasphasenverfahren, insbesondere Sputtern, Lichtbogenverdampfung oder Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden werden.

In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, dass die erste Gasdiffusionslage und die zweiten Gasdiffusionslage miteinander verschweißt werden, wobei insbesondere ein Kondensator-Entladungs-Schweißprozess angewendet wird.

Die Art der Verbindung kann beispielsweise für eine Elektrolysezelle anodenseitig wie folgt ausgestaltet sein: Ein Aufbau aus einem Titan-Faser-Vlies in einem Verbundstruktur mit Sintermaterial als erste Gasdiffusionslage in einer feinporösen gesinterten Verbundstruktur. Darauf wird eine zweite Gasdiffusionslage aufgebracht, die ein offenporiges Streckgitter der Maschenweite 1,5 mm x 1 mm bis 2,5 mm x 2 mm aufweist, welches durch Kondensator- Impulsschweißen auf die erste Gasdi f fusionslage aufgebracht wird, wodurch die beiden Lagen fest miteinander verbunden werden .

Sowohl der Aufbau mit einer gesinterten Verbundstruktur als auch eine geschweißte Verbindung der ersten und der zweiten Gasdi f fusionslage können wahlweise vorteilhaft sein . Beide Grundaufbauten können als Basisverbund in einfacher Weise etwa durch Kondensator- Impulsschweißen weiterverarbeitet und sukzessive zu einer komplexeren mehrlagigen Gasdi f fusionsschicht erweitert werden . Insbesondere die zweite Gasdi f fusionslage kann dabei vorteilhaft mehrlagig umfassend mehrere Einzellagen ausgeführt werden . Hierdurch werden GDL- Strukturen geschaf fen, da eine entsprechend größere Stromtragfähigkeit bieten als das leitfähige Vlies mit den Feinporen allein . Durch die gitterf örmige metallische Struktur werden definierte Kontaktpunkte einerseits zu der gesinterten ersten Gasdi f fusionslage geschaf fen und andererseits zu weiteren individuell strukturierten Einzellagen der zweiten Gasdi f fusionslage .

Daher ist es in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Herstellverfahrens vorgesehen, dass eine zweite Gasdi f fusionslage bereitgestellt wird, indem eine Mehrzahl übereinander geschichteter und Grobporen aufweisender Einzellagen bereitgestellt werden, wobei übereinander geschichtete benachbarte Einzellagen j eweils miteinander verschweißt werden, wobei insbesondere ein Kondensator-Entladungs-Schweißprozess angewendet wird .

Das Verfahren kann dahingehend vorteilhaft ausgestaltet sein, dass in der zweiten Gasdi f fusionslage die Porosität der Grobporen in einer Einzellage dahingehend eingestellt wird, dass durch die geschichteten Einzellagen eine gradierte Schichtung gebildet wird, wobei die Porosität mit dem Abstand einer geschichteten Einzellage senkrecht zur Schichtnormale von der ersten Gasdi f fusionslage abnimmt . Auf diese Weise wird eine gradierte poröse Struktur erzielt mit einer angepassten fluidalen Leitfähigkeit in Richtung der der Normalen, mithin kann ein gewünschter Porositätsgradient bei der Herstellung berücksichtigt und eingestellt werden .

Je feiner bzw . feinporiger dabei in der Einbausituation einer Elektrolysezelle die Kontaktierung der Gasdi f fusionsschicht (GDL ) hin zur Elektrode gestaltet ist , desto besser ist die Katalysatorausnutzung und die damit verbundene Quer- und Normalleitfähigkeit sowie die mechanische Abstützung einer Membran-Elektroden- Einheit (MEA) . Ein Vlies bzw . Sintermetall ermöglicht im Gegensatz zum bisher verwendeten so genannten „Micromesh" Streckgitter deutlich dichter liegende Kontaktpunkte und damit eine flächigere Kontaktierung der Elektrode . Eine sehr dichte und zugleich sehr feinporige Ausgestaltung der ersten Gasdi f fusionslage als maßgebliche Kontaktierungslage führt überdies zu einer deutlich verbesserten Abstützung der MEA als solcher . Auch ist die Verarbeitung einer festen gesinterten Struktur in nachgelagerten Schweißprozessen erheblich einfacher zu bewerkstelligen . Von großem Vorteil ist , dass hierdurch Einsparungen des sehr teuren Katalysatormaterial , wie beispielsweise Iridium, an der Elektrode der MEA zu verzeichnen sind . Weiterhin ist eine verbesserte und insbesondere homogene Stromverteilung bewirkt . Eine leichtere Handhabbarkeit und Weiterverarbeitbarkeit sowie nachfolgende Verbindung und Erweiterung zu einer mehrlagigen Gasdi f fusionsschicht mit einer Mehrzahl von Einzellagen z . B . durch Kon- densator- Impulsschweißen ist sehr einfach möglich . Dies beinhaltet auch eine einfachere Handhabung der Gasdi f fusionsschicht bei der Montage und Qualitätskontrolle .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betri f ft eine Elektrolysezelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdi f fusionsschicht .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betri f ft einen Elektrolyseur mit einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle . Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus führungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der j eweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen .

Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :

FIG 1 den prinzipiellen Aufbau einer elektrochemischen Zelle , die exemplarisch als PEM-Elektrolysezelle ausgeführt ist , mit einer Gasdi f fusionsschicht ;

FIG 2 in vereinfachter Darstellung den Aufbau und die Verbbindung einer mehrlagigen Gasdi f fusionsschicht ;

FIG 3 den Aufbau einer mehrlagigen Gasdi f fusionsschicht mit einer gegenüber FIG 2 abgewandelten Verbindung .

In FIG 1 ist schematisch der Aufbau einer elektrochemischen Zelle 3 gezeigt , die beispielhaft als Elektrolysezelle 3 für eine PEM-Elektrolysezelle ausgebildet ist . Die elektrochemische Zelle 3 ist Teil eines hier nicht näher gezeigten Elektrolyseurs zur Spaltung von Wasser H₂0 durch elektrischen Gleichstrom zur Produktion von Wasserstof f und Sauerstof f .

Die elektrochemische Zelle 3 umfasst einen Elektrolyten aus einer protonleitenden Membran 13 ( Proton-Exchange-Membrane , PEM) , auf welcher sich beidseitig die Elektroden 15a, 15b befinden . Die Einheit aus Membran 13 und Elektroden 15a, 15b wird üblicherweise als Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bezeichnet . Mit der Elektrode 15a wird hierbei eine Kathode , und mit der Elektrode 35b eine Anode bezeichnet. Die Elektroden 15a, 15b umfassen ein Katalysatormaterial, welches in einer dünnen katalytisch aktiven Schicht von etwa 1-1,5 mg /cm² auf die Membran auf getragen ist. Das Katalysatormaterial ist beispielsweise anodenseitig Iridium, welches die Umwandlungsreaktion katalytisch beschleunigt, und welches sehr teuer ist. Daher gibt es viele Bemühungen bei den Elektroden 15a, 15b mit einer geringeren Belegung des Katalysatormaterials auszukommen .

An den so ausgeführten Elektroden 15a, 15b liegt jeweils eine Gasdiffusionsschicht 1 an, eine anodische Gasdiffusionsschicht 1 sowie eine kathodische Gasdiffusionsschicht 1. Die Gasdiffusionsschichten 1 werden von sogenannten Bipolarplatten 17 kontaktiert. Diese trennen im zusammengebauten Zustand eines Elektrolyse-Stacks aus einer Vielzahl von elektrisch in Serie geschalteten einzelnen Elektrolysezellen 3, die Elektrolysezellen 3 räumlich voneinander.

Die Elektrolysezelle 3 wird mit vollentsalztem Wasser H₂0 als Edukt gespeist, welches an der Anode 15b in Sauerstoff-Gas 0₂ und Protonen H+ zerlegt wird. Die Protonen H+ wandern durch die Elektrolytmembran 13 in Richtung der Kathode 15a. Auf der Kathodenseite rekombinieren sie zu Wasserstoff-Gas H₂. Mithin sind Wasserstoff H₂ und Sauerstoff 0₂ als Produkte gewonnen.

