WO2022184199A1 - Elektrolyseplatte für die wasserstoffproduktion und verfahren zum herstellen einer elektrolyseplatte - Google Patents

Elektrolyseplatte für die wasserstoffproduktion und verfahren zum herstellen einer elektrolyseplatte Download PDF

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WO2022184199A1
WO2022184199A1 PCT/DE2022/100058 DE2022100058W WO2022184199A1 WO 2022184199 A1 WO2022184199 A1 WO 2022184199A1 DE 2022100058 W DE2022100058 W DE 2022100058W WO 2022184199 A1 WO2022184199 A1 WO 2022184199A1
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WO
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embossed
elements
electrolysis
electrolysis plate
embossing
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PCT/DE2022/100058
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English (en)
French (fr)
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Ramon Jurjanz
Ansgar Ringleb
Benedikt WEHNER
Marcel EHMANN
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes

Definitions

  • the invention relates to an electrolysis plate suitable for use in an electrolysis plant for the production of hydrogen.
  • the invention also relates to a method for fixing an electrolytic plate.
  • a device for generating hydrogen by means of electrolysis is described in EP 2 507 410 B1, for example.
  • the electrolysis system described should be suitable for being operated with water which is taken from a salt, brackish or fresh water source.
  • the water is fed to a carrier gas stream, so that at least part of the water is absorbed in evaporated form in the carrier gas stream.
  • the carrier gas stream loaded in this way is finally fed to an electrolyzer.
  • electrochemical systems described in the documents WO 2019/121947 A1 and WO 2020/030644 A1 each have arrangements of a plurality of separator plates, which delimit fluid spaces.
  • the electrochemical systems described can be fuel cells or electrolytic cells.
  • EP 3 725 916 A1 discloses an electrolysis plate intended for use in a device for generating hydrogen, which has an opening for gas to pass through, the edges of the opening being covered with an electrically non-conductive material.
  • a bipolar electrical vessel is known from EP 3 575 442 A1, which is provided for the production of hydrogen.
  • the anode and/or cathode of the vessel is designed as a porous electrode.
  • At a membrane of the bipolar vessel is a porous membrane with inorganic components.
  • the device according to EP 3 575 442 A1 is said to be suitable for alkaline electrolysis.
  • the invention is based on the object of further developing the production of electrolytic plates compared to the prior art, with production engineering and fluidic aspects being taken into account.
  • the electrolytic plate comprises at least one embossed metal sheet, which is designed to limit a flow channel and has individual, teardrop-shaped embossed elements.
  • each drop-shaped embossing element has a point of maximum embossing depth whose distance from one end of the drop is at least 1.2 times and at most 2.4 times the distance from the other end of the drop.
  • a punctiform area in which the maximum embossing depth is given there can also be a flat area in which the embossing depth is consistently maximum.
  • the specified relation between the different distances refers to the distances to be measured in the longitudinal direction, on the one hand between the tip of the teardrop-shaped embossing element and the widest point of the embossing element and on the other hand between this widest point and the rear end of the embossing element. If you imagine the embossing element as a falling drop, the so-called rear end of the drop would be at the top.
  • the embossed elements have a three-dimensional, streamlined design. All embossing elements can have a uniform shape within an embossing structure of the electrolysis plate. Likewise, embodiments of the electrolysis plate can be realized in which different embossed elements exist within the embossed structure. In this way, it is possible, in particular, to direct the flow in a targeted manner at points at which a fluid is introduced into an active field or discharged from it.
  • embossed elements of the electrolysis plate can be similar in the geometric sense, that is, with identical dimensional ratios, they can only be scaled.
  • embossed elements of one and the same electrolysis plate can have fundamentally different characteristics, in particular length-width ratios.
  • a contour of the embossing element which starts at the end that has the smaller distance to the point of maximum elevation, ie from the so-called front end, can describe a parabolic shape, for example.
  • the embossed elements can form a row-column arrangement, with an overlap between embossed elements in at least one direction.
  • the rows in which the embossed elements are arranged can overlap, as can the columns, which are each formed by a row of embossed elements. In this way, an embossed structure can be provided with which an electrolytic plate is particularly resistant to buckling loads.
  • embossing elements are aligned in the same direction, typically in the desired flow direction of a fluid.
  • Variants can also be implemented in which the embossed elements are aligned in columns in alternating directions, namely in the longitudinal direction of the metal sheet from which the electrolysis plate is made, or in the opposite direction.
