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DE102024201797A1 - Cell concept with a novel cathode structure and a corresponding cell frame for alkaline water electrolysis - Google Patents

Cell concept with a novel cathode structure and a corresponding cell frame for alkaline water electrolysis

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DE102024201797A1
DE102024201797A1 DE102024201797.3A DE102024201797A DE102024201797A1 DE 102024201797 A1 DE102024201797 A1 DE 102024201797A1 DE 102024201797 A DE102024201797 A DE 102024201797A DE 102024201797 A1 DE102024201797 A1 DE 102024201797A1
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DE
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cell
cathode
distributor
electrolysis
cathode structure
Prior art date
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Application number
DE102024201797.3A
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German (de)
Inventor
Christian Reller
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Priority to PCT/EP2025/052745 priority patent/WO2025180771A1/en
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Abstract

Es werden eine Kathodenstruktur (1) und ein Zellrahmen für eine alkalische Elektrolysezelle (20) angegeben, wobei die Kathodenstruktur (1) eine Bipolarplatte (2) umfasst, welche mit Leitstegen (3) verbunden ist, und wobei die Leitstege (3) einen aktiven Zellbereich (6) unterteilen, und entlang einer Elektrolyt-Flussrichtung (7) ausgerichtet sind. Der Zellrahmen (10) umfasst die Kathodenstruktur (1), und weist eine Verteilerstruktur (11) auf, wobei die Verteilerstruktur (11) einen aktiven Zellbereich (6) definiert und zur Erzielung einer gleichmäßigen Flussverteilung der Zelle (20) eingerichtet ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des Zellrahmens (10) angegeben. A cathode structure (1) and a cell frame for an alkaline electrolysis cell (20) are specified, wherein the cathode structure (1) comprises a bipolar plate (2) which is connected to conducting webs (3), and wherein the conducting webs (3) divide an active cell region (6) and are aligned along an electrolyte flow direction (7). The cell frame (10) comprises the cathode structure (1) and has a distributor structure (11), wherein the distributor structure (11) defines an active cell region (6) and is designed to achieve a uniform flow distribution of the cell (20). Furthermore, a method for producing the cell frame (10) is specified.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellkonzept für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine alkalische Elektrolysezelle, wobei das Dichtkonzept eine Elektrodenstruktur sowie einen Zellrahmen umfasst. Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung des Zellrahmens Gegenstand der vorliegenden Erfindung.The present invention relates to a cell concept for an electrochemical cell, in particular an alkaline electrolysis cell, wherein the sealing concept comprises an electrode structure and a cell frame. Furthermore, a method for producing the cell frame is the subject of the present invention.

Angesichts der Energiewende und des fortschreitenden Klimawandels existieren sehr ambitionierter Anstrengungen, die installierte Kapazität von Wasserelektrolyseuren, sei es via PEM-Elektrolyse oder alkalischer Elektrolyse, in den nächsten Jahren deutlich zu erhöhen. Daraus entsteht im Kontext auch ein sehr großer Bedarf, neue Zellkonzepte, Rahmen, Elektroden, Membranen, Separatoren oder entsprechende Dichtkomponenten zu entwickeln, die sich beispielsweise durch eine einfachere Herstellung, eine höhere Effizienz, eine größere Stromdichte und die Verwendung von verbesserten Materialien auszeichnen.In light of the energy transition and advancing climate change, very ambitious efforts are underway to significantly increase the installed capacity of water electrolyzers, whether via PEM electrolysis or alkaline electrolysis, in the coming years. This also creates a very strong need to develop new cell concepts, frames, electrodes, membranes, separators, and corresponding sealing components that are characterized, for example, by simpler manufacturing, higher efficiency, higher current density, and the use of improved materials.

Handelt es sich bei einer Elektrolysereaktion um eine Reaktion im alkalischen Bereich, so kann ein Diaphragma (auch Separator genannt) zum Einsatz kommen, oder speziell auch eine Anion-Austausch-Membran (englisch: „anion exchange membrane“; AEM) vorgesehen sein. Findet die Elektrolysereaktion dagegen im sauren Bereich statt, ist stattdessen eine Proton-Austausch-Membran (englisch: PEM für „proton exchange membrane“) vorgesehen.If an electrolysis reaction takes place in the alkaline range, a diaphragm (also called a separator) or, specifically, an anion exchange membrane (AEM) can be used. If, however, the electrolysis reaction takes place in the acidic range, a proton exchange membrane (PEM) is used instead.

Das Erzeugen von grünem Wasserstoff aus Wasser erfolgt über die genannten Prozesse heute weitgehend elektrolytisch. Es handelt sich hierbei um einen elektrochemischen Vorgang, bei dem Wasser in seine chemischen Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff getrennt wird. Die elektrochemische Zellreaktionen bzw. Betriebsweise oder alkalischen Elektrolyse kann z.B. wie folgt zusammengefasst werden: Anodenelektrode 40H- → 2H2O + O2 + 4e- Kathodenelektrode 2H2O + 2e- → 20H- + H2 The production of green hydrogen from water is now largely electrolytic, using the processes mentioned above. This is an electrochemical process in which water is separated into its chemical components, oxygen and hydrogen. The electrochemical cell reactions, or operating mode, or alkaline electrolysis, can be summarized as follows: anode electrode 40H - → 2H 2 O + O 2 + 4e - cathode electrode 2H 2 O + 2e - → 20H - + H 2

Um die politisch gesteckten Ziele, insbesondere dasjenige des US-Energieministeriums, von Wasserstoffproduktionskosten unter 2 US$/kg zu erreichen, sind technische Fortschritte bei Elektrolysesystemen erforderlich. Neben Materialverbesserungen lassen sich durch Verbesserungen der Fertigungsprozesse signifikante Kostensenkungen und Effizienzgewinne ableiten.To achieve the political targets, particularly those of the US Department of Energy, of hydrogen production costs below US$2/kg, technical advances in electrolysis systems are required. In addition to material improvements, significant cost reductions and efficiency gains can be achieved through improvements in manufacturing processes.

