WO2024251322A1 - Verfahren zur herstellung einer offen-porösen transportlage zum einsatz in einer elektrolysezelle; offen-poröse transportlage - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer offen-porösen transportlage zum einsatz in einer elektrolysezelle; offen-poröse transportlage Download PDF

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WO2024251322A1
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transport layer
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winding body
mat
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Ramon Jurjanz
Carsten Liebert
Matthias Mueller
Philipp Hoerning
Lukas KNEISEL
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an open-porous transport layer for use in an electrolysis cell.
  • the invention further relates to an open-porous transport layer produced according to the method.
  • US 2023 047 374 A discloses a titanium felt that is compressed from microfibers and forms a random porous structure.
  • the titanium felt serves as an open-porous transport layer that is used as a fluid transport path in an electrolyzer or a fuel cell between a bipolar plate and the catalyst layer on a polymer electrolyte membrane.
  • WO 22 164 896 A1 describes an electrochemical cell or electrolysis cell containing a plurality of connecting layers which form a porous transport layer made of an oxidation-resistant metal.
  • WO 20 020 467 A1 discloses a method for producing a porous transport layer for an electrochemical cell, in particular an electrolyzer.
  • a metal powder mixed with a binder is applied to a porous metal layer in the form of a sintered metal plate, a metal fabric or a metal felt and sintered together after debinding.
  • an electrode for an electrochemical cell in particular an electrolyzer, which comprises a carrier element with an active layer containing at least one catalyst.
  • the carrier element has a decreasing porosity and/or a decreasing pore diameter over its thickness and can be made of stainless steel, titanium, a titanium alloy, nickel, a nickel alloy or graphite.
  • the carrier element can be in the form of a expanded metal, a wire mesh, a metal net, a perforated sheet, a fleece, a metal foam or a sintered structure.
  • Open-porous transport layers in the form of fiber mats made of titanium fibers that are currently available on the market have proven to be not very pressure-stable, so that they deform when used in an electrolysis cell. This locally reduces the fluid permeability and thus the performance of the cell.
  • Open-porous transport layers in the form of woven mats made of titanium wires that are still available on the market are limited in terms of the minimum mesh sizes, since the drawn titanium wire is brittle and cannot be woven tightly enough.
  • the object is achieved for the method for producing an open-porous transport layer for use in an electrolysis cell with the following steps: a) providing at least one wire with a wire thickness in the range of 0.05 to 0.5 mm; b) winding the at least one wire onto a rotating winding body to form a wire structure with a maximum mesh size of 2 mm; c) sintering the individual wires of the wire structure at their contact points to form a one-piece wire mat; and d) severing the wire mat and providing the severed wire mat or the wire mat pieces as a plate-shaped open-porous transport layer.
  • brittle wire materials can be arranged at a desired distance between the wires, so that open-pore transport layers with a wide range of permeabilities for fluids and sizes can be created. openings for the fluids.
  • the selected winding parameters such as wire diameter, winding spacing, crossing of wires at certain angles, etc., allow the properties of the open-porous transport layer to be influenced very simply and effectively.
  • the winding body is cylindrical, with the wire mat being cut once parallel to the axis of rotation of the winding body and being formed into a single plate-shaped, open-porous transport layer.
  • the wire mat surrounding the circumference of the winding body in a ring shape is cut open lengthwise and bent open so that it is in the shape of a plate.
  • the open-porous transport layer can then be pressed or rolled, in particular calendered, to a predetermined thickness, with the surface of the wire mat that was arranged facing away from the winding body preferably being smoothed at the same time.
  • the winding body is rectangular and the wire mat is severed at each edge of the winding body, whereby several flat wire mat pieces are formed, each of which forms an open-porous transport layer.
  • the winding body can be rotated about a first axis of rotation and the at least one wire can be wound up.
  • the winding body can then be rotated about at least one further axis of rotation aligned perpendicularly or tilted to the first axis of rotation and the at least one wire can be wound up further. This makes it possible to achieve a particularly uniform winding of the rectangular winding body with the at least one wire.
  • the flat wire mat pieces can be used directly or subjected to pressing or rolling, in particular calendering, in order to achieve a predetermined thickness of the open-porous transport layer. At the same time, the surface of the wire mat piece facing away from the winding body was smoothed.
  • winding bodies with other shapes can also be used.
  • shapes that produce a rectangular basic shape of the wire mat or wire mat pieces once they have been leveled have proven to be effective.
  • the wire used is preferably made of titanium or stainless steel, but other wire materials can also be used.
  • the wire mat is particularly preferably designed with a minimum mesh size of 0.03 mm.
  • the open-porous transport layer therefore has openings in the range of 0.03 to 2 mm.
  • a single wire is preferably wound with a minimum winding distance between two adjacent wire windings in the range of the wire diameter of the wire.
  • a wire of, for example, 0.05 mm diameter is therefore wound onto the winding body with a distance between the adjacent wires of at least 0.05 mm.