  • a particularly dense packing of the embossing elements can be achieved on a given area, which means a particularly large total surface area of the electrolysis plate compared to its base area.
  • the embossed elements can be positioned at an angle relative to the longitudinal direction of the electrolytic plate.
  • the embossing elements can form a pattern with the individual, at least slightly elongated elements being inclined in alternating columns. Pronounced flow-guiding effects can be achieved particularly with such a pattern, in which the slanted embossed elements of one column engage like a zipper in the adjacent columns, in which an opposite orientation of the slanted position of the embossed elements is given.
  • embossing elements are designed as elevations, whereas the other part of the embossing elements is designed as similarly shaped depressions.
  • the embossing depth of the embossing elements to be measured separately on each side of the sheet, i.e. for example the top and bottom in the case of a horizontal arrangement is in typical configurations at least three times, but not more than ten times the sheet thickness related to the non-embossed area of the sheet.
  • a large structured, ie embossed, surface is provided in relation to the outer dimensions of the electrolysis plate, and on the other hand an excessive reduction in the material thickness in the formed areas of the electrolysis plate is avoided.
  • a gas diffusion layer can be located on the embossed structure of the electrolytic plate formed by the embossed elements.
  • the gas diffusion layer lies practically flat on the embossing structure, with the design of the droplet profiles resulting in a targeted flow in the direction of the gas diffusion layer in the entire embossing area.
  • the dynamic pressure for which the electrochemical cell is designed plays a role, among other things.
  • a bipolar plate of an electrochemical device can be provided with the electrolysis plate.
  • the electrolytic plate can be produced efficiently by forming a metal sheet, with an embossed structure being produced within the metal sheet in the form of individual teardrop-shaped embossed elements spaced apart from one another.
  • the reshaping can take place in particular in a continuous process, for example a rolling process.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an electrolysis plate for water electrolysis
  • Fig. 2 shows a detail of the electrolysis plate according to Fig. 1
  • 3 shows the electrolytic plate according to FIG. 1 in a sectional view including a gas diffusion layer
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of an electrolysis plate in a representation analogous to FIG. 2,
  • FIG. 5 shows the electrolysis plate according to FIG. 4 in a sectional view
  • FIG. 6 shows an embossed element of the electrolysis plate according to FIG. 4,
  • FIG. 7 shows an embossed element of the electrolysis plate according to FIG. 1,
  • FIG. 10 shows an embossed structure with raised and recessed embossed elements.
  • the electrolysis plate 1 is designed as a profile sheet 2, which has a frame-shaped connection area 3 and, in this area, a 3 lying rectangular profile area 4 has.
  • the profile sheet 2 is sheet steel, which can be coated.
  • a medium in particular an acidic or alkaline aqueous liquid, flows on the surface of the profile area 4 essentially in the longitudinal direction LR of the profile sheet 2.
  • the width of the profile sheet 2 is indicated as B 2 and the height of the profile sheet 2 as H 2 .
  • the profile area 4 has a width B 4 and a height H 4 .
  • connection area 3 there are openings 6, which allow media to be passed through, as well as bores 5, which are smaller than the circular openings 6, and through which the tensioning anchors (not shown) can be inserted, in order to mechanically connect numerous electrolysis plates 1 within a stack to one another associate.
  • a profiling in the form of an embossed pattern 8 is formed in the profile area 4 .
  • the profiling designed as an embossed pattern 8 has an aerodynamic function and also increases the mechanical stability of the electrolytic plate 1 compared to a flat plate.
  • the embossed pattern 8 is in the form of individual embossed elements 10, 24, which have rows 7 and columns 9 form. In this case, each row 7 is arranged transversely to the longitudinal direction LR of the profile area 4, whereas the columns 9 are aligned in the longitudinal direction LR.
  • the longitudinal direction LR corresponds to the x-direction.
  • the embossed elements 10, 24 are drop-shaped and contribute significantly to the flowable medium flowing predominantly in a laminar manner and without cavitation in the active field, which is profiled by the embossed pattern 8.
  • a gas diffusion layer resting on the profile sheet 2 is denoted by 11 .
  • the extension of each embossed element 10, 24 in the longitudinal direction LR is indicated with B10.
  • the embossing depth of the embossing elements 10, 24 is indicated with Hs, regardless of whether it is a raised embossing element 10 or a recessed embossing element 24.