Die Erzeugung von Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser erfolgen, wobei die genannten verschiedenen Technologien eingesetzt werden können.Hydrogen can be produced by electrolysis of water, using the various technologies mentioned above.

Die alkalische Wasserelektrolyse (AEL) betrifft eine industriell bereits etablierte Technologie, die mit geringen Investitionskosten auskommt, die sich aus der Marktreife der Technologie ergeben. Die AEL zeichnet sich weiterhin durch eine hohe Langzeitstabilität aus, sowie durch die Tatsache, dass praktisch kaum kritische Rohstoffe und aufwendige Membran- oder Elektrodenmaterialien benötigt werden.Alkaline water electrolysis (AEL) is an industrially established technology that requires low investment costs, resulting from its market maturity. AEL is also characterized by high long-term stability and the fact that virtually no critical raw materials or complex membrane or electrode materials are required.

Bekannte (Druck-)Zellkonzepte basieren beispielsweise auf Nickel-beschichteten Stahlringen oder Stahlrahmen, die durch PTFE-Flachdichtungen zueinander gedichtet und voneinander elektrisch getrennt werden. Neben bekannten Flachdichtungen sind auch O-ring- bzw. Schnurdichtungen bekannt, die in entsprechende Nuten eingebracht werden. Diese Dichtungsvariante ist jedoch auf Kunststoffzellrahmen beschränkt, da die elektrische Isolation zwischen den Zellen bei alkalischen Elektrolyse-Stacks häufig nicht gegeben ist. Common (pressure) cell concepts, for example, are based on nickel-coated steel rings or steel frames, which are sealed to each other and electrically separated by PTFE flat gaskets. In addition to conventional flat gaskets, O-ring or cord seals are also known, which are inserted into corresponding grooves. However, this sealing variant is limited to plastic cell frames, since electrical insulation between the cells is often not provided in alkaline electrolysis stacks.

Bekannte Elektrolysezellen arbeiten in einem Druckbereich zwischen 30 bar und 40 bar und bei einer Temperatur von 60 bis 100°C. Folgenden Medien kann dabei das Dichtungsmaterial ausgesetzt sein: H2, O2, NaOH (30 wt.%) und/oder KOH. Daraus ergeben sich besondere Anforderungen für das eingesetzte Dichtungsmaterial. Heute bekannte druckbehaftete AEL-Systeme erreichen Stromdichten von 200 bis maximal 400 mA/cm2. Für eine wirtschaftliche (industrielle) Anwendung der Technologie sind diese Systeme daher nur bedingt geeignet.Conventional electrolysis cells operate in a pressure range between 30 and 40 bar and at temperatures between 60 and 100°C. The sealing material can be exposed to the following media: H 2 , O 2 , NaOH (30 wt.%), and/or KOH. This results in special requirements for the sealing material used. Current pressurized AEL systems achieve current densities of 200 to a maximum of 400 mA/cm 2 . Therefore, these systems are only partially suitable for economical (industrial) application of the technology.

Dichtkonzepte für Elektrolyseure, beispielsweise auf Basis von Fluoro-Elastomeren oder PTFE (Polytetrafluorethylen) sind beispielsweise bekannt aus: EP 0 276 351 B1 , EP 2 734 658 B1 , EP 2 993 254 A1 , EP 2 993 254 B1 .Sealing concepts for electrolyzers, for example based on fluoroelastomers or PTFE (polytetrafluoroethylene), are known from: EP 0 276 351 B1 , EP 2 734 658 B1 , EP 2 993 254 A1 , EP 2 993 254 B1 .

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Probleme zu lösen, bzw. ein verbessertes Zellkonzept für die alkalische Wasserelektrolyse anzugeben, welches es insbesondere erlaubt, die Elektrolyse bei deutlich höheren Stromdichten, d. h. von bis zu oder sogar mehr als 1 A/cm2, zu betreiben.It is an object of the present invention to solve the problems described above and to provide an improved cell concept for alkaline water electrolysis, which in particular allows the electrolysis to be operated at significantly higher current densities, ie up to or even more than 1 A/cm 2 .

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This problem is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent patent claims.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Elektrodenstruktur, insbesondere Kathodenstruktur, für eine, insbesondere druckbetriebene, alkalische Elektrolysezelle.One aspect of the present invention relates to an electrode structure, in particular a cathode structure, for an alkaline electrolysis cell, in particular a pressure-operated one.

Die Zelle ist vorzugsweise für die Wasserelektrolyse und zur Erzeugung grünen Wasserstoffs aus regenerativer Energie vorgesehen.The cell is primarily intended for water electrolysis and for the production of green hydrogen from renewable energy.

Die Struktur der Elektrode bzw. Kathodenstruktur umfasst eine Bipolarplatte, welche mit Strömungsleitstegen verbunden ist. The structure of the electrode or cathode structure comprises a bipolar plate which is connected to flow guides.

Die Bipolarplatte kann beispielsweise aus einem Stahlblech von einigen Millimetern Dicke bestehen. Vorzugsweise definiert die Fläche der Bipolarplatte auch in etwa einen aktiven Zellbereich bzw. ein „Aktivfeld“ der Zelle.The bipolar plate can, for example, consist of a steel sheet a few millimeters thick. Preferably, the surface of the bipolar plate also roughly defines an active cell area, or "active field," of the cell.

Die Leitstege unterteilen weiterhin den aktiven Zellbereich und sind entlang einer Elektrolyt-Flussrichtung ausgerichtet, welche sich vorzugsweise im Betrieb der elektrochemischen Zelle einstellt.The conductive webs further divide the active cell area and are aligned along an electrolyte flow direction, which preferably occurs during operation of the electrochemical cell.

In einer Ausgestaltung umfasst ein Abstand der Leitstege etwa 7 cm bis 10 cm.In one embodiment, the distance between the guide bars is approximately 7 cm to 10 cm.