  • a wire of, for example, 2 mm diameter is therefore wound onto the winding body with a distance between the adjacent wires of at least 2 mm.
  • wires can be wound simultaneously or one after the other, which are wound in a crossing manner.
  • wire diameter the distance between adjacent wires and the type of winding, desired types of open-porous transport layers with defined open porosity or defined opening sizes can be easily formed.
  • the sintering of the individual wires of the wire structure in step c) of the method at their contact points to form a one-piece wire mat can be carried out on the one hand by bringing the wire structure to an elevated temperature in an oven at which the wires sinter together. This can preferably be carried out under increased gas pressure in order to accelerate the sintering. Alternatively or in combination with this, the wire can be heated by passing current through it and sintering the wires at the contact points.
  • the process can use a temperature-resistant winding body, for example made of ceramic, which can withstand the sintering of the individual wires of the wire structure to form a wire mat without damage and can be reused after the wire mat has been removed.
  • the winding body can be made of a material that does not withstand the sintering of the individual wires of the wire structure to form a wire mat without damage.
  • the wire mat can be removed from the winding body before sintering, if geometrically possible, and can then be reused.
  • a thermally decomposable winding body such as one made of wood, cardboard, wax or the like, with the winding body burning out during the sintering of the wires.
  • An open-porous transport layer formed by the method according to the invention has a thickness in the range of 0.05 to 5 mm.
  • the desired thickness of the open-pore transport layer can be achieved.
  • the thickness can be further reduced by smoothing, particularly by rolling, whereby the open porosity is slightly reduced.
  • the open-porous transport layer has a decreasing open porosity across its thickness. This is achieved, for example, by winding wire onto the winding body with a large winding distance followed by another winding of wire with a smaller winding distance, whereby the winding distance is reduced for each winding layer. A change in the winding angle and/or a reduction in the wire diameter can also contribute to this.
  • a one-piece wire mat is formed from the wire structure by sintering the wires, which has a changing or different open porosity across its thickness.
  • an open-porous transport layer produced according to the method according to the invention in an electrolysis cell in particular for direct application to a membrane electrode unit of the cell, has proven to be particularly advantageous.
  • one side of the open-porous transport layer comes into surface contact with an electrode of the membrane electrode unit, which has a lower open porosity than the opposite side of the open-porous transport layer.
  • this is an electrolysis cell for producing hydrogen and oxygen from water.
  • FIGS 1 to 11 are intended to illustrate the process according to the invention and the open-pore transport layer formed by way of example.
  • Figure 1 shows an arrangement for carrying out steps a) and b) of the method with a cylindrical winding body
  • Figure 2 shows a further arrangement for carrying out steps a) and b) of the method with a cylindrical winding body
  • Figure 3 shows a further arrangement for carrying out steps a) and b) of the method with a cylindrical winding body
  • Figure 4 shows an arrangement for carrying out steps a) and b) of the method with a rectangular winding body
  • Figure 5 shows a further arrangement for carrying out steps a) and b) of the method with a rectangular winding body
  • Figure 6 shows an arrangement for carrying out step c) of the method
  • Figure 7 shows a further arrangement for carrying out step c) of the
  • Figure 8 shows an arrangement for carrying out step d) of the method on a cylindrical winding body
  • Figure 9 shows the wire mat from Figure 8 cut and removed from the winding body in a top view
  • Figure 10 shows an arrangement for carrying out step d) of the method on a rectangular winding body
  • Figure 11 shows the wire mat from Figure 10, severed and removed from the winding body, in a top view, which forms an open-porous transport layer.
  • Figure 1 shows an arrangement for carrying out steps a) and b) of the method using a cylindrical winding body 3.
  • the winding body 3 rotates about its axis of rotation 5 (see arrow), while a wire 2 is wound onto the circumference of the winding body 3 with a winding distance WA between the adjacent wires 2.
  • the wire areas lying next to and on top of each other form contact points K (see Figure 3), which are connected to each other. are sinterable.
  • the wire 2 is wound until a wire structure 22 (see Figure 6) is obtained.
  • Figure 2 shows a further arrangement for carrying out steps a) and b) of the method using a cylindrical winding body 3.
  • the same reference numerals as in Figure 1 identify the same elements.
  • a wire 2 and a thinner wire 2' are wound simultaneously onto the winding body 3, which lie next to each other on the winding body 3 in a first layer, see enlarged detail.
  • winding is carried out in such a way that the wire 2 lies above the thinner wire 2' and vice versa.
  • the wire areas lying next to each other and one above the other form contact points K (see Figure 3), which can be sintered together.
  • the wire 2, 2' is wound until a wire structure 22 (see Figure 6) is formed.
  • Figure 3 shows a further arrangement for carrying out steps a) and b) of the method with a cylindrical winding body 3.
  • the same reference numerals as in Figures 1 and 2 identify the same elements.