In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die elektrochemische Zelle 3 als eine zur Stromerzeugung ausgebildete galvanische Zelle bzw. Brennstoffzelle ausgeführt werden. Gemäß der Erfindung sind die Gasdiffusionsschichten 1 derartig ausgebildeter elektrochemischen Zellen 3 analog zu der in FIG 1 dargestellten Elektrolysezelle 3 zu modifizieren. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird daher im Folgenden exemplarisch auf eine als Elektrolysezelle 3 ausgebildete elektrochemische Zelle 3 Bezug genommen.

Die Gasdiffusionsschicht 1 ist ein flächiges Bauteil und eine für die Elektrolysezelle 3 bedeutsame Funktionsschicht mit verschiedenen Aufgaben im Betrieb einer Elektrolysezelle 3. Durch die Gasdiffusionsschicht 1 werden eine optimale Verteilung des Wassers sowie der Abtransport der Produktgase Wasserstoff H₂ und Sauerstoff 0₂ sichergestellt. Im Falle einer galvanischen Zelle dienen die Gasdiffusionsschichten 1 entsprechend der Zuführung von Reaktanten zu den jeweiligen Elektroden. Ein wesentlicher Aspekt hierbei ist, dass die Gasdiffusionsschicht 1 in jedem Fall für die gasförmigen Produkte bzw. Edukte hinreichend permeabel ist, so dass deren Abtransport möglich ist. Hierzu ist eine Porosität vorzusehen, um den diesen Transport zu ermöglichen und zu begünstigen .

Die Gasdiffusionsschicht 1 dient insbesondere zugleich bei einer Elektrolysezelle 3 zudem als Stromverteiler. Aus diesen Gründen ist die Gasdiffusionsschicht 1 aus einem elektrisch leitenden, porösen Material ausgebildet. Wichtig ist, dass eine gleichmäßige, d.h. homogene, Stromverteilung erreicht wird, so dass im Betrieb die Stromdichte an Elektroden 15a, 15b über die katalytisch aktive Fläche möglichst homogen ist, und zwar für eine länge Betriebszeit. Dadurch kann eine Degradation der Elektrolysezelle 3 vermindert oder vermieden werden. Eine möglichst gleichmäßige und multiple Kontaktierung der Elektroden 15a, 15b wirkt sich auch günstig auf die notwendigen Materialeinsatz für die Katalysatorbelegung aus. Ebenso eine möglichst feinporige Struktur an der Kontaktfläche der Gasdiffusionsschicht 1 mit der jeweiligen Elektrode 15a, 15b.

Durch die Gasdiffusionsschicht 1 werden im gezeigten Ausführungsbeispiel Bauteiltoleranzen, insbesondere die der anliegenden Bipolarplatten 17, ausgeglichen. Die Gasdiffusionsschicht 1 enthält daher eine Mehrzahl übereinander geschichtete Lagen, wobei eine äußere Lage als eine Federkomponente ausgebildet ist, die beispielsweise eine progressive Federkennlinie aufweisen kann. Die Gasdiffusionsschicht 1 umfasst insbesondere eine Kontaktierungskomponente, eine Diffusionskomponente und die Federkomponente, die sich voneinander hin- sichtlich ihres Aufbaus und/oder ihrer Zusammensetzung spezifisch unterscheiden . Die Gasdi f fusionsschicht 1 von Elektrolysezellen 3 umfassend mehrere geschichtete Di f fusionslagen muss besonders auch hohen Anforderungen an das j eweilige Höhen- bzw . Dickenprofil genügen und aufgrund des vorgegebenen Bauraums des Zellrahmens sehr passgenau für den Einsatz in einer Elektrolysezelle 3 konzipiert und gefertigt sein . Die Maßgenauigkeit und Maßhaltung hinsichtlich der zulässigen Dicke gewinnt dabei insbesondere bei groß formatigen flächigen Gasdi f fusionslagen 1 zunehmend an Bedeutung, wie sie aktuell für den Einsatz in Elektrolyseuren großer Leistung entwickelt und proj ektiert werden . Daher ist für einen industriellen Fertigungsprozess mit hohen Stückzahlen und großer ef fektiver Funktions flächen die Qualitätssicherung bei der Dickeneinstellung der Gasdi f fusionsschicht 1 sehr wichtig . Zudem sind bei der axialen Stapelung und mechanischen Verspannung einer Viel zahl von Elektrolysezellen 3 zu einem leistungsstarken Elektrolyseur die zulässigen Dickentoleranzen zu überwachen .

