JP2022542593A - 電解セルおよび電解セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

要約本発明は、セルフレームを備えた電解セル、および、電解セルの製造方法に関する。このセルフレームは階段状の内部プロファイルを有する。この内側プロファイルは、セルフレーム内に平面状の構成要素を受け入れるための少なくとも１つの支持面を含む。この支持面にはシール用の凹部がある。まず、この凹部にシールを配置する。次いで、膜－電極ユニット、第１のガス拡散層および導電性閉鎖層が、セルフレーム内に導入される。次いで、セルフレームを回転させ、第２のガス拡散層を被着する。このようにして製造された電解セルは、シールおよび複数の異なる層を備えたセルフレームを含む。【選択図】図４

Description

本発明は、電解セルおよび電解セルの製造方法に関する。

電解セルとは、電流を利用して物質を変換（電気分解）する装置である。多種多様な電気分解に応じて、例えば水素電解用の電解装置などの電解装置が数多く存在する。

日照と風の多い期間の、つまり太陽光発電量または風力発電量が平均を上回る期間の再生可能エネルギー源からの余剰エネルギーを貯蔵することが現在検討されている。この貯蔵は、特に電気化学セル、とりわけ燃料電池または電解セルにより可能である。特に、リサイクル可能な物質を作ることによってエネルギーを貯蔵することができる。一つのリサイクル可能な物質は特に水素であり、これは水の電解装置で発生される。この水素を用いて、例えば、いわゆるＥＥガスを製造することができる。

この場合、（水素電解の）電解装置は、特に風力エネルギーまたは太陽エネルギーからの電気エネルギーを用いて先ず水素を発生させる。次いで、この水素を二酸化炭素と共にサバティエ反応（Sabatierprozess）で使用し、メタンを生成することができる。次いで、このメタンは、例えば既設の天然ガスネットワークに供給することができ、従って、エネルギーを貯蔵し消費者に輸送することを可能とし、その結果、電力系統の負担を軽減することができる。

あるいは、電解装置によって生成された水素を、例えば燃料電池用に直接使用することもできる。

水素電解用の電解装置では、水が水素と酸素に分解される。ＰＥＭ電解装置では、反応物質として通常は蒸留水がアノード側に供給され、プロトン交換膜（英語：「Proton-Exchange-Membrane」；ＰＥＭ）において水素と酸素に分解される。この場合、水はアノードで酸化されて酸素になる。プロトンはプロトン透過膜を通過する。カソード側でプロトンが再結合して水素が生成される。

ＰＥＭ電解装置の一般的な構成は、第１のガス拡散層および第２のガス拡散層を含む。これらのガス拡散層の間にプロトン交換膜（英語：「Proton-Exchange-
Membrane」；ＰＥＭ）が配置されている。すべての層が１つのセルフレーム内に配置される。セルフレーム内のこれらのガス拡散層の配置は、確実に機能する電解セルを製造するために、現時点では、不都合なことに、高い精度で実施されなければならない。これにより、構成部品の製造および組立が複雑になる。

特許文献１は、アルカリ塩の溶液を電気分解するための電解セルを開示している。この電解セルは互いに隣り合って配置された双極電極と、電解ゾーンの少なくとも１つのチャンバーを囲む少なくとも１つの外側フレームとを含んでいる。

シールされた複数のセルフレームを有する別の電気化学セルが、例えば、特許文献２および特許文献３に記載されている。特許文献４にＰＥＭ膜電極ユニットの製造方法が記載されている。

独国特許出願公開第２５３３７２８ Ａ１号明細書 米国特許出願公開第６，１１７，２８７Ａ号明細書 米国特許出願公開第２００２／０６８２０８Ａ１号明細書 中国特許出願公開第１０７８８１５２８Ａ号明細書

本発明の課題は、セルフレームを備えた電解セル、および、その電解セルの製造方法を提供することにあり、この方法により、電解セルの構造およびその電解セルの製造方法を、特に、大きなセル面積に対して、簡素化し、かつ、その電気化学セルの作動中の高い信頼性を可能にするものである。