  • a wire 2' is wound onto the winding body 3 and a thicker wire 2 is wound onto this, with the wires 2, 2' crossing over and forming additional contact points K.
  • the wire 2, 2' is wound until a wire structure 22 (see Figure 6) is present.
  • Figure 4 shows an arrangement for carrying out steps a) and b) of the method with a rectangular winding body 3'.
  • the winding body 3' is square and flat here.
  • the winding body 3' is first rotated about the rotation axis 5 and a wire 2' is wound up.
  • the winding body 3' is then rotated about the rotation axis 5' aligned perpendicularly to it and the wire 2, which is thicker than the wire 2', is wound up.
  • the wire 2, 2' is wound up until a wire structure 22 (see Figure 6) is formed.
  • Figure 5 shows a further arrangement for carrying out steps a) and b) of the method with a rectangular winding body 3'.
  • the same reference numerals as in Figure 5 identify the same elements.
  • the winding body 3' is square and flat here.
  • the winding body 3' is first rotated about the rotation axis 5 and a wire 2 and then a thinner wire 2' are wound up with a smaller winding distance WA.
  • the winding body 3' is then rotated about the rotation axis 5' which is aligned perpendicularly to it.
  • the wire 2 and then the thinner wire 2' are wound up again with a smaller winding distance WA.
  • the wire 2, 2' is wound up until a wire structure 22 (see Figure 6) is formed.
  • Figure 6 shows an arrangement for carrying out step c) of the method, with the cylindrical winding body 3 from Figure 2 being shown as an example.
  • any other form of winding body can also be present here, which carries a wire structure 22 formed by winding.
  • the winding body 3 including the wire structure 22 was introduced into a furnace 30 and heated to a sintering temperature of the wire 2, 2'.
  • the pressure in the furnace chamber can be increased in order to accelerate the sintering process.
  • An inert furnace atmosphere has also proven to be useful in preventing surface oxidation of the wires 2, 2'.
  • the wires 2, 2' of the wire structure 22 connect at the contact points K to form a stable wire mat 4, compare Figure 8.
  • Figure 7 shows a further arrangement for carrying out step c) of the method, whereby a cylindrical winding body 3 is also shown here as an example.
  • a cylindrical winding body 3 is also shown here as an example.
  • any other shape of winding body can also be present here, which carries a wire structure 22 formed by winding.
  • the wires 2 on the winding body 3 are connected to a power source 40. The current flowing through the wire 2 heats the wire 2 and ultimately leads to the wires 2 being joined together in the area of the contact points K.
  • Figure 8 shows an arrangement for carrying out step d) of the method on a cylindrical winding body 3, in which the formed one-piece wire mat 4 is severed.
  • a cutting device 50 is provided which severes the wire mat 4 parallel to the rotation axis 5 of the winding body 3 between the end faces of the winding body 3.
  • the severed wire mat 4' is bent up and Winding body 3 removed.
  • Figure 9 shows the wire mat 4' from Figure 8 severed and removed from the winding body 3 in a top view.
  • the severed wire mat 4 is rolled, in particular calendered.
  • Figure 10 shows an arrangement for carrying out step d) of the method on a rectangular winding body 3'.
  • a cutting device 50 is provided which cuts through the wire mat 4 on the circumference of the flat winding body 3' so that two flat wire mat pieces 4" are present.
  • the wire mat pieces 4" already have a plate-like shape and can be used as an open-pore transport layer 1 without further processing.
  • Figure 11 shows one of the wire mat pieces 4" from Figure 10 in a top view, which forms an open-porous transport layer 1. In order to improve the flatness and surface quality of the open-porous transport layer 1, this is then also smoothed subsequently.
  • the cutting device can cut through the edges of the wire mat at an upper edge and a lower edge of the cuboid or cube and then cut the piece of wire mat still wrapped around the cuboid or cube at one edge. This creates at least two equally sized plate-shaped pieces of wire mat and at least one further piece of wire mat that can either be further divided into plate-shaped pieces of wire mat or flattened without any further cutting.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer offen-porösen Transportlage (1) zum Einsatz in einer Elektrolysezelle mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen mindestens eines Drahtes (2) mit einer Drahtdicke im Bereich von 0,05 bis 0,5 mm, b) Aufwickeln des mindestens eines Drahtes auf einen rotierenden Wickelkörper unter Ausbildung eines Drahtgebildes mit einer maximalen Maschenweite von 2 mm, c) Versintern der einzelnen Drähte des Drahtgebildes an ihren Kontaktpunkten zueinander zu einer einteiligen Drahtmatte; und d) Durchtrennen der Drahtmatte und Bereitstellen der durchtrennten Drahtmatte oder der Drahtmattenstücke (4") als jeweils eine Platten-förmige offen-poröse Transportlage (1). Die Erfindung betrifft weiterhin eine nach diesem Verfahren hergestellte offen-porösen Transportlage (1).