Vorliegend ist die Gasdi f fusionsschicht 1 als eine integrierte Multilagenstruktur vorteilhaft ausgestaltet , mit einer ersten Gasdi f fusionslage 5 und mit einer zweiten Gasdi f fusionslage 7 , wie in FIG 2 und in FIG 3 nachfolgend näher beschrieben wird .

Dabei zeigt FIG 2 in vereinfachter Darstellung den sukzessiven Aufbau und die Verbindung einer mehrlagigen Gasdi f fusionsschicht 1 . Dabei ist eine erste Gasdi f fusionslage 5 gezeigt , die aus einem elektrisch leitfähigen Vliesmaterial 9 und aus einem Sintermaterial 9 zusammengesetzt ist . Mit der gesinterten Verbundstruktur ist für die erste Gasdi f fusionslage eine hochgradig mikroporöse Schicht mit Feinporen gebildet . Das elektrisch leitfähige Vliesmaterial 9 umfasst dabei Titan vom Reinheitsgrad 1 , beispielsweise mit der Werkstof fbezeichnung ASTM B265 , in einer feinfaserartigen Struktur . Dieses Vliesmaterial 9 ist durch einen Sinterprozess mit einem metallischen, einem keramischen oder einem metallkeramischen Sintermaterial 9 gesintert . Hierdurch ist eine feinporöse feste erste Gasdiffusionslage 5 gegeben. Diese weist eine Leitfähigkeit durch die Lagenebene auf, die durch einen Durchgangswiderstand von maximal 50 mQ -cm² gekennzeichnet ist. Zugleich ist mit der gesinterten Verbundstruktur der ersten Gasdiffusionslage 5 eine feinporöse Struktur realisiert, sich durch eine hohe Porosität von 56% ± 3% bei gleichzeitiger hoher Dichte der gesinterten Struktur auszeichnet mit einer Lagendicken von nur etwa 0,2 mm bis 1 mm. Damit ist eine derart ausgestaltete Gasdiffusionslage 5 in besonderer Weise konfektioniert und geeignet für die Anforderungen als anodische Kontaktlage auf einer anodenseitigen Elektrode 15 einer Elektrolysezelle 3. Der Katalysatorwirkungsgrad wird dadurch in der Elektrolysezelle 3 erhöht bzw. es erfolgt eine umfassendere Ausnutzung der verfügbaren Katalysatoroberfläche für die elektrochemische Stoffumwandlung. Es ist dadurch möglich, dass die Katalysatorbelegung einer Membran-Elektroden-Einheit Werte kleiner 1,2 g/cm² reduziert werden kann, typischerweise können Belegungsgrade zwischen 0,8 g/cm² und 1,1 g/cm² erreicht und eingestellt werden, ohne die katalytische Aktivität nennenswert zu reduzieren.

Eine zweite Gasdiffusionslage 7 umfasst hingegen eine Mehrzahl aufeinander gestapelter Einzellagen 7a, 7b, 7c, 7d, die jeweils eine Grobstruktur mit Grobporen aufweisen und insgesamt zu der zweiten Gasdiffusionslage 7 fest miteinander verbunden sind. In FIG 2 ist die zweite Gasdiffusionslage 7 zunächst über eine bereitgestellte Einzellage 7a unmittelbar mit der ersten Gasdiffusionslage verbunden. Im Ausführungsbeispiel wird fertigungstechnisch die Einzellage 7a zuerst mit der ersten Gasdiffusionslage 5 versintert bzw. verbacken, wobei ein Sintermaterial 11 verwendet wird. Dadurch ist ein versintertes Zweilagensystem (19) aus der ersten Diffusionslage 5 und der Einzellage 7a in einem stoff schlüssigen Gefüge gebildet und für die nachfolgenden Fertigungsschritte der Gasdiffusionsschicht 1 bereitgestellt. Dieses versinterte Zweilagensystem 19 ist mithin ein Zwischenprodukt, das allerdings gut zu handhaben und weiter zu verarbeiten ist, beispielsweise auf ein gewünschtes Einbaumaß zuschneidbar. Dabei ist über den Stof fschluss sowohl eine mechanisch feste Anbindung als auch bereits eine sehr niederohmige elektrische Kontaktierung bewirkt . In den nachfolgenden Fertigungsschritten werden auf das versinterte Zweilagensystem ( 19 ) sukzessive weitere grobporöse metallische Einzellagen 7b, 7c, 7d mittels eines Kondensator-Entladungs-Schweißprozesses verbunden und aufgebracht . Die benachbarte Einzellagen 7b, 7c, 7d werden dabei auf dem gesinterten Zweilagensystem ( 19 ) übereinander auf die Einzellage 7a des Zweilagensystems ( 19 ) geschichtet und insgesamt in einem Schweißarbeitsgang miteinander verschweißt . Dabei kann beispielsweise eine Portal-Schweißmaschine zum Einsatz kommen . Somit ist die zweite Gasdi f fusionslage 7 als mehrlagige Struktur mit Grobporen versehen, wobei der Durchmesser der Poren gegenüber dem Porendurchmesser in der ersten Gasdi f fusionslage um einen Faktor 100 bis 1000 vergrößert ist , so dass dein großer Volumenstrom an Fluid transportierbar ist . Dabei ist vorteilhaft die Porosität über die Einzellagen 7a, 7b, 7c, 7d so eingestellt , dass der Durchmesser der Grobporen lagenspezi fisch mit dem Abstand der geschichteten Einzellage 7a, 7b, 7c, 7d zunimmt .