  • the embossing depth Hs is at least three times the sheet thickness d of the profiled sheet 2, the sheet thickness d being measured in the planar area of the sheet 2 labeled 14.
  • the embossing elements 10, 24 have a streamline shape, which is also referred to as a drop shape.
  • the tip of each embossing element 10, 24 is denoted by 12, and the rear end of the embossing element 10, 24 is denoted by 13.
  • a front area 21 of the embossing element 10 , 24 starting from the tip 12 merges into a rear area 22 which extends to the end 13 .
  • a point 17 of maximum embossing depth is located at the boundary between the front area 21 and the rear area 22. Since, depending on the embodiment, a uniform embossing depth can be given over an extended region, an area 17 of maximum embossing depth is generally spoken of.
  • the length of the front area 21 is denoted by L21, the length of the area 22 by L22.
  • the sum of the lengths L21, L22 of the areas 21, 22 corresponds to the extension B10 of the embossing element 10, 24.
  • the length L21 of the front area 21 to be measured between the tip 12 and the selective area 17 is at least 30% and no more than 45 % of the total extent B10 of the embossed element 10, 24 in the longitudinal direction LR.
  • a front contour 18 extends from the tip 12 and is at least partially parabolic or approximates the shape of a parabola.
  • In the rear area 22 lie lowing flanks 19, which represent sections of the outer contour of the embossed element 10, 24, go towards the end 13 in a curved rear contour 20 over.
  • At each point of the tail contour 20 there is a finite radius of curvature; a pointed end of the embossing element 10, 24 is avoided in all cases.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 8 differs from this in that the embossed elements 10 in a first column 9 are aligned in a first direction and the embossed elements 10 in the next column 9 are aligned in the opposite direction. There is thus an alternating alignment of the embossed elements 10 in columns 9 arranged next to one another.
  • This arrangement of the embossed elements 10 has the advantage that a particularly large proportion of the profile area 4 can be filled with embossed elements 10, ie the planar area 14 within the embossed pattern 8 is minimized.
  • all the embossed elements 10 are positioned at an angle to the longitudinal direction LR in such a way that overall a pattern 23 is formed with the embossed elements 10 being positioned alternately in columns.
  • An advantage of this design lies in particular in a particularly large contact area with the gas diffusion layer.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 10 differs from the exemplary embodiment according to FIG. 1 in that there is an alternating line 7 in which the embossed elements 10 are designed as elevations, and a next line 7 in which the embossed elements 24 are depressions acts.
  • the shape of the embossed elements 10, 24 protruding from the flat area 14 in opposite directions is identical. Also in the case of FIG. 10 there is an overlap between adjacent rows 7 and between adjacent columns 9 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseplatte (1), insbesondere für die Wasserstoffherstellung, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung, welche mindestens ein geprägtes Blech (2) umfasst, welches zur Begrenzung eines Strömungskanals ausgebildet ist und einzelne, tropfenförmige Prägeelemente (10, 24) aufweist.

Description

Elektrolvseplatte für die Wasserstoffproduktion und
Verfahren zum Herstellen einer Elektrolvseplatte
Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einer Elektrolyseanlage zur Fierstellung von Wasserstoff geeignete Elektrolyseplatte. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfah ren zum Fierstellen einer Elektrolyseplatte.
Eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff mittels Elektrolyse ist beispielsweise in der EP 2 507 410 B1 beschrieben. Die beschriebene Elektrolyseanlage soll dazu geeignet sein, mit Wasser betrieben zu werden, welches aus einer Salz-, Brack- oder Süßwasserquelle entnommen wird. Das Wasser wird hierbei einem Trägergasstrom zugeführt, so dass wenigstens ein Teil des Wassers in verdunsteter Form im Träger gasstrom aufgenommen wird. Der auf diese Weise beladene Trägergasstrom wird schließlich einem Elektrolysator zugeführt.
Verschiedene in den Dokumenten WO 2019/121947 A1 und WO 2020/030644 A1 be schriebene elektrochemische Systeme weisen jeweils Anordnungen aus mehreren Separatorplatten auf, durch die Fluidräume begrenzt sind. Bei den beschriebenen elektrochemischen Systemen kann es sich um Brennstoffzellen oder Elektrolysezelle handeln.