この課題は、請求項１に記載の電解セルおよび請求項１０に記載の方法により解決される。

本発明に係る電気化学セル用の、特に燃料電池または電解セル用の、セルフレームは階段状の内部プロファイルを有する。この階段状の内部プロファイルは、セルフレーム内に平面状の構成要素を受け入れるための少なくとも１つの支持面を含む。この支持面にはシール用の凹部がある。

本発明による電解セルは、階段状の内部プロファイルを有するセルフレームを備えている。この階段状の内部プロファイルは、セルフレーム内に平面状の構成要素を受け入れるための少なくとも１つの支持面を含む。この支持面にはシール用の凹部がある。この電解セルは、さらに、支持面の凹部内に配置されたシールを有する。この電解セルは、さらに、セルフレームの支持面およびシールを覆う膜－電極ユニットを有している。この電解セルは、また、膜－電極ユニットの第１の面に接する第１のガス拡散層を有する。この電解セルは、膜－電極ユニットの第２の面に接する第２のガス拡散層をも有する。また、この電解セルは導電性閉鎖層を有し、この閉鎖層は第１のガス拡散層上に配置され、セルフレームに強固に結合されている。

階段状の内部プロファイルがあるので、第１のガス拡散層は第２のガス拡散層の境界を越えて突き出ている。したがって、セルフレームと膜ないしこれらのガス拡散層との間のギャップ寸法を、有利に、より大きくすることができる。これは有利に、組立工程を容易にし、短縮する。さらに、膜および／または複数のガス拡散層の外側輪郭は、好都合に、自由に選択することができる。シールの十分な支持を保証するためには、膜および第１のガス拡散層の外側輪郭がシールを越えて突き出ていさえすればよい。また、このシールは好都合に、電解セルのカソード側とアノード側との間の封止をも保証する。

本発明の有利な実施態様および展開形態において、支持面は本質的に平坦である。言い換えれば、この支持面は平面状である、すなわち、湾曲していない。この平坦な面は凹部によってのみ中断される。有利には、特にＭＥＡ(英語：「Membrane-Electrode-Assembly」；膜－電極－アセンブリ）としての膜およびこれらのガス拡散層は平らであり、したがって、支持面上に嵌め合い結合的に配置することができる。このようにして、有利に、高度のシール性能が達成される。

本発明の別の有利な実施態様および展開形態では、このセルフレームは１つの加工部材で構成されている。換言すれば、このセルフレームは複数のコンポーネントで構成されているのではなく、１つのワークピースから作成されている。このセルフレームは、特に、１つのポリマーを含むことができる。このセルフレームは特にこのポリマーから鋳造することができる。あるいは、セルフレームを板状の原材料から機械的加工により製造することも考えられる。このセルフレームは、好ましくは、電気絶縁材料を含む。

本発明の別の有利な実施態様および展開形態では、このセルフレームが少なくとも３０００ｃｍ^２の面積を囲んでいる。

本発明の別の有利な実施態様および展開形態では、膜－電極ユニット、第１のガス拡散層および第２のガス拡散層のそれぞれの大きさが、セルフレームの内側プロファイルによって囲まれた面積よりも小さい。一方のガス拡散層の面積が他方のガス拡散層よりも大きいことが特に好ましい。すなわち、これらのガス拡散層の大きさは異なる。これらの層はセルフレームの内部プロファイルの中に入れることができる。すなわち、これらの層はセルフレームの上方に置かれているのではなく、セルフレームの内部プロファイルを囲んでいる平面内に配置されている。こうして、これらの層は、有利に、これらの層の高さがセルフレームの高さを超えないように、セルフレームの内側プロファイル内に配置することができる。言い換えれば、セルフレーム内でのこれらの層の配置はセルフレームの内部を満たすが、これらの層はセルフレームからはみ出さない。

本発明の別の有利な実施態様および展開形態では、導電性閉鎖層の大きさは、セルフレームの内側プロファイルによって囲まれた面積よりも大きい。換言すれば、この導電性閉鎖層はセルフレーム上に配置されている。したがって、この閉鎖層は、有利に、セルフレームの上面または下面に容易に機械的に固定することができる。この層をセルフレームの内部プロファイルにおいて固定することは不要であり、このことは有利である。