Das vorgestellte Konzept der Kathodenstruktur ermöglicht es vorteilhaft und insbesondere im Zusammenwirken mit einem entsprechenden Zellrahmen, die Zelle effizient und verschleißarm bei besonders hohen Stromdichten einzusetzen. Bei Stromdichten von beispielsweise über 1 A/cm2 wird eine gezielte Abführung der Wärme essenziell; die bei dem vorgestellten Konzept ebenfalls durch die Konfektionierung und Dimensionierung der Kathodenstruktur sichergestellt werden kann.The presented cathode structure concept advantageously enables efficient and low-wear cell operation at particularly high current densities, particularly in conjunction with a suitable cell frame. At current densities exceeding 1 A/ cm², for example, targeted heat dissipation becomes essential; this can also be ensured in the presented concept through the assembly and dimensioning of the cathode structure.

Zudem ermöglicht ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, nämlich betreffend die Herstellung des entsprechenden Zellrahmens, vorteilhaft, dass Material- und Arbeitskosten eingespart werden können, und zusätzliche, ansonsten erforderliche aufwändige Arbeitsschritte, wie Zerspanungsschritte, insbesondere für das Herstellen für Dichtungsnuten im Zellrahmen, entbehrt werden können.In addition, a further aspect of the present invention, namely relating to the production of the corresponding cell frame, advantageously enables material and labor costs to be saved, and additional, otherwise required, complex work steps, such as machining steps, in particular for the production of sealing grooves in the cell frame, can be dispensed with.

Das vorgestellte Zellkonzept ist kompatibel mit Stahlrahmenkonstruktionen für den Druckbetrieb von etwa 30 bis 40 bar.The presented cell concept is compatible with steel frame constructions for pressure operation of approximately 30 to 40 bar.

Weiterhin ermöglicht das beschriebene Konzept durch die vorteilhafte Verzweigung und den Verlauf der Kanäle, vorzugsweise durch eine in den Zellrahmen bzw. in die Zelle integrierte Fluidik (ohne externes „Manifolding“), eine verbesserte (elektrolytische) Fluidführung bzw. Medienzuführung und Medienabführung, wodurch vorteilhaft auf teure und materialintensive Filterpressenkonstruktionen verzichtet werden kann.Furthermore, the described concept enables improved (electrolytic) fluid guidance or media supply and media removal due to the advantageous branching and course of the channels, preferably through fluidics integrated into the cell frame or cell (without external manifolding), which advantageously eliminates the need for expensive and material-intensive filter press constructions.

Noch weiterhin kann mit dem vorliegenden Konzept ein effizientes sogenanntes „Zero-Gap-Design“ der Elektrolysezelle für eine besonders hohe (elektrische) Systemeffizienz ohne übergebührende ohmsche Verluste ermöglicht werden.Furthermore, the present concept enables an efficient so-called “zero-gap design” of the electrolysis cell for a particularly high (electrical) system efficiency without excessive ohmic losses.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht überdies die Verwendung PFAS-freier Dichtmaterialen, sogar in der druckbehafteten AEL. Denn bei dem vorgestellten Konzept kann vorteilhafterweise auf sogenannte PFASs verzichtet, aber dennoch eine mindestens genauso gute oder sogar verbesserte Dichtfunktionalität - verglichen mit konventionellen Lösungen - erreicht werden.The present invention also enables the use of PFAS-free sealing materials, even in pressurized AELs. This is because the presented concept advantageously eliminates the use of PFASs while still achieving sealing functionality that is at least as good or even improved compared to conventional solutions.

PFAS, das sind sogenannte per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (englisch per- and polyfluoroalkyl substances). Aufgrund der Persistenz von PFAS-Substanzen oder ihrer Abbauprodukte in der Umwelt, stehen diese Stoffe (auch Ewigkeitschemikalien genannt) im Verruf, und es ergeben sich gravierende ökologische und gesundheitsrelevante Risiken. Insbesondere stehen PFAS im Verdacht, krebserregend zu sein. Durch das hohe Gefährdungspotenzial von PFAS und insbesondere die hohen Folgekosten, welche die Eindämmung und Schadensminimierung durch eine Verbreitung, beispielsweise durch kontaminiertes Trinkwasser, nach sich zieht, sind weitreichende Verbote in naher Zukunft wahrscheinlich.PFAS are so-called per- and polyfluoroalkyl substances. Due to the persistence of PFAS substances or their degradation products in the environment, these substances (also known as "forever chemicals") are discredited, and they pose serious ecological and health risks. PFAS are particularly suspected of being carcinogenic. Due to the high hazard potential of PFAS and, in particular, the high subsequent costs associated with containment and damage minimization through their spread, for example, through contaminated drinking water, far-reaching bans are likely in the near future.

In einer Ausgestaltung des beschriebenen Konzeptes definieren je zwei benachbarte Leitstege im Betrieb einer entsprechenden elektrochemischen Zelle eine separate Strömungsebene für einen, insbesondere flüssigen, Elektrolyten.In one embodiment of the described concept, two adjacent guide bars define a separate flow plane for an electrolyte, in particular a liquid one, during operation of a corresponding electrochemical cell.

Durch das Stegkonzept wird eine zusätzliche Strömungsebene geschaffen, in der der Elektrolyt ungehindert strömen kann, dadurch wird ein effizienter Wärme- und Gasabtransport gewährleistet. Dies ist insbesondere bei oder für die Erzielung von hohen Stromdichten erforderlich. Darüber hinaus ermöglicht das Design einen effizienten Abtransport von Gasblasen aus der Elektrodenebene. Bei bekannten „Zero-Gap-Systemen“ müssen Gasblasen die Elektrodenstruktur (Streckmetalle/ Schäume etc.) in der Ebene passieren, wodurch eine längere Verweilzeit gegeben ist. Da die Gasblasen den Elektrolyten verdrängen, führt ein „Gasen“ der Elektrode zu einer signifikanten Zellspannungserhöhung. Durch das „Hinterströmen“ der Elektrodenstruktur in dem hier beschriebenen Konzept, wird dagegen ein effizienter Abtransport durch kürzere Diffusionslängen erreicht.The web concept creates an additional flow plane through which the electrolyte can flow unhindered, ensuring efficient heat and gas removal. This is particularly necessary for achieving high current densities. Furthermore, the design enables efficient removal of gas bubbles from the electrode plane. In conventional "zero-gap systems," gas bubbles must pass through the electrode structure (expanded metals/foams, etc.) in-plane, resulting in a longer residence time. Since the gas bubbles displace the electrolyte, gassing of the electrode leads to a significant increase in cell voltage. By "flowing behind" the electrode structure in the concept described here, efficient removal is achieved through shorter diffusion lengths.

Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise verhindert, dass sich Gasblasen innerhalb der Elektronenstruktur festsetzen und somit den elektrischen Übergangswiderstand an der entsprechenden Elektrode effizienzmindernd erhöhen. Statt eines Abtransport von Gasblasen durch den Elektrodenraum, ermöglichen die Leitstege eine definierte und effiziente Gaskinetik. Dadurch dass innerhalb der definierten Strömungsebene vorteilhaft der Hauptfluss des Elektrolyten (sowie der Gasabtransport) erfolgt, verhindert ein Unterdruck zudem das maßgebliche Eindringen oder Festsetzen von Gasblasen in der eigentlichen Elektrode.In other words, it advantageously prevents gas bubbles from settling within the electron structure and thus increasing the electrical contact resistance at the corresponding electrode, thus reducing efficiency. Instead of transporting gas bubbles through the electrode space, the conductive webs enable a defined and efficient Ente gas kinetics. Because the main flow of the electrolyte (as well as the gas removal) advantageously occurs within the defined flow plane, a negative pressure also prevents significant penetration or entrapment of gas bubbles in the actual electrode.

In einer Ausgestaltung weist die Bipolarplatte (nur) zwei, insbesondere gleich lange, gegenüberliegende gerade Kanten auf, welche insbesondere eine Abweichung von einer runden Zellgeometrie definieren. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die Zelle bzw. der aktive Zellbereich vorzugsweise nicht vollständig rund, sondern weist umfänglich beispielsweise lediglich bereichsweise (zwischen den geraden Kanten) einen runden Verlauf auf.In one embodiment, the bipolar plate has (only) two opposing straight edges, in particular of equal length, which in particular define a deviation from a round cell geometry. According to this embodiment, the cell or the active cell region is preferably not completely round, but rather has a rounded shape, for example, only in certain regions (between the straight edges).

Die Ausgestaltung der Bipolarplatte mit zwei geraden Kanten ermöglicht es vorteilhaft, den Verschnitt beim Zuschneiden, insbesondere mittels Laserschneiden, zu minimieren. Darüber hinaus kann in bestimmten Betriebszuständen in vollständig runden Zellen ein sogenannter „Gasbalken“ ausgebildet werden, wodurch das Diaphragma seine Sperrwirkung verliert, und es zu einem Gasaustausch zwischen Anode und Kathode kommen kann. In der Folge kann es zu Sicherheitsproblemen, insbesondere Explosionsgefahr, im Betrieb der Zelle kommen, da in den „abgeschnittenen“ Bereichen ansonsten weniger oder kaum Lauge bzw. weniger Elektrolyt vorhanden wäre. Dieser Effekt kann durch die vorgeschlagene Form der Bipolarplatte bzw. der Zelle zuverlässig verhindert werden.The design of the bipolar plate with two straight edges advantageously allows for the minimization of waste during cutting, particularly by laser cutting. Furthermore, under certain operating conditions, a so-called "gas bar" can form in completely round cells, causing the diaphragm to lose its barrier effect and resulting in gas exchange between the anode and cathode. This can lead to safety problems, particularly the risk of explosion, during cell operation, since otherwise less or hardly any alkali or less electrolyte would be present in the "cut-off" areas. This effect can be reliably prevented by the proposed shape of the bipolar plate or cell.

In einer Ausgestaltung sind die Leitstege an einem der Bipolarplatte abgewandten Ende mit einer, insbesondere aufgeschweißten, Trägerstruktur verbunden, wobei die Trägerstruktur wiederum eine Elektrodenstruktur für die Kathode trägt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders zweckmäßige Geometrie und die Ausbildung einer vorteilhaften Strömungskinetik (vgl. beschriebene Hinterströmung der Elektrode) und elektrokatalytischen Effizienz der Zelle.In one embodiment, the guide webs are connected to a support structure, particularly a welded one, at an end facing away from the bipolar plate. The support structure, in turn, supports an electrode structure for the cathode. This embodiment enables a particularly suitable geometry and the development of advantageous flow kinetics (see the described backflow of the electrode) and electrocatalytic efficiency of the cell.

In einer Ausgestaltung weist die Elektronenstruktur ein Metallgeflecht, insbesondere ein Nickelgestrick und, vorzugsweise in einem Inneren, dem Separate oder Diaphragma nächstliegenden Bereich, ein Metallgewebe, insbesondere ein Nickelfeingewebe auf. Durch diese Elektrodenausgestaltung lässt sich insbesondere eine besonders vorteilhafte elektrokatalytische Effizienz der Zelle erzielen.In one embodiment, the electrode structure comprises a metal mesh, in particular a nickel mesh, and, preferably in an interior region closest to the separator or diaphragm, a metal mesh, in particular a nickel mesh. This electrode design allows for particularly advantageous electrocatalytic efficiency of the cell.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Zellrahmen für die alkalische Elektrolyse, insbesondere umfassend die beschriebene Kathodenstruktur. Insbesondere ist die Kathodenstruktur mit dem Zellrahmen verschweißt, oder umgekehrt.A further aspect of the present invention relates to a cell frame for alkaline electrolysis, in particular comprising the described cathode structure. In particular, the cathode structure is welded to the cell frame, or vice versa.