Die EP 3 725 916 A1 offenbart eine zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Generie rung von Wasserstoff vorgesehene Elektrolyseplatte, welche eine Öffnung zur Durch leitung von Gas aufweist, wobei Ränder der Öffnung mit einem elektrisch nicht leitfä higen Material abgedeckt sind.
Aus der EP 3 575 442 A1 ist ein bipolares elektrisches Gefäß bekannt, welches zur Fierstellung von Wasserstoff vorgesehen ist. Die Anode und/oder Kathode des Gefä ßes ist als poröse Elektrode ausgebildet. Bei einer Membran des bipolaren Gefäßes handelt es sich um eine poröse Membran mit anorganischen Bestandteilen. Die Vor richtung nach der EP 3 575 442 A1 soll zur alkalischen Elektrolyse geeignet sein.
Methoden zur Einbindung von Wasserstoffelektrolysesystemen in umfassendere Sys teme, in denen ein Energie- und/oder Medienfluss stattfindet, sind zum Beispiel in den Dokumenten WO 2014/144556 A1 und DE 202011 102 525U1 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Elektrolyseplatten ge genüber dem Stand der Technik weiter zu entwickeln, wobei Fertigungstechnischen ebenso wie strömungstechnischen Aspekten Rechnungen getragen werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine insbesondere für die Wasser stoffelektrolyse geeignete Elektrolyseplatte nach Anspruch 1. Ebenso wird die Aufga be gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrolyseplatte gemäß Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Aus gestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt die Elektrolyseplatte, sowie eine mehrere solcher Platten umfassende Elekt rolyseanlage.
Die Elektrolyseplatte umfasst mindestens ein geprägtes Blech, welches zur Begren zung eines Strömungskanals ausgebildet ist und einzelne, tropfenförmige Prägeele mente aufweist.
Die in der Draufsicht auf die Plattenebene tropfenförmigen, das heißt im Wesentlichen stromlinienförmigen Prägeelemente sind rationell durch umformende Verfahren her stellbar und tragen wesentlich zur mechanischen Stabilität der Elektrolyseplatte bei. Dies ist insbesondere bei großtechnischen Elektrolyseanlagen zur Herstellung von Wasserstoff relevant. Ebenso kann die Elektrolyseplatte in einer Brennstoffzelle oder in einer Redox-Flow-Zelle zum Einsatz kommen. Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen weist jedes tropfenförmige Prä geelement einen Punkt maximaler Prägetiefe auf, dessen Abstand zum einen Ende des Tropfens mindestens das 1 ,2-fache und maximal das 2,4-fache des Abstandes zum anderen Ende des Tropfens beträgt. Statt eines punktuellen Bereiches, in wel chem die maximale Prägetiefe gegeben ist, kann hierbei auch ein flächiger Bereich, in dem die Prägetiefe durchgehend maximal ist, existieren. In diesem Fall bezieht sich die angegebene Relation zwischen den verschiedenen Abständen auf die in Längs richtung zu messenden Abstände einerseits zwischen der Spitze des tropfenförmigen Prägeelementes und der breitesten Stelle des Prägeelementes und andererseits zwi schen dieser breitesten Stelle und dem hinteren Ende des Prägeelementes. Stellt man sich das Prägeelement als fallenden Tropfen vor, so würde sich das sogenannte hin tere Ende des Tropfens oben befinden. Insgesamt ist in jedem Fall ein dreidimensio nales, stromlinienförmiges Design der Prägeelemente gegeben. Innerhalb einer Prä gestruktur der Elektrolyseplatte können sämtliche Prägeelemente eine einheitliche Form aufweisen. Ebenso sind Ausführungsformen der Elektrolyseplatte realisierbar, in welchen innerhalb der Prägestruktur verschiedene Prägeelemente existieren. Damit ist insbesondere eine gezielte Strömungsleitung an Stellen, an welchen ein Fluid in ein Aktivfeld eingeleitet oder aus diesem ausgeleitet wird, möglich.