支持面がシール用の凹部を有することは、換言すれば、特に、シール用の凹部が支持面の縁部に配置されていないことを意味する。したがって、この凹部は、支持面と共通の横方向の境界を有していない。この凹部は支持面の内側に配置されている。このようにして、シールを滑らないように、すなわち、言い換えると、場所的に固定して、支持面の内側に配置することが有利に達成される。第１のシールがセルフレームに強固に結合されていると特に有利である。こうして、封止は、従来のように、セルフレームと膜および／またはガス拡散層との間の小さなギャップを介して行われるのではなく、セルフレームの支持面に配置されたシールを介して行われる。

電解セルを製造するための本発明による方法は、いくつかのステップを含む。まず、セルフレームを準備する。このセルフレームは階段状の内部プロファイルを有する。この階段状の内部プロファイルは、セルフレーム内に平面状の構成要素を受け入れるための少なくとも１つの支持面を有する。この支持面はシール用の凹部を含む。次のステップで、シールが支持面の凹部に配置される。強固に結合された第１のシールを備えたセルフレームを使用する場合には、このステップは省略することができる。次いで、支持面上に膜－電極ユニットを配置し、この膜－電極ユニットはセルフレームの支持面およびシールを覆う。次に、第１のガス拡散層を膜－電極ユニットの第１の面上に配置する。次いで、導電性閉鎖層を第１のガス拡散層およびセルフレーム上に配置する。この閉鎖層はセルフレームに機械的に固定される。次に、シール、第１のガス拡散層の膜－電極ユニットおよび閉鎖層を備えたセルフレームが、閉鎖層が下側に配置され膜触媒層が上側に配置されるように、回転される。ここで、下側と上側は、地球の重力場との関連で見ることができる。すなわち、下側とは、この層が上側に配置された層よりも地球に近い位置に配置されていることを意味する。次いで、第２のガス拡散層がセルフレーム内の膜－電極ユニットの第２の面上に配置される。

有利に、セルフレームの階段状の内部プロファイルを使用することにより、先ず、シール、膜－電極ユニット、第１のガス拡散層および導電性閉鎖層の配置が、セルフレーム内に簡単に配置することにより、可能になる。それに続く回転によって、膜－電極ユニット上の第２のガス拡散層の取り付けが有利に著しく容易になる。回転中、膜－電極ユニットは第１のガス拡散層および閉鎖層によって支持され、セルフレーム内でクランプされる。この支持により、有利に、膜－電極ユニットが滑らず、その結果、シールが覆われているように配置されたままであることが保証される。次いで、第２のガス拡散層を膜－電極ユニット上に容易に配置することができる。この回転により、複数の層を備えたセルフレームの簡単な実装が、非常に大きなセル面積に対しても、低コストで可能である。

本発明の有利な実施形態では、セルフレームおよび導電性閉鎖層が互いにシールされる。

セルスタックを得るためには、いくつかの電解セルが互いに積層され、互いにシールされ、プレスされる。

本発明の有利な実施態様および展開形態では、閉鎖層は、ねじ止め、リベット止め、または、クランプ手段によって、セルフレームに機械的に固定される。

本発明の更なる特徴、特性および利点を、添付の図面を参照しながら以下に説明する。

電解セル用のセルフレームの断面図 電解セル用のセルフレームの平面図 複数の層と機械的固定部とを備えた組立中のセルフレームの断面図 セルフレームを備えた電解セルの断面図 電解セルの製造工程のフローチャート

図１は、電気化学セル用の、特に燃料電池または電解セル用の、セルフレーム１００の断面を示し、その内部プロファイル１０１は階段状である。階段状の内部プロファイル１０１は支持面１０２を有する。支持面１０２には凹部１０３が配置されている。セルフレーム１００はフレーム上面１０４およびフレーム下面１０５を有する。

図２は、階段状の内部プロファイル１０１を備えたセルフレーム１００の平面図を示す。この例では、セルフレーム１００は四角形に形成されている。しかし、これは円形もしくは楕円形、または、他の技術的に意味のある形状とすることも可能である。