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER OFFEN-PORÖSEN TRANSPORTLAGE ZUM EINSATZ IN EINER ELEKTROLYSEZELLE ; OFFEN-PORÖSE TRANSPORTLAGE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer offen-porösen Transportlage zum Einsatz in einer Elektrolysezelle. Weiterhin betrifft die Erfindung eine nach dem Verfahren hergestellte offen-poröse Transportlage.
Offen-poröse Transportlagen und Verfahren zu deren Herstellung sind bekannt.
So offenbart die US 2023 047 374 A einen Titanfilz, der aus Mikrofasern komprimiert ist und eine zufällige poröse Struktur ausbildet. Der Titanfilz dient als offen-poröse Transportlage, die als ein Fluidtransportweg in einem Elektrolyseur oder einer Brennstoffzelle zwischen einer Bipolarplatte und der Katalysatorschicht auf einer Polymerelektrolytmembrane eingesetzt wird.
Die WO 22 164 896 A1 beschreibt eine elektrochemische Zelle oder Elektrolysezelle enthaltend eine Mehrzahl an Verbindungsschichten, welche eine poröse Transportlage aus einem oxidationsresistenten Metall ausbilden.
Die WO 20 020 467 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Transportlage für eine elektrochemische Zelle, insbesondere einen Elektrolyseur. Dabei wird auf eine poröse Metallschicht in Form einer Sintermetallplatte, eines Metallgewebes oder eines Metallfilzes ein mit Binder vermischtes Metallpulver aufgebracht und nach dem Entbindern miteinander versintert.
Die DE 10 2018 105 115 A1 beschreibt eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle, insbesondere einen Elektrolyseur, die ein Trägerelement mit einer mindestens einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht umfasst. Das Trägerelement weist über seine Dicke eine abnehmende Porosität und/oder einen abnehmenden Porendurchmesser auf und kann aus Edelstahl, Titan, einer Titanlegierung, Nickel, einer Nickellegierung oder aus Graphit gebildet sein. Weiterhin kann das Trägerelement in Form ei- nes Streckmetalls, eines Drahtgewebes, eines Metallnetzes, eines Lochblechs, eines Vlieses, eines Metallschaums oder einer Sinterstruktur vorliegen.
Derzeit am Markt erhältliche offen-poröse Transportlagen in Form von Fasermatten aus Titanfasern haben sich als wenig druckstabil erwiesen, so dass sich diese im Einsatz in einer Elektrolysezelle verformen. Dies vermindert lokal die Fluiddurchlässigkeit und damit die Leistungsfähigkeit der Zelle.
Weiterhin am Markt erhältliche offen-poröse Transportlagen in Form von gewebten Matten aus Titandrähten sind hinsichtlich der minimalen Maschenweiten limitiert, da der gezogene Titandraht spröde ist und nicht eng genug gewebt werden kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer druckstabilen offenporösen Transportlage bereitzustellen, die mit besonders kleinen Öffnungen zum Fluiddurchlass ausgebildet werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine danach hergestellt offen-poröse Transportlage anzugeben.
Die Aufgabe wird für das Verfahren zur Herstellung einer offen-porösen Transportlage zum Einsatz in einer Elektrolysezelle mit den folgenden Schritten gelöst: a) Bereitstellen mindestens eines Drahtes mit einer Drahtdicke im Bereich von 0,05 bis 0,5 mm; b) Aufwickeln des mindestens eines Drahtes auf einen rotierenden Wickelkörper unter Ausbildung eines Drahtgebildes mit einer maximalen Maschenweite von 2 mm; c) Versintern der einzelnen Drähte des Drahtgebildes an ihren Kontaktpunkten zueinander zu einer einteiligen Drahtmatte; und d) Durchtrennen der Drahtmatte und Bereitstellen der durchtrennten Drahtmatte oder der Drahtmattenstücke als jeweils eine Platten-förmige offen-poröse Transportlage.