Sofern verschieden geformte Prägeelemente der Elektrolyseplatte existieren, können diese im geometrischen Sinne ähnlich, das heißt bei identischen Abmessungsverhält nissen lediglich skaliert, sein. Ebenso können Prägeelemente ein und derselben Elekt rolyseplatte grundsätzlich unterschiedliche Merkmale, insbesondere Längen-Breiten- Verhältnisse, aufweisen. In beiden Fällen kann eine Kontur des Prägeelementes, wel che von demjenigen Ende, das den geringeren Abstand zum Punkt maximaler Erhe bung hat, das heißt vom sogenannten vorderen Ende, ausgeht, beispielsweise eine Parabelform beschreiben. Scharfkantige Strukturen werden in sowohl strömungstech nisch als auch fertigungstechnisch vorteilhaften Ausgestaltungen innerhalb des Prä geelemente ebenso wie an Übergängen zwischen dem Prägeelement und einem das Prägeelement allseitig umgebenden ebenen Bereich der Elektrolyseplatte vermieden. Die Prägeelemente können eine Zeilen-Spalten-Anordnung bilden, wobei eine Über lapp zwischen Prägeelementen in zumindest einer Richtung gegeben ist. Insbesonde re können sich sowohl die Zeilen, in welchen die Prägeelemente angeordnet sind, überlappen, als die Spalten, welche jeweils durch eine Reihe an Prägeelementen ge bildet sind. Auf diese Weise ist eine Prägestruktur bereitstellbar, mit welcher eine Elektrolyseplatte besonders widerstandsfähig gegen Knickbelastungen ist.
Was die Ausrichtung der einzelnen tropfenförmigen Prägeelemente auf der Elektroly seplatte betrifft, existieren zahlreiche mögliche Varianten. Im einfachsten Fall sind sämtliche Prägeelemente in derselben Richtung, typischerweise in der gewünschten Strömungsrichtung eines Fluids, ausgerichtet. Ebenso sind Varianten realisierbar, in denen die Prägeelemente spaltenweise in alternierende Richtungen, nämlich in Längsrichtung des Bleches, aus welchem die Elektrolyseplatte gefertigt ist, bezie hungsweise in die Gegenrichtung, ausgerichtet sind. Mit dieser Variante ist eine be sonders dichte Packung der Prägeelemente auf einer vorgegebenen Fläche erzielbar, was eine besonders große Gesamtoberfläche der Elektrolyseplatte im Vergleich zu ih rer Grundfläche bedeutet. Alternativ können die Prägeelemente gegenüber der Längs richtung der Elektrolyseplatte schräg gestellt sein. Insbesondere kann durch die Prä geelemente ein Muster mit spaltenweise alternierender Schrägstellung der einzelnen, zumindest geringfügig länglichen Elemente gebildet sein. Besonders mit einem sol chen Muster, in welchem die schräg gestellten Prägeelemente einer Spalte reißver schlussartig in die benachbarten Spalten, in welche eine entgegengesetzte Orientie rung der Schrägstellung der Prägeelemente gegeben ist, eingreifen, sind ausgeprägte strömungsleitende Effekte erzielbar.
Gemäß möglicher Weiterbildungen, die mit sämtlichen bereits beschriebenen geomet rischen Merkmalen der Elektrolyseplatte kombinierbar sind, ist ein Teil der Prägeele mente als Erhebungen ausgebildet, wogegen, der andere Teil der Prägeelemente als gleichartig geformte Vertiefungen ausgebildet ist. Damit sind auf beiden Seiten der Elektrolyseplatte gleiche strömungstechnische Bedingungen herstellbar. Die zu jeder Seite des Bleches, das heißt beispielsweise Oberseite und Unterseite im Fall einer ho rizontalen Anordnung, separat zu messende Prägetiefe der Prägeelemente beträgt in typischen Ausgestaltungen mindestens das Dreifache, jedoch nicht mehr als das Zehnfache der auf den nicht geprägten Bereich des Bleches bezogenen Blechdicke. Damit wird zum einen eine in Relation zu den äußeren Abmessungen der Elektrolyse platte große strukturierte, das heißt geprägte, Oberfläche zur Verfügung gestellt, und zum anderen eine zu starke Reduktion der Materialstärke in den umgeformten Berei chen der Elektrolyseplatte vermieden.
Innerhalb einer fertiggestellten elektrochemischen Zelle kann sich auf der durch die Prägeelemente gebildeten Prägestruktur der Elektrolyseplatte eine Gasdiffusions schicht befinden. Trotz der voneinander getrennten Anordnung der einzelnen Prä geelemente liegt die Gasdiffusionsschicht hierbei praktisch flächig auf der Prägestruk tur auf, wobei sich durch die Ausgestaltung der Tropfenprofile eine gezielte Strömung in Richtung Gasdiffusionsschicht im gesamten Prägebereich ergibt. Was die auf den Einzelfall abzustimmende Form und Anordnung der Prägeelemente betrifft, spielt un ter anderem der Staudruck, auf welchen die elektrochemische Zelle ausgelegt ist, eine Rolle. Mit der Elektrolyseplatte kann insbesondere eine Bipolarplatte einer elektro chemischen Vorrichtung bereitgestellt werden.