本実施例では電解セルの構造について説明する。しかしながら、代替的に、このセルフレーム１００を、燃料電池を構成するために使用することも可能である。

電解セルの構築の最初に、セルフレーム１００は、フレーム上面１０４が上側、すなわち地球から離れる方向に向き、フレーム下面１０５が下側、すなわち地球に向くように、地球の重力場に配置される。このことを図１に示す。セルフレーム１００は１つの加工部材で作られる。第１の組立ステップで、シール６が凹部１０３内に配置される。このシール６は、シールテープとして、塗布式シールとして、または、シールリングとして製作することができる。シール６は、一般的には、ＰＴＦＥ、シリコーン、フッ素ゴムのような材料、または、エラストマーのグループに属する複数の他の材料を含む。

図３は中間組立状態におけるセルフレーム１００を示す。シール６が凹部１０３内に配置されている。次いで、膜－電極ユニット７を支持面１０２上に配置する。この膜－電極ユニット７はセルフレームをほぼ完全に満たす大きさを有する。この膜－電極ユニット７の大きさは、好適には、図３に見られるように、少なくとも、この膜－電極ユニット７が確実に、すべての許容誤差のケースにおいてシール６を越えて延びているように、選択されるべきである。次いで、第１のガス拡散層８を膜－電極ユニット７上に上方から配置する。この第１のガス拡散層８の大きさは、少なくとも、シールで囲まれた領域よりも大きくなるように選択されるべきである。換言すれば、このガス拡散層８は階段状の内部プロファイル１０１の階段の上に間接的に配置されている。膜－電極ユニット７の大きさも第１のガス拡散層８の大きさも、セルフレーム１００によって囲まれた領域より大きくならないように選択されるべきである。次に、セルフレーム１００と導電性閉鎖層との間を封止するためのもう一つのシールが導入されると有利である。このシールは、場合によっては、既にセルフレーム１００または導電性閉鎖層９の一部であるようにすることもできる。次いで、導電性閉鎖層９を第１のガス拡散層８の上に配置する。この導電性閉鎖層９は機械的な固定手段で、この例ではねじ１０を用いて、セルフレーム１００に強固に固定される。図３は、組立のこの時点で、異なる層７、８、９、シール６およびねじ接続１０によってセルフレームがどのように形成されているかを示している。次のステップで、シール６、膜－電極ユニット７、第１のガス拡散層８および閉鎖層９を備えたセルフレーム１００が回転される。

図４は、回転された後のセルフレーム１００を示す。今度は、フレーム上面１０４が下側に配置され、フレーム下面１０５が上側に配置されている。言い換えると、地球の重力場において、フレーム下面１０５は、今や、フレーム上面１０４よりも地球から遠く離れて配置されている。次のステップで、第２のガス拡散層１１が膜－電極ユニット７上に配置される。こうして、この膜－電極ユニット７の一方の面が第２のガス拡散層１１と直接に接する。この膜－電極ユニット７の反対側の面は第１のガス拡散層８と直接に接している。このようにして組み立てられた電解セル１は、今や、いくつかの電解セル１と積み重ねて１つのスタックを形成することができる。これらの電解セルは互いにシールされる。有利に、図３の中間組立状態の後で半実装状態のセルを回転することにより、少なくとも３０００ｃｍ^２の大きなセルフレームに対して、第２のガス拡散層１１の簡単な取り付けが可能になる。膜－電極ユニット７の大きさは、少なくともシール６を覆うが、セルフレームの内側面よりも小さくなるように選択しさえすればよい。この膜－電極ユニット７は、第１のガス拡散層８に支持され、クランプ止めにより滑り止めされる。これにより、膜－電極ユニット７の組立をより迅速かつ効率的に行うことができると同時に、第１のガス拡散層８が配置されたセルの第１の半分と、第２のガス拡散層１１が配置されたセルの第２の半分との間の気密性を確実に保証することができる。