Durch Einsatz des Wickelverfahrens können auch spröde Drahtmaterialien in einem gewünschten Abstand der Drähte zueinander angeordnet werden, so dass offenporöse Transportlagen mit unterschiedlichsten Durchlässigkeiten für Fluide und Grö- ßen der Öffnungen für die Fluide herstellbar sind. Die ausgewählten Wickelparameter, wie Drahtdurchmesser, Wickelabstände, Kreuzen von Drähten in bestimmten Winkeln, usw. ermöglichen eine sehr einfache und effektive Beeinflussung der Eigenschaften der offen-porösen Transportlage. Es ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zudem möglich, eine offen-poröse Transportlage herzustellen, deren offene Porosität über eine Dicke der offen-porösen Transportlage schrittweise oder kontinuierlich abnimmt, indem die Wickelparameter ausgehend vom Wickelkörper in den darauf aufgebauten Drahtlagen verändert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Wickelkörper zylindrisch ausgebildet, wobei die Drahtmatte einmal parallel zur Rotationsachse des Wickelkörpers durchtrennt wird und zu einer einzelnen Platten-förmigen offen-poröse Transportlage umgeformt wird. Die den Umfang des Wickelkörper ringförmig umgebende Drahtmatte wird insbesondere längs aufgeschnitten und aufgebogen, so dass diese Platten-förmig vorliegt. Anschließend kann ein Verpressen oder Walzen, insbesondere Kalandrieren, auf eine vorgegebene Dicke der offen-porösen Transportlage erfolgen, wobei bevorzugt gleichzeitig die Oberfläche der Drahtmatte, die dem Wickelkörper abgewandt angeordnet war, geglättet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Wickelkörper rechteckig ausgebildet und die Drahtmatte wird an jeder Kante des Wickelkörpers durchtrennt, wobei mehrere ebene Drahtmattenstücke ausgebildet werden, die jeweils eine offen-poröse Transportlage bilden. Der Wickelkörper kann dabei um eine erste Rotationsachse gedreht und der mindestens eine Draht aufgewickelt werden. Danach kann der Wickelkörper um eine senkrecht oder verkippt zur ersten Rotationsache ausgerichteten mindestens einen weiteren Rotationsachse rotiert und der mindestens eine Draht weiter aufgewickelt werden. Dadurch lässt sich eine besonders gleichmäßige Bewicklung des rechteckigen Wickelkörpers mit dem mindestens einen Draht erzielen. Die ebenen Drahtmattenstücke können unmittelbar verwendet oder einem Verpressen oder Walzen, insbesondere Kalandrieren, unterzogen werden, um eine vorgegebene Dicke der offen-porösen Transportlage zu erreichen. Bevorzugt wird gleichzeitig die Oberfläche des Drahtmattenstücks, die dem Wickelkörper abgewandt angeordnet war, geglättet.
Grundsätzlich sind auch anders geformte Wickelkörper einsetzbar. Bewährt haben sich aber Formen, die eine rechteckige Grundform der Drahtmatte oder Drahtmattenstücke ergeben, sobald diese eingeebnet wurde(n).
Es hat sich bewährt, wenn mindestens zwei Drähte mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern aufgewickelt werden. Dadurch lassen sich komplexe Wickelmuster und besonders kleine Öffnungen in einer offen-porösen Transportlage erzielen.
Der eingesetzte Draht ist vorzugsweise aus Titan oder Edelstahl ausgebildet, aber auch andere Drahtmaterialien sind einsetzbar.
Besonders bevorzugt wird die Drahtmatte mit einer minimalen Maschenweite von 0,03 mm ausgebildet. Die offen-porösen Transportlage weist demnach insbesondere Öffnungen im Bereich von 0,03 bis 2 mm auf.
Ein einzelner Draht wird bevorzugt mit einem minimalen Wickelabstand zwischen zwei benachbarten Drahtwicklungen im Bereich des Drahtdurchmessers des Drahtes aufgewickelt. Ein Draht von beispielsweise 0,05 mm Durchmesser wird demnach mit einem Abstand der benachbarten Drähte zueinander von mindestens 0,05 mm auf den Wickelkörper aufgewickelt. Ein Draht von beispielsweise 2 mm Durchmesser wird demnach mit einem Abstand der benachbarten Drähte zueinander von mindestens 2 mm auf den Wickelkörper aufgewickelt.
Insbesondere können gleichzeitig oder nacheinander mehrere Drähte aufgewickelt werden, welche sich überkreuzend aufgewickelt werden. Durch Variation der Drahtdurchmesser, der Abstände benachbarter Drähte zueinander und der Wickelart lassen sich in einfacher Weise gewünschte Arten von offen-porösen Transportlagen mit definierter offener Porosität beziehungsweise definierten Öffnungsgrößen ausbilden.
Das Versintern der einzelnen Drähte des Drahtgebildes in Schritt c) des Verfahrens an ihren Kontaktpunkten zueinander zu einer einteiligen Drahtmatte kann einerseits erfolgen, indem das Drahtgebilde in einem Ofen auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird, bei der die Drähte miteinander versintern. Dies kann vorzugsweise unter erhöhtem Gasdruck erfolgen, um das Versintern zu beschleunigen. Alternativ oder in Kombination dazu kann der Draht erhitzt werden, indem Strom hindurchgeleitet und eine Versinterung der Drähte an den Kontaktpunkten durchgeführt wird.
Bei dem Verfahren kann ein Temperatur-beständiger Wickelkörper, zum Beispiel aus Keramik, zum Einsatz kommen, welcher das Versintern der einzelnen Drähte des Drahtgebildes zu einer Drahtmatte schadlos übersteht und nach dem Abnehmen der Drahtmatte wiederverwendbar ist. Alternativ kann der Wickelkörper aus einem Material gebildet sein, welche ein Versintern der einzelnen Drähte des Drahtgebildes zu einer Drahtmatte nicht schadlos übersteht. In diesem Fall kann die Drahtmatte, sofern geometrisch möglich, vor dem Versintern vom Wickelkörper abgezogen werden, der in Folge wiederverwendet werden kann. Möglich ist auch der Einsatz eines thermisch zersetzbaren Wickelkörpers, wie aus Holz, Pappe, Wachs oder dergleichen, wobei ein Ausbrennen des Wickelkörpers während des Versinterns der Drähte erfolgt.