Die Elektrolyseplatte ist rationell durch Umformung eines Bleches herstellbar, wobei innerhalb des Bleches eine Prägestruktur in Form einzelner, voneinander beabstande- ter tropfenförmiger Prägeelemente erzeugt wird. Die Umformung kann insbesondere in einem kontinuierlichen Verfahren, beispielsweise Walzverfahren, erfolgen.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Elektrolyseplatte für die Wasser elektrolyse,
Fig. 2 ein Detail der Elektrolyseplatte nach Fig. 1 , Fig. 3 die Elektrolyseplatte nach Fig. 1 in einer Schnittdarstellung einschließlich einer Gasdiffusionsschicht,
Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung einer Elektrolyseplatte in einer Darstel lung analog Fig. 2,
Fig. 5 die Elektrolyseplatte nach Fig. 4 in einer Schnittdarstellung,
Fig. 6 ein Prägeelement der Elektrolyseplatte nach Fig. 4,
Fig. 7 ein Prägeelement der Elektrolyseplatte nach Fig. 1 ,
Fig. 8 eine alternative Anordnung von Prägeelementen einer Prägestruktur ei ner Elektrolyseplatte,
Fig. 9 eine weitere mögliche Anordnung von Prägeelementen einer Prägestruk tur einer Elektrolyseplatte,
Fig. 10 eine Prägestruktur mit erhabenen und vertieften Prägeelementen.
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämt liche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile und Konturen sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen gekenn zeichnet.
Die Elektrolyseplatte 1 ist in sämtlichen Ausführungsformen als Profilblech 2 gestaltet, welches einen rahmenförmigen Verbindungsbereich 3 und einen in diesem Bereich 3 liegenden rechteckigen Profilbereich 4 aufweist. Bei dem Profilblech 2 handelt es sich um Stahlblech, welches beschichtet sein kann.
An der Oberfläche des Profilbereichs 4 strömt ein Medium, insbesondere eine saure oder alkalische wässrige Flüssigkeit, im Wesentlichen in Längsrichtung LR des Pro filblechs 2. Die Breite des Profilblechs 2 ist mit B2, die Höhe des Profilblechs 2 mit H2 angegeben. Der Profilbereich 4 weist eine Breite B4 und eine Höhe H4 auf.
Innerhalb des Verbindungsbereichs 3 befinden sich Öffnungen 6, welche die Durchlei tung von Medien ermöglichen, sowie im Vergleich zu den kreisrunden Öffnungen 6 kleinere Bohrungen 5, durch die nicht dargestellte Spannanker gesteckt werden kön nen, um zahlreiche Elektrolyseplatten 1 innerhalb eines Stacks mechanisch miteinan der zu verbinden.
Im Profilbereich 4 ist eine Profilierung in Form eines Prägemusters 8 ausgebildet. Die als Prägemusters 8 gestaltete Profilierung hat zum einen eine strömungstechnische Funktion und erhöht zum anderen im Vergleich zu einer ebenen Platte die mechani sche Stabilität der Elektrolyseplatte 1. Das Prägemuster 8 liegt in Form einzelner Prä geelemente 10, 24 vor, welche Zeilen 7 und Spalten 9 bilden. Hierbei ist jede Zeile 7 quer zur Längsrichtung LR des Profilbereichs 4 angeordnet, wogegen die Spalten 9 in Längsrichtung LR ausgerichtet sind. Ein gasförmiges oder flüssiges Medium, welches über den Profilbereich 4 strömt, fließt im Wesentlichen in Längsrichtung LR. In den Fi guren 2 und 4 entspricht die Längsrichtung LR der x-Richtung.