図５は、複数の異なるステップを有する組立工程のフローチャートを模式的に示す。まず、ステップ５０でセルフレーム１００を準備する。次いで、ステップ５１でシール６が凹部１０３に配置される。このシールがセルフレームの一部として既に実装されている場合には、ステップ５１を省略することができる。次いで、ステップ５２で膜－電極ユニットがセルフレーム内に配置される。次いで、ステップ５３で、第１のガス拡散層８を膜－電極ユニット７上に配置する。次に、セルフレームにもう一つのシールを配置することができる。このシールが既にセルフレーム１００または閉鎖層９の一部である場合には、このステップを省略することができる。次のステップ５５で、第１のガス拡散層８の上に閉鎖層９が配置される。続いて、ステップ５６で、閉鎖層９がセルフレーム１００に機械的に固定される。次いで、ステップ５７で、層７、８、９を備えたセルフレーム１００が回転される。続いて、ステップ５８で、第２のガス拡散層１１が膜－電極ユニット７に被着される。

電解セルを製造するための本発明による方法は、いくつかのステップを含む。まず、セルフレームを準備する。このセルフレームは階段状の内部プロファイルを有する。この階段状の内部プロファイルは、セルフレーム内に平面状の構成要素を受け入れるための少なくとも１つの支持面を有する。この支持面はシール用の凹部を含む。次のステップで、シールが支持面の凹部に配置される。強固に結合された第１のシールを備えたセルフレームを使用する場合には、このステップは省略することができる。次いで、支持面上に膜－電極ユニットを配置し、この膜－電極ユニットはセルフレームの支持面およびシールを覆う。次に、第１のガス拡散層を膜－電極ユニットの第１の面上に配置する。次いで、導電性閉鎖層を第１のガス拡散層およびセルフレーム上に配置する。この閉鎖層はセルフレームに機械的に固定される。次に、シール、膜－電極ユニット、第１のガス拡散層および閉鎖層を備えたセルフレームが、閉鎖層が下側に配置され膜触媒層が上側に配置されるように、回転される。ここで、下側と上側は、地球の重力場との関連で見ることができる。すなわち、下側とは、この層が上側に配置された層よりも地球に近い位置に配置されていることを意味する。次いで、第２のガス拡散層がセルフレーム内の膜－電極ユニットの第２の面上に配置される。

図３は中間組立状態におけるセルフレーム１００を示す。シール６が凹部１０３内に配置されている。次いで、膜－電極ユニット７を支持面１０２上に配置する。この膜－電極ユニット７はセルフレームをほぼ完全に満たす大きさを有する。この膜－電極ユニット７の大きさは、好適には、図３に見られるように、少なくとも、この膜－電極ユニット７が確実に、すべての許容誤差のケースにおいてシール６を越えて延びているように、選択されるべきである。次いで、第１のガス拡散層８を膜－電極ユニット７上に上方から配置する。この第１のガス拡散層８の大きさは、少なくとも、シールで囲まれた領域よりも大きくなるように選択されるべきである。換言すれば、このガス拡散層８は階段状の内部プロファイル１０１の階段の上に間接的に配置されている。膜－電極ユニット７の大きさも第１のガス拡散層８の大きさも、セルフレーム１００によって囲まれた領域より大きくならないように選択されるべきである。次に、セルフレーム１００と導電性閉鎖層との間を封止するためのもう一つのシールが導入されると有利である。このシールは、場合によっては、既にセルフレーム１００または導電性閉鎖層９の一部であるようにすることもできる。次いで、導電性閉鎖層９を第１のガス拡散層８の上に配置する。この導電性閉鎖層９は機械的な固定手段で、この例ではねじ接続１０を用いて、セルフレーム１００に強固に固定される。図３は、組立のこの時点で、異なる層７、８、９、シール６およびねじ接続１０によってセルフレームがどのように形成されているかを示している。次のステップで、シール６、膜－電極ユニット７、第１のガス拡散層８および閉鎖層９を備えたセルフレーム１００が回転される。

Claims (11)