Der Zellerahmen umfasst weiterhin eine Verteilerstruktur oder Verteilerleiste, welche ebenfalls den aktiven Zellbereich definiert und zur Erzielung einer gleichmäßigen Flussverteilung (für den Elektrolyten) der Zelle eingerichtet ist. Bei der Verteilerstruktur kann es sich um eine Diffusor-Struktur, insbesondere um ein (geschlitztes) Vierkantrohr handeln, welches insbesondere die Dichtung der Zelle (siehe unten) als auch - insbesondere im Zusammenwirken mit den Leitstegen der Kathodenstruktur - den Elektrolytdurchfluss in der Zelle deutlich steigert, aber auch homogenisiert und so den Zellbetrieb bei den genannten hohen Stromdichten ermöglicht.The cell frame further comprises a distribution structure or distribution bar, which also defines the active cell area and is designed to achieve a uniform flow distribution (for the electrolyte) of the cell. The distribution structure can be a diffuser structure, in particular a (slotted) square tube, which, in particular, seals the cell (see below) and—particularly in conjunction with the conductive webs of the cathode structure—significantly increases the electrolyte flow in the cell, but also homogenizes it, thus enabling cell operation at the aforementioned high current densities.

In einer Ausgestaltung sind die Leitstege senkrecht zu der Verteilerstruktur ausgerichtet.In one embodiment, the guide webs are aligned perpendicular to the distribution structure.

In einer Ausgestaltung ist der Zellrahmen eine Ringkonstruktion, insbesondere umfassend einen vernickelten Stahlring, wobei die Verteilerstruktur im Inneren des Rings angeordnet ist. Gemäß dieser Ausgestaltung lassen sich die evidenten Vorteile einer (teilweise) runden Zelle, nämlich deren besserer mechanischer Kraftverteilung bei Druckbeaufschlagung, ausnutzen und gleichzeitig die oben beschriebenen Nachteile oder Dichtungsprobleme umgehen.In one embodiment, the cell frame is a ring construction, in particular comprising a nickel-plated steel ring, with the distribution structure arranged inside the ring. According to this embodiment, the obvious advantages of a (partially) round cell, namely its better mechanical force distribution under pressure, can be utilized while simultaneously avoiding the disadvantages or sealing problems described above.

In einer Ausgestaltung definiert oder integriert die Verteilerstruktur Verteilerkanäle zum Führen des (flüssigen) Elektrolyten, wobei der Zellrahmen weiterhin derart eingerichtet ist, dass jeweils zwischen zwei benachbarten Leitstegen ein Verteilerein- bzw. Verteilerauslasskanal, insbesondere für den Einlass des Elektrolyten in den aktiven Zellbereich bzw. zu dessen Auslass aus dem aktiven Zellbereich, angeordnet ist.In one embodiment, the distributor structure defines or integrates distributor channels for guiding the (liquid) electrolyte, wherein the cell frame is further configured such that a distributor inlet or distributor outlet channel is arranged between each two adjacent guide webs, in particular for the inlet of the electrolyte into the active cell region or for its outlet from the active cell region.

Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Verteilerstruktur das Ausbilden von ungünstigen Strömungswegen (sogenannter „z-flow“) beispielsweise diagonal und unkontrolliert über den aktiven Zellbereich hinweg verhindert. Ein solcher ungeleiteter Fluss des Elektrolyten führte ansonsten unweigerlich zu einem geringeren elektrolytischen Durchsatz und zur Ausbildung von Totbereichen im Aktivfeld.In particular, the distribution structure according to the invention prevents the formation of unfavorable flow paths (so-called "z-flow"), for example, diagonal and uncontrolled across the active cell area. Such unguided flow of the electrolyte would otherwise inevitably lead to lower electrolytic throughput and the formation of dead zones in the active field.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere für die alkalische Wasserelektrolyse, umfassend jedenfalls an der Kathode den beschriebenen Zellrahmen, wobei die Zelle weiterhin für Drücke von 30 bar bis 40 bar, Temperaturen von 80 °C bis 100 °C und/oder zum Führen der Medien H2, O2 und/oder hochkonzentriert NAOH (z. B. 30 bis 35 wt%) bzw. KOH eingerichtet ist.A further aspect of the present invention relates to an electrolysis cell, in particular for alkaline water electrolysis, comprising at least at the cathode the described cell frame, wherein the cell is further configured for pressures of 30 bar to 40 bar, temperatures of 80 °C to 100 °C and/or for carrying the media H 2 , O 2 and/or highly concentrated NAOH (e.g. 30 to 35 wt%) or KOH.

Die erfindungsgemäße Elektrodenstruktur ist insbesondere an der Kathode von alkalischen Elektrolysezellen effizient und zweckmäßig, da hier beispielsweise die doppelte Menge der Lauge bzw. des Elektrolyten hindurchgeführt werden muss; mithin die doppelte Menge an Gas entsteht als beispielsweise an der Anode. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die erfindungsgemäße Kathodenstruktur aber grundsätzlich auch an der Anode eingesetzt werden.The electrode structure according to the invention is particularly suitable for the cathode of alkaline elec lysis cells are efficient and practical, since, for example, twice the amount of alkali or electrolyte must be passed through them; thus, twice the amount of gas is produced than, for example, at the anode. Without limiting its generality, the cathode structure according to the invention can, in principle, also be used at the anode.

In einer Ausgestaltung ist die Elektrolysezelle zum Betrieb oder zum Erreichen von Stromdichten oberhalb von 1 A/cm2 ausgelegt.In one embodiment, the electrolysis cell is designed to operate or achieve current densities above 1 A/cm 2 .