In FIG 3 ist der Aufbau einer mehrlagigen Gasdi f fusionsschicht 1 mit einer gegenüber FIG 2 leicht abgewandelten Verbindung der ersten Gasdi f fusionslage 5 mit der zweiten Gasdi f fusionslage 7 dargestellt . Dabei ist speziell die Verbindung der Einzellage 7a mit der ersten Gasdi f fusionslage 5 modi fi ziert . Bei der Herstellung werden die erste Gasdi f fusionslage 1 und eine Einzellage 7a der zweiten Gasdi f fusionslage 7 zunächst miteinander verschweißt , wobei insbesondere ein Kondensator-Entladungs-Schweißprozess angewendet wird . In weiteren Fertigungsschritten werden die weiteren Einzellagen 7b, 7c, 7d sukzessive aufeinander geschichtet die j eweils benachbarten Einzellagen 7a, 7b, 7c, 7d miteinander verschweißt . Ein Kondensator-Entladungs-Schweißprozess wird dabei angewendet .

Die Gasdi f fusionslage 1 ist abhängig von der Materialauswahl für die Polymer-Membran-Elektrolyse , insbesondere mit sauren Protonenaustauschmembranen oder alkalischen Anionenaustauschmembranen, geeignet . Auch die Anwendung in der alkalischen Elektrolyse mit Diaphragmen ist möglich . 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 .

Claims

Patentansprüche

1. Gasdiffusionsschicht (1) für eine Elektrolysezelle (3) , umfassend eine erste Gasdiffusionslage (5) und eine zweite Gasdiffusionslage (7) , wobei die erste Gasdiffusionslage (5) eine mikroporöse Schicht mit Feinporen aufweist, die durch eine gesinterte Verbundstruktur aus einem leitfähigen Vliesmaterial (9) und aus einem Sintermaterial (11) ausgebildet ist, und wobei die zweite Gasdiffusionslage (7) eine Grobstruktur mit Grobporen aufweist, wobei die zweite Gasdiffusionslage (7) auf die erste Gasdiffusionslage (5) aufgebracht und mit dieser verbunden ist.

2. Gasdiffusionsschicht (1) nach Anspruch 1, bei der in der ersten Gasdiffusionslage (5) das leitfähige Vliesmaterial (9) aus einem metallischen Fasermaterial gebildet ist.

3. Gasdiffusionsschicht (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der in der ersten Gasdiffusionslage (5) die Feinporen der mikroporösen Schicht durch eine faserartige Struktur gebildet sind, wobei die Faserstärke zwischen 10pm und 50pm beträgt.

4. Gasdiffusionsschicht (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das leitfähige Vliesmaterial (9) Titan vom Grad 1 technischer Reinheit aufweist.

5. Gasdiffusionsschicht (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei in der mikroporösen Schicht die Feinporen eine Porosität von 30%-50%, insbesondere von 30%-40%, aufweisen.