Eine offen-poröse Transportlage, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildet ist, weist eine Dicke im Bereich von 0,05 bis 5 mm auf.
Je nach Ausbildung der Dicke des Drahtgebildes auf dem Wickelkörper und der Auswahl der Drahtdicken der verwendeten Drähte können gewünschte Dicken der offenporöse Transportlage erzeigt werden. Die Dicke kann durch das Glätten, insbeondere Walzen noch verringert werden, wobei sich die offene Porosität dabei geringfügig verringert. Insbesondere weist die offen-poröse Transportlage über ihre Dicke eine abnehmende offene Porosität auf. Dies wird beispielsweise erreicht, indem einem Aufwickeln von Draht auf dem Wickelkörper mit einem großen Wickelabstand ein weiteres Aufwickeln von Draht mit einem geringeren Wickelabstand folgt, wobei pro Wickellage der Wickelabstand verringert wird. Auch eine Änderung des Aufwickel-Winkels dann hierzu beitragen und/oder eine Verringerung des Drahtdurchmessers. Es wird aus dem Drahtgebilde durch Versintern der Drähte eine einteilige Drahtmatte gebildet, die über ihre Dicke eine sich ändernde beziehungsweise eine unterschiedliche offene Porosität aufweist.
Der Einsatz einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten offen-poröse Transportlage in einer Elektrolysezelle, insbesondere zur unmittelbaren Anlage an eine Membran-Elektroden-Einheit der Zelle, hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Dabei gelangt insbesondere eine Seite der offen-poröse Transportlage in flächigen Kontakt mit einer Elektrode der Membran-Elektroden-Einheit, die eine geringere offene Porosität aufweist als die gegenüberliegende Seite der offen-poröse Transportlage. Insbesondere handelt es sich um eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser.
Die Figuren 1 bis 11 sollen das erfindungsgemäße Verfahren und die gebildete offenporöse Transportlage beispielhaft erläutern. So zeigt
Figur 1 eine Anordnung zur Durchführung der Schritte a) und b) des Verfahrens mit einem zylindrischen Wickelkörper,
Figur 2 eine weitere Anordnung zur Durchführung der Schritte a) und b) des Verfahrens mit einem zylindrischen Wickelkörper,
Figur 3 eine weitere Anordnung zur Durchführung der Schritte a) und b) des Verfahrens mit einem zylindrischen Wickelkörper, Figur 4 eine Anordnung zur Durchführung der Schritte a) und b) des Verfahrens mit einem rechteckigen Wickelkörper,
Figur 5 eine weitere Anordnung zur Durchführung der Schritte a) und b) des Verfahrens mit einem rechteckigen Wickelkörper,
Figur 6 eine Anordnung zur Durchführung des Schritts c) des Verfahrens,
Figur 7 eine weitere Anordnung zur Durchführung des Schritts c) des
Verfahrens,
Figur 8 eine Anordnung zur Durchführung des Schritts d) des Verfahrens an einem zylindrischen Wickelkörper,
Figur 9 die durchtrennte und vom Wickelkörper abgenommene Drahtmatte aus Figur 8 in der Draufansicht,
Figur 10 eine Anordnung zur Durchführung des Schritts d) des Verfahrens an einem rechteckigen Wickelkörper,
Figur 11 die durchtrennte und vom Wickelkörper abgenommene Drahtmatte aus Figur 10 in der Draufansicht, die eine offen-poröse Transportlage ausbildet.
Figur 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung der Schritte a) und b) des Verfahrens unter Verwendung eines zylindrischen Wickelkörper 3. Der Wickelkörper 3 rotiert dabei um seine Rotationsachse 5 (siehe Pfeil), während ein Draht 2 auf den Umfang des Wickelkörpers 3 mit einem Wickelabstand WA der benachbart zum Liegen kommenden Drähte 2 aufgewickelt wird. Die nebeneinander und übereinander liegenden Drahtbereiche bilden Kontaktpunkte K aus (vergleiche Figur 3), die miteinander ver- sinterbar sind. Der Draht 2 wird aufgewickelt, bis ein Drahtgebilde 22 (vergleiche Figur 6) vorliegt.