Die Prägeelemente 10, 24 sind tropfenförmig gestaltet und tragen maßgeblich dazu bei, dass das fließfähige Medium überwiegend laminar und ohne Kavitation im Aktiv feld, welches durch das Prägemuster 8 profiliert ist, strömt. Eine auf dem Profilblech 2 aufliegender Gasdiffusionsschicht ist mit 11 bezeichnet. Die Erstreckung eines jedes Prägeelementes 10, 24 in Längsrichtung LR ist mit B10 angegeben. In Querrichtung hierzu ist eine Erstreckung H10 der Prägeelemente 10, 24 gegeben. Die Prägetiefe der Prägeelemente 10, 24 ist mit Hs angegeben, unabhängig davon, ob es sich um ein erhabenes Prägeelement 10 oder vertieftes Prägeelement 24 handelt. Die Prägetiefe Hs beträgt mindestens das Dreifache der Blechdicke d des Profilblechs 2, wobei die Blechdicke d im mit 14 bezeichneten ebenen Bereich des Blechs 2 zu messen ist.
Die Prägeelemente 10, 24 weisen eine Stromlinienform auf, welche auch als Tropfen form bezeichnet wird. Die Spitze eines jeden Prägeelementes 10, 24 ist mit 12, das hintere Ende des Prägeelementes 10, 24 mit 13 bezeichnet. Ein von der Spitze 12 ausgehender Frontbereich 21 des Prägeelementes 10, 24 geht in einen Heckbereich 22 über, welcher sich bis zum Ende 13 erstreckt. Ein mit 17 bezeichneter Punkt ma ximaler Prägetiefe befindet sich an der Grenze zwischen dem Frontbereich 21 und dem Heckbereich 22. Da je nach Ausführungsform eine über eine ausgedehntere Re gion einheitliche Prägetiefe gegeben sein kann, wird allgemein von einem Bereich 17 maximaler Prägetiefe gesprochen. Die Länge des Frontbereichs 21 ist mit L21, die Länge des Bereichs 22 mit L22 bezeichnet. Die Summe aus den Längen L21, L22 der Bereiche 21 , 22 entspricht der Erstreckung B10 des Prägeelementes 10, 24. Die zwi schen der Spitze 12 und dem punktuellen Bereich 17 zu messende Länge L21 des Frontbereichs 21 beträgt mindestens 30% und nicht mehr als 45% der gesamten Er streckung B10 des Prägeelementes 10, 24 in Längsrichtung LR.
Von der Spitze 12 geht eine Frontkontur 18 aus, welche zumindest abschnittsweise parabelförmig ist oder der Form einer Parabel angenähert ist. Im Heckbereich 22 lie gende Flanken 19, die Abschnitte der äußeren Kontur des Prägeelementes 10, 24 darstellen, gehen zum Ende 13 hin in eine gekrümmte Heckkontur 20 über. An jedem Punkt der Heckkontur 20 ist ein endlicher Krümmungsradius gegeben; ein spitzes Auslaufen des Prägeelementes 10, 24 wird in allen Fällen vermieden.
Durch die Zeilen-Spalten-Anordnung der Prägeelemente 10, 24 sind Überlappberei che 15 zwischen den Zeilen 7 und Überlappbereiche 16 zwischen den Spalten 9 ge- geben. Die Breite der Überlappbereiche 15 ist mit U15, die Breite der Überlappberei che 16 mit Ü16 angegeben. In den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 bis 7 sind sämtliche Prägeelemente 10 gleich ausgerichtet.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 unterscheidet sich hiervon dadurch, dass die Prägeelemente 10 in einer ersten Spalte 9 in eine erste Richtung und die Prägeele mente 10 der nächsten Spalte 9 in Gegenrichtung ausgerichtet sind. Es liegt somit ei ne alternierende Ausrichtung der Prägeelemente 10 in nebeneinander angeordneten Spalten 9 vor. Diese Anordnung der Prägeelemente 10 hat den Vorteil, dass ein be sonders großer Anteil des Profilbereichs 4 mit Prägeelementen 10 gefüllt sein kann, das heißt der ebene Bereich 14 innerhalb des Prägemusters 8 minimiert ist. Dies kommt insbesondere der mechanischen Stabilität des Profilblechs 2 zugute, wobei zugleich günstige strömungstechnische Eigenschaften gegeben sind und die Gesamt oberfläche der Elektrolyseplatte 1 maximiert ist, was auch hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften von Vorteil ist.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 sind sämtliche Prägeelemente 10 derart schräg zur Längsrichtung LR gestellt, so dass insgesamt ein Muster 23 mit spaltenweise al ternierender Schrägstellung der Prägeelemente 10 gebildet ist. Ein Vorteil dieser Ge staltung liegt insbesondere in einer besonders großen Kontaktfläche zur Gasdiffusi onsschicht.