In einer Ausgestaltung umfasst die Zelle eine fluorfreie Dichtung, insbesondere umfassend einen PPSU-Kunststoff, wobei die Dichtung sowohl zum Abdichten der Zelle insgesamt als auch für die Abdichtung des Diaphragmas der Zelle eingerichtet ist. Alternativ kann die beschriebene Dichtwirkung auch durch mehrere flurfreie Einzeldichtungen erzielt werden.In one embodiment, the cell comprises a fluorine-free seal, in particular comprising a PPSU plastic, wherein the seal is designed both to seal the cell as a whole and to seal the cell's diaphragm. Alternatively, the described sealing effect can also be achieved by several fluorine-free individual seals.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Stack oder Zellstapel oder eine Stack-Anordnung mit einer Mehrzahl, beispielsweise Dutzenden von solchen Elektrolysezellen.A further aspect of the present invention relates to a stack or cell stack or a stack arrangement comprising a plurality, for example dozens, of such electrolysis cells.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Elektrolyseur mit einer Mehrzahl der beschriebenen Stacks.A further aspect of the present invention relates to an electrolyzer having a plurality of the described stacks.

Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des Zellrahmens bzw. der Zelle, umfassend das Bereitstellen eines Rechteckprofils, insbesondere Strahlprofils, und das Rundbiegen des Rechteckprofils in einer Walzenbiegevorrichtung. Bei dem Rundbiegen kann es sich beispielsweise um ein Profilbiegen des Stahlprofils über eine 3-Walzenkonfiguration handeln.Yet another aspect of the present invention relates to a method for producing the cell frame or cell, comprising providing a rectangular profile, in particular a beam profile, and rolling the rectangular profile in a roll bending device. The rolling can, for example, involve profile bending of the steel profile using a 3-roll configuration.

Das Verfahren umfasst weiterhin insbesondere das Ausschneiden von Elektrolytkanälen aus dem rundgebogenen Profil mittels Plasmaschneiden, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Brennschneiden.The method further comprises, in particular, cutting out electrolyte channels from the rounded profile by means of plasma cutting, laser cutting, water jet cutting or flame cutting.

In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren anschließend das kathodenseitige Ein- oder Verschweißen einer Bipolarplatte in den Profilring, sowie das Verbinden oder Verschweißen der beschriebenen Leitstege, sowie der Trägerstruktur und der Elektrodenstruktur, wie oben beschrieben.In one embodiment, the method subsequently comprises the cathode-side welding or fusion of a bipolar plate into the profile ring, as well as the joining or fusion of the described guide webs, as well as the support structure and the electrode structure, as described above.

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf die Kathodenstruktur bzw. den Zellrahmen beziehen, betreffen ebenso die Elektrolysezelle selbst das das Herstellungsverfahren, und umgekehrt.Configurations, features and/or advantages which in the present case relate to the cathode structure or the cell frame also relate to the electrolysis cell itself and the manufacturing process, and vice versa.

Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“ oder „bzw.“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.The term "and/or" or "respectively," when used in a series of two or more elements, means that any one of the listed elements may be used alone, or any combination of two or more of the listed elements may be used.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kathodenstruktur anhand einer schematischen Schnitt- oder Seitenansicht.
  • 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Zellerahmens, insbesondere seiner Kathodenseite.
  • 3 zeigt ähnlich zu 4 eine Perspektivansicht der entsprechenden Anode.
  • 4 deutet schematisch einen Elektrolyseur, umfassend einen erfindungsgemäßen Elektrolysestack, an.
  • 5 zeigt anhand einer schematischen Ansicht weitere Details der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle.
  • 6 deutet ein Schema einer Walzenbiegevorrichtung sowie erfindungsgemäße Verfahrensschritte anhand eines schematischen Flussdiagramms an.
Further details of the invention are described below with reference to the figures.
  • 1 shows a cathode structure according to the invention using a schematic sectional or side view.
  • 2 shows a schematic perspective view of the cell frame according to the invention, in particular its cathode side.
  • 3 shows similar to 4 a perspective view of the corresponding anode.
  • 4 schematically indicates an electrolyzer comprising an electrolysis stack according to the invention.
  • 5 shows further details of the electrolysis cell according to the invention using a schematic view.
  • 6 indicates a diagram of a roll bending device and method steps according to the invention using a schematic flow chart.

Die 7 bis 9 zeigen jeweils diagrammatisch verschiedene Parameter, wie in 7 den Volumendurchfluss des Elektrolyten, in 8 den Volumendurchfluss eines Kühlmittels sowie in 9 den Durchmesser einer Halbzelle jeweils in Abhängigkeit der Stromdichte.The 7 to 9 show diagrammatically different parameters, as in 7 the volume flow of the electrolyte, in 8 the volume flow of a coolant and 9 the diameter of a half-cell depending on the current density.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.In the exemplary embodiments and figures, identical or equivalent elements may be provided with the same reference numerals. The illustrated elements and their relative sizes are generally not to be considered to scale; rather, individual elements may be exaggeratedly thick or oversized for clarity and/or clarity.

1 deutet schematisch eine Elektrolysezelle 20 an. Bei der Elektrolysezelle 20 handelt es sich vorzugsweise um eine alkalische Zelle für die Wasserelektrolyse, welche insbesondere für den Druckbetrieb, insbesondere bei Drücken von 30 bis 40 bar, und Temperaturen von 80 °C bis 100 °C, eingerichtet ist. 1 schematically indicates an electrolysis cell 20. The electrolysis cell 20 is preferably an alkaline cell for water electrolysis, which is particularly designed for pressure operation, in particular at pressures of 30 to 40 bar, and temperatures of 80 °C to 100 °C.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft nun die Kathode (nicht explizit gekennzeichnet) der Zelle 20. Dazu ist in 1 im unteren Bereich eine Kathodenstruktur 1 gezeigt. Gegenüber der Kathode bzw. Kathodenstruktur 1 ist der Übersicht halber eine Anode 17 gekennzeichnet, welche von der Kathode durch einen Separator oder ein Diaphragma 14 getrennt ist.One aspect of the present invention now relates to the cathode (not explicitly marked) of the cell 20. For this purpose, 1 in the lower A cathode structure 1 is shown in this area. For the sake of clarity, an anode 17 is marked opposite the cathode or cathode structure 1, which is separated from the cathode by a separator or diaphragm 14.