6. Gasdiffusionsschicht (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Gasdiffusionslage (5) eine Schichtdicke zwischen 0,2mm und 1mm aufweist.

7. Gasdiffusionsschicht (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Gasdiffusionslage (7) ein metallisches Streckgitter mit einer Maschenweite von 1,5 mm x 1 mm bis 2,5 mm x 2 mm umfasst.

8. Gasdiffusionsschicht (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in der zweiten Gasdiffusionslage (7) die Grobporen einen Durchmesser aufweisen, der dem 100-fachen bis zum 1000-fachen des Durchmessers der Feinporen entspricht.

9. Gasdiffusionsschicht (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Gasdiffusionslage (5) und die zweite Gasdiffusionslage (7) miteinander versintert sind, insbesondere dif fusionsversintert sind.

10. Gasdiffusionsschicht (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Gasdiffusionslage (7) mehrlagig mit einer Mehrzahl übereinander geschichteter und Grobporen aufweisender Einzellagen (7a, 7b, 7c, 7d) ausgeführt ist, wobei übereinander geschichtete benachbarte Einzellagen (7a, 7b, 7c, 7d) miteinander verschweißt sind.

11. Gasdiffusionsschicht (1) nach Anspruch 9, bei der der Durchmesser der Grobporen lagenspezifisch mit dem Abstand einer geschichteten Einzellage (7a, 7b, 7c, 7d) in einer Richtung senkrecht zur Schichtnormalen von der ersten Gasdiffusionslage (5) zunimmt.

12. Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei

- eine erste Gasdiffusionslage (5) bereitgestellt wird, indem ein leitfähiges Vliesmaterial (9) und ein Sintermaterial (11) miteinander versintert werden, so dass in der gesinterten Verbundstruktur eine mikroporöse Schicht mit Feinporen gebildet wird,

- eine zweite Gasdiffusionslage (7) mit einer Grobstruktur aus Grobporen bereitgestellt wird,

- die zweite Gasdiffusionslage (7) mit der ersten Gasdiffusionslage (3) derart verbunden wird, dass sowohl eine mechanische Anbindung als auch eine elektrische Kontaktierung der Gasdiffusionslagen (5, 7) bewirkt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei die erste Gasdiffusionslage (5) und die zweite Gasdiffusionslage (7) miteinander versintert werden, insbesondere dif fusionsversintert .

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem eine Sintertemperatur zwischen 700°C und 1200°C, bevorzugt 900°C, eingestellt wird, und/ oder

- die erste Gasdiffusionslage (5) und die zweite Gasdiffusionslage (7) in einer Schutzgasatmosphäre versintert werden und/ oder

- die erste Gasdiffusionslage (5) und die zweite Gasdiffusionslage (5) mit einem Druck zwischen lOMPa und lOOMPa, bevorzugt 40MPa versintert werden und/oder

- die Heizrate 50°C/min von beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die erste Gasdiffusionslage (5) und die zweiten Gasdiffusionslage (7) miteinander verschweißt werden, wobei insbesondere ein Kondensator- Entladungs-Schweißprozess angewendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem eine zweite Gasdiffusionslage (7) bereitgestellt wird, wobei eine Mehrzahl übereinander geschichteter und Grobporen aufweisender Einzellagen (7a, 7b, 7c, 7d) bereitgestellt werden, wobei übereinander geschichtete benachbarte Einzellagen (7a, 7b, 7c, 7d) jeweils miteinander verschweißt werden, wobei insbesondere ein Kondensator-Entladungs-Schweißprozess angewendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem in der zweiten Gasdiffusionslage (7) die Porosität der Grobporen in einer Einzellage (7a, 7b, 7c, 7d) eingestellt wird, so dass durch die geschichteten Einzellagen (7a, 7b, 7c, 7d) eine gradierte Schichtung gebildet wird, wobei die Porosität mit dem Abstand einer geschichteten Einzellage (7a, 7b, 7c, 7d) senkrecht zur Schichtnormale von der ersten Gasdiffusionslage (5) zunimmt.

18. Elektrolysezelle (3) mit einer Gasdiffusionsschicht (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

19. Elektrolyseur mit einer Elektrolysezelle (3) nach An- spruch 18.