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 unterscheidet sich vom Ausführungsbespiel nach Fig. 1 dadurch, dass alternierend eine Zeile 7 vorliegt, in welcher die Prägeele mente 10 als Erhebungen gestaltet sind, und eine nächste Zeile 7, in welcher es sich bei den Prägeelementen 24 um Vertiefungen handelt. Die Form der in entgegenge setzte Richtungen aus dem ebenen Bereich 14 herausragenden Prägeelemente 10, 24 ist identisch. Auch im Fall von Fig. 10 ist ein Überlapp zwischen benachbarten Zei len 7 sowie zwischen benachbarten Spalten 9 gegeben. Bezuqszeichenliste
1 Elektrolyseplatte
2 Profilblech
3 Verbindungsbereich
4 Profilbereich
5 Bohrung
6 Öffnung
7 Zeile
8 Prägemuster
9 Spalte
10 Prägeelement, Erhebung
11 Gasdiffusionsschicht
12 Spitze des Prägeelementes
13 hinteres Ende des Prägeelementes
14 ebener Bereich des Profilbleches
15 Überlappbereich zwischen den Zeilen
16 Überlappbereich zwischen den Spalten
17 Bereich maximaler Prägetiefe
18 parabelförmige Fronkontur
19 Flanke
20 gekrümmte Fleckkontur
21 Frontbereich
22 Fleckbereich
23 Muster mit schräggestellten Prägeelementen
24 Prägeelement, Vertiefung
B2 Breite des Profilblechs B4 Breite des Profilbereichs
B10 Erstreckung des Prägeelementes in Längsrichtung d Blechdicke H2 Flöhe des Profilblechs PU Flöhe des Profilbereichs Hs Prägetiefe des Prägemusters
H10 Erstreckung des Prägeelementes in Querrichtung l_2i Länge des Frontbereichs
L22 Länge des Heckbereichs
LR Längsrichtung
U15 Breite des Überlappbereichs zwischen den Zeilen U16 Breite des Überlappbereichs zwischen den Spalten

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolyseplatte (1 ), umfassend mindestens ein geprägtes Blech (2), welches zur Begrenzung eines Strömungskanals ausgebildet ist und einzelne, tropfen förmige Prägeelemente (10, 24) aufweist.
2. Elektrolyseplatte (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes tropfenförmige Prägeelement (10, 24) einen Bereich (17) maximaler Prägetiefe aufweist, dessen Abstand (L22) zum einen Ende (13) des in Tropfenform vorlie genden Prägeelementes (10, 24) mindestens das 1,2-fache und maximal das 2,4-fache des Abstandes (L21) zum anderen Ende (12) des Prägeelementes (10, 24) beträgt.
3. Elektrolyseplatte (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontur (18) des Prägeelementes (10, 24), welche von demjenigen Ende (12) ausgeht, das den geringeren Abstand (L21) zum Bereich (17) maximaler Erhe bung hat, eine Parabelform beschreibt.
4. Elektrolyseplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeilen-Spalten-Anordnung der Prägeelemente (10, 24) mit einem Überlapp zwischen Prägeelementen (10, 24) in zumindest einer Rich tung gegeben ist.
5. Elektrolyseplatte (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägeelemente (10, 24) spaltenweise in alternierende Richtungen, nämlich in Längsrichtung (LR) des Bleches (2) beziehungsweise in die Gegenrichtung, ausgerichtet sind.
6. Elektrolyseplatte (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägeelemente (10, 24) in einem Muster (23) mit spaltenweise alternieren der Schrägstellung angeordnet sind.
7. Elektrolyseplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Prägeelemente (10) als Erhebungen und ein ande rer Teil der Prägeelemente (24) als gleichartig geformte Vertiefungen ausgebil det ist.
8. Elektrolyseplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägetiefe (Hs) der Prägeelemente (10, 24) mindestens das Dreifache der Dicke (d) des Bleches (2) beträgt.
9. Verwendung einer Elektrolyseplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Elektrolyseanlage zur Herstellung von Wasserstoff.
10. Verfahren zum Herstellen einer Elektrolyseplatte (1), umfassend die Umfor mung eines Bleches (2), wobei innerhalb des Bleches (2) in einem kontinuierli chen Prozess ein Prägemuster (8) in Form einzelner, voneinander beabstande- ter tropfenförmiger Prägeelemente (10, 24) erzeugt wird.
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