1. セルフレーム（１００）と、
   第１のシール（６）と、
   膜－電極ユニット（７）と、
   第１のガス拡散層（８）と、
   第２のガス拡散層（１１）と、
   導電性閉鎖層（９）と、
   を備えた電解セル（１）であって、
   前記セルフレーム（１００）が階段状の内部プロファイル（１０１）を有し、前記階段状の内部プロファイル（１０１）がセルフレーム（１００）内に平面状の構成要素を受け入れるための少なくとも１つの支持面（１０２）を含み、前記支持面（１０２）がシール（６）用の凹部（１０３）を含んでおり、
   前記第１のシール（６）が前記支持面（１０２）の前記凹部（１０３）内に配置されており、
   前記膜－電極ユニット（７）が前記セルフレーム（１００）の支持面（１０２）および前記シール（６）を覆っており、
   前記第１のガス拡散層（８）が前記膜－電極ユニット（７）の第１の面と接しており、
   前記第２のガス拡散層（１１）が前記膜－電極ユニット（７）の第２の面と接しており、
   前記導電性閉鎖層（９）が前記第１のガス拡散層（８）の上に配置されており、前記セルフレーム（１００）と強固に結合されている電解セルにおいて、
   前記膜－電極ユニット（７）および前記第１のガス拡散層（８）の外形輪郭が前記シール（６）を越えて突き出ている、電解セル（１）。
2. 前記膜－電極ユニット（７）、前記第１のガス拡散層（８）および前記第２のガス拡散層（１１）の大きさが、前記セルフレーム（１００）の前記内部プロファイル（１０１）によって囲まれた面積よりも小さい、請求項１に記載の電解セル（１）。
3. 前記導電性閉鎖層（９）の大きさが、前記セルフレーム（１００）の前記内部プロファイル（１０１）によって囲まれた面積よりも大きい、請求項１または２に記載の電解セル（１）。
4. 前記セルフレーム（１００）が１つの加工部材で構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の電解セル（１）。
5. 前記セルフレーム（１００）が少なくとも３０００ｃｍ^２の面積を囲んでいる、請求項１から４のいずれか１項に記載の電解セル（１）。
6. 前記セルフレーム（１００）が電気絶縁性を有するように構成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の電解セル（１）。
7. 前記セルフレーム（１００）が電気絶縁材料を含む、請求項５に記載の電解セル（１）。
8. 前記凹部内で第１のシールが前記セルフレームに強固に結合されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の電解セル（１）。
9. フレーム上面（１０４）と前記導電性閉鎖層（９）との間に第２のシールが配置されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の電解セル（１）。
10. セルフレーム（１００）を準備するステップであって、前記セルフレーム（１００）が階段状の内部プロファイル（１０１）を有し、前記階段状の内部プロファイル（１０１）が前記セルフレーム（１００）内に平面状の構成要素を受け入れるための少なくとも１つの支持面（１０２）を含み、前記支持面（１０２）がシール（６）用の凹部（１０３）を含む、ステップと、
    前記支持面（１０２）の前記凹部（１０３）に第１のシール（６）を配置するステップと、
    前記支持面（１０２）上に膜－電極ユニット（７）を配置するステップであって、前記膜－電極ユニット（７）が前記セルフレーム（１００）の前記支持面（１０２）および前記シール（６）を覆う、ステップと、
    前記膜－電極ユニット（７）の第１の面上に第１のガス拡散層（８）を配置するステップであって、前記膜－電極ユニット（７）および前記第１のガス拡散層（８）の外形輪郭が前記シール（６）を越えて突き出ている、ステップと、
    前記第１のガス拡散層（８）および前記セルフレーム（１００）の上に、導電性閉鎖層（９）を配置するステップと、
    前記導電性閉鎖層（９）を前記セルフレーム（１００）に機械的に固定するステップと、
    前記シール（６）、前記膜－電極ユニット（７）、前記第１のガス拡散層（８）および前記閉鎖層（９）を備えた前記セルフレーム（１００）を、前記閉鎖層（９）が下側に配置されるとともに、前記膜－電極ユニット（７）が上側に配置されるように、回転させるステップと、
    前記セルフレーム（１００）内の前記膜－電極ユニット（７）の第２の面上に第２のガス拡散層（１１）を被着するステップと、
    前記セルフレーム（１００）内でこれらの層を固定するステップと、
    を有する電解セル（１）の製造方法。
11. 前記閉鎖層（９）の前記セルフレーム（１００）への機械的固定がねじ接続（１０）、リベット止めまたはクランプによって行われる、請求項１０に記載の方法。
    

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