Die Kathodenstruktur 1 umfasst eine Bipolarplatte 2 (siehe unten in der Darstellung). Die Bipolarplatte 2 kann beispielsweise ein Bipolarblech von einigen Millimetern Dicke, insbesondere 3 mm, darstellen.The cathode structure 1 comprises a bipolar plate 2 (see illustration below). The bipolar plate 2 can, for example, be a bipolar sheet a few millimeters thick, in particular 3 mm.

Weiterhin umfasst die Kathodenstruktur 1 Leitstege 3, welche insbesondere auf die Bipolarplatte 2 aufgeschweißt oder anderweitig mit dieser verbunden werden. Die Stege 3 können beispielsweise im Abstand von 7 cm bis 10 cm auf das Bipolarblech 2 aufgeschweißt werden. Die Stege 3 können weiterhin aus einem 3 mm Flachstahl hergestellt werden und eine Höhe (vgl. vertikale Ausdehnung in 1) von 10 mm bis 20 mm, vorzugsweise 15 mm, aufweisen.Furthermore, the cathode structure 1 comprises conductive webs 3, which are in particular welded onto the bipolar plate 2 or otherwise connected to it. The webs 3 can, for example, be welded onto the bipolar plate 2 at intervals of 7 cm to 10 cm. The webs 3 can also be made of 3 mm flat steel and have a height (cf. vertical extension in 1 ) of 10 mm to 20 mm, preferably 15 mm.

Mit ihrer Längsachse erstrecken sich die Stege 3 weiterhin vorzugsweise in die Darstellungsebene hinein, d. h. entlang einer Flussrichtung (vgl. Bezugszeichen 7 in 2) für den Elektrolyten, welche sich im Betrieb einer die Kathodenstruktur umfassenden elektrochemischen Zelle 20 ausbildet.With their longitudinal axis, the webs 3 preferably extend into the plane of representation, ie along a flow direction (cf. reference numeral 7 in 2 ) for the electrolyte, which is formed during operation of an electrochemical cell 20 comprising the cathode structure.

Die Strömungsleitstege 3 unterteilen so einen aktiven Zellbereich (vgl. Bezugszeichen 6 weiter unten) in, insbesondere äquidistante Abschnitte, wobei je zwei benachbarte Leitstege 3 im Betrieb der entsprechenden elektrochemischen Zelle 20 eine separate Strömungsebene für den Elektrolyten (vorliegend nicht explizit mit Bezugszeichen gekennzeichnet) definieren. Demgemäß können die Stege 3 auch als Abstandshalter oder Trennwände fungieren.The flow guide webs 3 thus divide an active cell area (see reference numeral 6 below) into, in particular, equidistant sections, whereby two adjacent guide webs 3 define a separate flow plane for the electrolyte (not explicitly identified by reference numerals here) during operation of the corresponding electrochemical cell 20. Accordingly, the webs 3 can also function as spacers or partitions.

Obwohl dies vorliegenden Figuren nicht explizit gekennzeichnet ist, können die Stege 3 gelocht, geschlitzt oder anderweitig strukturiert werden.Although this is not explicitly indicated in the present figures, the webs 3 can be perforated, slotted or otherwise structured.

Als nächstes Element der Kathodenstruktur 1 weist diese eine Trägerstruktur 4 auf, welche durch den zickzackartigen Verlauf oberhalb der Stege 3 angedeutet wird. Die vorzugsweise metallische Trägerstruktur 4 kann beispielsweise eine Dicke von 2 mm aufweisen und durch ein Streckmetall gebildet werden. Die Trägerstruktur 4 dient im Wesentlichen dem Tragen oder beabstandeten Verbinden der eigentlichen Elektrode, welche mit dem Bezugszeichen 5 angedeutet ist. Die Elektrode oder Elektronenstruktur 5 umfasst vorliegend ein beispielsweise etwa 5 mm bis 10 mm, insbesondere 7 mm, starkes Metallgeflecht, insbesondere ein Nickelgestrick, und weiter innen, d. h. näher zum Separator hin, ein Metallgewebe, insbesondere ein Nickel-Feingewebe.The next element of the cathode structure 1 is a support structure 4, which is indicated by the zigzag-like shape above the webs 3. The preferably metallic support structure 4 can, for example, have a thickness of 2 mm and be formed from expanded metal. The support structure 4 essentially serves to support or space the actual electrode, which is indicated by the reference numeral 5. The electrode or electron structure 5 comprises, in the present case, a metal mesh, for example, approximately 5 mm to 10 mm, in particular 7 mm, thick, in particular a nickel mesh, and further inside, i.e., closer to the separator, a metal mesh, in particular a fine nickel mesh.

Ganz rechts in der Darstellung der 1, sind - lediglich beispielhaft - mögliche Dicken- und Größenverhältnisse von Teilen der Kathodenstruktur 1 in Millimetern angegeben.On the far right in the illustration of the 1 , possible thickness and size ratios of parts of the cathode structure 1 are given in millimeters - merely as examples.

2 zeigt einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, nämlich einen Zellrahmen 10, welcher kompatibel mit der beschriebenen Kathodenstruktur 1 ausgebildet ist. 2 shows a further aspect of the present invention, namely a cell frame 10 which is designed to be compatible with the described cathode structure 1.

Der Zellrahmen 10 weist eine runde Form auf und besteht vorzugsweise größtenteils aus einem entsprechenden Profilstahl oder Stahlring (vgl. Beschreibung anhand der 6 weiter unten). Eine runde oder in Teilen rundliche Zellgeometrie erweist sich insbesondere hinsichtlich der mechanischen Kräfteverhältnisse, Integrität und Dichtheit als deutlich überlegen gegenüber viereckigen oder rechteckigen „Querschnitten“.The cell frame 10 has a round shape and preferably consists largely of a corresponding profile steel or steel ring (see description based on the 6 (see below). A round or partially round cell geometry proves to be significantly superior to square or rectangular "cross-sections," particularly with regard to mechanical force ratios, integrity, and tightness.