Figur 2 zeigt eine weitere Anordnung zur Durchführung der Schritte a) und b) des Verfahrens unter Verwendung eines zylindrischen Wickelkörper 3. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Hier werden auf den Wickelkörper 3 gleichzeitig ein Draht 2 und ein dünnerer Draht 2' aufgewickelt, welche auf dem Wickelkörper 3 in einer ersten Lage nebeneinander liegen, siehe vergrößerten Ausschnitt. In der zweiten Lage wird so gewickelt, dass der Draht 2 über dem dünneren Draht 2' liegt und umgekehrt. Die nebeneinander und übereinander liegenden Drahtbereiche bilden Kontaktpunkte K aus (vergleiche Figur 3), die miteinander versinterbar sind. Der Draht 2, 2'wird aufgewickelt, bis ein Drahtgebilde 22 (vergleiche Figur 6) vorliegt.
Figur 3 zeigt eine weitere Anordnung zur Durchführung der Schritte a) und b) des Verfahrens mit einem zylindrischen Wickelkörper 3. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 und 2 kennzeichnen gleiche Elemente. Hier wird auf den Wickelkörper 3 ein Draht 2' aufgewickelt und ein dickerer Draht 2 auf diesen aufgewickelt, wobei die Drähte 2, 2'sich überkreuzen und zusätzliche Kontaktpunkte K ausbilden. Der Draht 2, 2'wird aufgewickelt, bis ein Drahtgebilde 22 (vergleiche Figur 6) vorliegt.
Figur 4 zeigt eine Anordnung zur Durchführung der Schritte a) und b) des Verfahrens mit einem rechteckigen Wickelkörper 3'. Der Wickelkörper 3' ist hier quadratisch und flach ausgebildet. Der Wickelkörper 3' wird zuerst um die Rotationsachse 5 gedreht und ein Draht 2' aufgewickelt. Anschließend wird der Wickelkörper 3' um die senkrecht dazu ausgerichtete Rotationsachse 5' gedreht und der im Vergleich zu Draht 2' dickere Draht 2 aufgewickelt. Der Draht 2, 2'wird aufgewickelt, bis ein Drahtgebilde 22 (vergleiche Figur 6) vorliegt.
Figur 5 zeigt eine weitere Anordnung zur Durchführung der Schritte a) und b) des Verfahrens mit einem rechteckigen Wickelkörper 3'. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 5 kennzeichnen gleiche Elemente. Der Wickelkörper 3' ist hier quadratisch und flach ausgebildet. Der Wickelkörper 3' wird zuerst um die Rotationsachse 5 gedreht und ein Draht 2 und anschließend ein dünnerer Draht 2' mit einem geringerem Wickelabstand WA aufgewickelt. Anschließend wird der Wickelkörper 3' um die senkrecht dazu ausgerichtete Rotationsachse 5' gedreht. Erneut wird der Draht 2 und anschließend der dünnere Draht 2' mit einem geringerem Wickelabstand WA aufgewickelt. Der Draht 2, 2' wird aufgewickelt, bis ein Drahtgebilde 22 (vergleiche Figur 6) vorliegt.
Figur 6 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Schritts c) des Verfahrens, wobei exemplarisch der zylindrische Wickelkörper 3 aus Figur 2 gezeigt ist. Es können aber auch beliebige andere Formen von Wickelkörpern hier vorhanden sein, die ein durch Aufwickeln gebildetes Drahtgebilde 22 tragen. Der Wickelkörper 3 inklusive Drahtgebilde 22 wurde in einen Ofen 30 eingebracht und auf eine Sintertemperatur des Drahts 2, 2' erhitzt. Insbesondere kann dabei der Druck im Ofenraum erhöht werden, um den Sinterprozess zu beschleunigen. Auch eine inerte Ofenatmosphäre hat sich dabei bewährt, um eine oberflächliche Oxidation der Drähte 2, 2'zu verhindern. Beim Vereintem verbinden sich die Drähte 2, 2' des Drahtgebildes 22 an den Kontaktpunkten K zu einer stabilen Drahtmatte 4, vergleiche Figur 8.
Figur 7 zeigt eine weitere Anordnung zur Durchführung des Schritts c) des Verfahrens, wobei auch hier exemplarisch ein zylindrischer Wickelkörper 3 gezeigt ist. Es können aber auch beliebige andere Formen von Wickelkörpern hier vorhanden sein, die ein durch Aufwickeln gebildetes Drahtgebilde 22 tragen. Die Drähte 2 auf dem Wickelkörper 3 werden an eine Stromquelle 40 angeschlossen. Der durch den Draht 2 fließende Strom erwärmt den Draht 2 und führt schließlich zu einem Vereintem der Drähte 2 miteinander im Bereich der Kontaktpunkte K.
Figur 8 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Schritts d) des Verfahrens an einem zylindrischen Wickelkörper 3, bei welchem die gebildete einteilige Drahtmatte 4 durchtrennt wird. Dazu ist eine Schneidvorrichtung 50 vorgesehen, die die Drahtmatte 4 parallel zur Rotationsachse 5 des Wickelkörpers 3 zwischen den Stirnseiten des Wi- ckelkörpers 3 durchtrennt. Die aufgetrennte Drahtmatte 4' wird aufgebogen und vom Wickelkörper 3 abgenommen. Figur 9 zeigt die durchtrennte und vom Wickelkörper 3 abgenommene Drahtmatte 4' aus Figur 8 in der Draufansicht. Um eine ebene Plattenförmige offen-poröse Transportlage 1 (vergleiche Figur 11 ) daraus herzustellen, wird die aufgetrennte Drahtmatte 4 gewalzt, insbesondere kalandriert.
Figur 10 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Schritts d) des Verfahrens an einem rechteckigen Wickelkörper 3'. Dazu ist eine Schneidvorrichtung 50 vorgesehen, die die Drahtmatte 4 am Umfang des flachen Wickelkörpers 3' durchtrennt, so dass zwei flache Drahtmattenstücke 4" vorliegen. Die Drahtmattenstücke 4"weisen bereits eine Platten-förmige Gestalt auf und können ohne weitere Bearbeitung als eine offenporöse Transportlage 1 eingesetzt werden.
Figur 11 zeigt eines der Drahtmattenstücke 4" aus Figur 10 in der Draufansicht, die eine offen-poröse Transportlage 1 ausbildet. Um die Ebenheit und Oberflächenqualität der offen-porösen Transportlage 1 zu verbessern, dann auch diese nachfolgend noch geglättet werden.
Sofern ein rechteckiger Wickelkörper zum Einsatz kommt, der nicht flach sondern quader- oder würfelförmig ausgebildet ist, kann die Scheideinrichtung an einer Oberkante und einer Unterkante des Quaders oder Würfels die Kanten der Drahtmatte durchtrennen und anschließend das den Quader oder Würfel noch umschlingende Drahtmattenstück an einer Kante auftrennen. So liegen mindestens zwei gleich große Platten-förmige Drahtmattenstücke und mindestens ein weiteres Drahtmattenstück vor, das entweder weiter in Platten-förmige Drahtmattenstücke zerteilt oder ohne weitern Schneidvorgang insgesamt eingeebnet werden kann.
Bezuqszeichenliste
1 offen-poröse Transportlage
2, 2' Draht
3, 3' Wickelkörper
4 Drahtmatte
4' durchtrennte Drahtmatte
4" Drahtmattenstück
5, 5' Rotationsachse
22 Drahtgebilde
30 Ofen
40 Stromquelle
50 Schneideinrichtung
K Kontaktpunkt
WA Wickelabstand

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung einer offen-porösen Transportlage (1 ) zum Einsatz in einer Elektrolysezelle mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen mindestens eines Drahtes (2) mit einer Drahtdicke im Bereich von 0,05 bis 0,5 mm; b) Aufwickeln des mindestens eines Drahtes (2) auf einen rotierenden Wickelkörper (3, 3a, 3b) unter Ausbildung eines Drahtgebildes (22) mit einer maximalen Maschenweite von 2 mm; c) Versintern der einzelnen Drähte (2) des Drahtgebildes (22) an ihren Kontaktpunkten (K) zueinander zu einer einteiligen Drahtmatte (4); und d) Durchtrennen der Drahtmatte (4) und Bereitstellen der durchtrennten Drahtmatte (4') oder der Drahtmattenstücke (4") als jeweils eine Platten-förmige offen-poröse Transportlage (1 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Wickelkörper (3a) zylindrisch ausgebildet ist, wobei die Drahtmatte (4) einmal parallel zur Rotationsachse (5) des Wickelkörpers (3a) durchtrennt wird und zu einer einzelnen Platten-förmigen offen-poröse Transportlage (1 ) umgeformt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Wickelkörper (3b) rechteckig ausgebildet ist und die Drahtmatte (4) an jeder Kante des Wickelkörpers (3b) durchtrennt wird, wobei mehrere ebene Drahtmattenstücke (4") ausgebildet werden, die jeweils eine offenporöse Transportlage (1 ) bilden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Platten-förmige offenporöse Transportlage (1 ) kalandriert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens zwei Drähte (2, 2') mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern aufgewickelt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Draht (2, 2') aus Titan oder Edelstahl aufgewickelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Drahtmatte (4) mit einer minimalen Maschenweite von 0,03 mm ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein einzelner Draht (2) mit einem minimalen Wickelabstand (WA) zwischen zwei benachbarten Drahtwicklungen im Bereich des Drahtdurchmessers des Drahtes (2) aufgewickelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei gleichzeitig oder nacheinander mehrere Drähte (2) aufgewickelt werden, welche sich überkreuzend aufgewickelt werden.
10. Offen-poröse Transportlage (1 ), welche nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gebildet ist und eine Dicke im Bereich von 0,05 bis 5 mm aufweist.
PCT/DE2024/100396 2023-06-06 2024-05-02 Verfahren zur herstellung einer offen-porösen transportlage zum einsatz in einer elektrolysezelle; offen-poröse transportlage Ceased WO2024251322A1 (de)

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