In einem Inneren des Rings weist der Zellrahmen 2 zwei gegenüberliegende Verteilerstrukturen 11 auf. Die Verteilerstrukturen 11 oder auch „Diffusorleisten“ definieren im Prinzip einen aktiven Zellbereich 6 seitlich. Der aktive Zellbereich 6 entspricht wiederum vorzugsweise in etwa der Fläche des Bipolarblechs 2, welches entlang der Verteilerstrukturen 11 vorzugsweise ebenfalls gerade Kanten aufweist, was eine Abweichung von der runden Zellgeometrie darstellt.In the interior of the ring, the cell frame 2 has two opposing distribution structures 11. The distribution structures 11, or "diffuser strips," essentially define an active cell region 6 laterally. The active cell region 6, in turn, preferably corresponds approximately to the area of the bipolar sheet 2, which preferably also has straight edges along the distribution structures 11, representing a deviation from the round cell geometry.

Die Verteilerstrukturen 11 definieren insbesondere auch eine Abweichung des aktiven Zellbereichs 6 von der runden oder ringförmigen Geometrie des Rahmens 10.The distribution structures 11 also define, in particular, a deviation of the active cell area 6 from the round or ring-shaped geometry of the frame 10.

Die Verteilerstrukturen 11 oder Verteilerleisten können weiterhin aus einem entsprechend für die Fluidkanäle bzw. die Elektrolytströmung geschlitzten Vierkantrohr bestehen. Insbesondere ermöglichen die Verteilerstrukturen 11 eine gleichmäßige Flussverteilung und unterstützten auch eine Dichtung der Zelle 20 mechanisch.The distribution structures 11 or distribution bars can also consist of a square tube with appropriate slots for the fluid channels or electrolyte flow. In particular, the distribution structures 11 enable uniform flow distribution and also mechanically support the sealing of the cell 20.

Obwohl die beschriebene Kathodenstruktur 1 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht vollständig in der 2 zu sehen ist, sind die Leitstege 3 erkennbar, welche sich im Wesentlichen senkrecht zum Verlauf (Längsachse) der Verteilerstrukturen 11 erstrecken.Although the described cathode structure 1 is not completely shown in the 2 can be seen, the guide webs 3 are visible, which extend essentially perpendicular to the course (longitudinal axis) of the distributor structures 11.

Als Merkmal der Verteilerkanäle 11 sind in 2 weiterhin Einlass- bzw. Auslassöffnungen bzw. entsprechende Kanäle 12 gezeigt, über welche der Zufluss des Elektrolyten, insbesondere NaOH oder KOH, im Betrieb der Zelle 20, bzw. dessen Abfluss in relativ hohen Durchflussraten zweckmäßig erfolgen kann. Ein weiteres Kanalsystem (internes „Manifolding“) ist der besseren Übersichtlichkeit in 2 ebenfalls nicht explizit gekennzeichnet. As a feature of the distribution channels 11, 2 Furthermore, inlet and outlet openings or corresponding channels 12 are shown, via which the inflow of the electrolyte, in particular NaOH or KOH, during operation of the cell 20, or its outflow at relatively high flow rates can be expediently An additional channel system (internal “manifolding”) is provided for better clarity in 2 also not explicitly marked.

Jedoch wird das Zusammenwirken der Öffnungen 12 der Verteilerstruktur 11 mit der beschriebenen Kathodenstruktur 1, bzw. deren Stegen 3 durch die Position der Kanalöffnungen 12 offenbar. Denn zwischen je zwei Stegen 3 ist vorzugsweise eine langgezogene, in etwa ovale oder halbmondförmige Öffnung 12 (für den Zufluss bzw. den Abfluss des Elektrolyten) vorgesehen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit vermitteln die Öffnungen 12 mithin die kathodische geradlinige Strömung des Elektrolyten, entweder von vorne nach hinten, oder umgekehrt.However, the interaction of the openings 12 of the distributor structure 11 with the described cathode structure 1, or rather its webs 3, is revealed by the position of the channel openings 12. This is because an elongated, approximately oval or crescent-shaped opening 12 (for the inflow or outflow of the electrolyte) is preferably provided between each two webs 3. Without limiting the generality, the openings 12 thus facilitate the cathodic, linear flow of the electrolyte, either from front to back or vice versa.

Über dieses erfindungsgemäße Zellkonzept lässt sich der Gasdurchsatz und die mögliche Stromdichte der Zelle gegenüber bekannten Konzepten um ein Mehrfaches steigern. Insbesondere ist eine mit der erfindungsgemäßen Kathodenstruktur bzw. mit dem erfindungsgemäßen Zellrahmen ausgerüstete elektrochemische Zelle insbesondere bei Stromdichten von mehr als 1 A/cm2 betreibbar.This inventive cell concept allows the gas throughput and the potential current density of the cell to be increased several times over compared to known concepts. In particular, an electrochemical cell equipped with the inventive cathode structure or cell frame can be operated particularly at current densities of more than 1 A/ cm² .

3 deutet ähnlich zu der 2 eine Anodenseite der entsprechenden Zelle 20 an, wobei ebenfalls ein Zellrahmen 10 zum Einsatz kommen kann. Die Versorgung der Anode mit Elektrolyt erfolgt jedoch vorzugsweise über ein anderes Kanal- oder Zuflusssystem, als auf der Kathodenseite. Dafür weist der Zellrahmen 10 die äußeren Öffnungen 15 im Ringrahmen auf. 3 indicates similar to the 2 an anode side of the corresponding cell 20, whereby a cell frame 10 can also be used. However, the anode is preferably supplied with electrolyte via a different channel or inflow system than on the cathode side. For this purpose, the cell frame 10 has the outer openings 15 in the ring frame.

Sowohl auf der Kathoden-, als auch auf der Anodenseite können im Ein- und auch im Auslassbereich für die Fluide oder Medien Einlegeteile oder Kunststoffelemente, beispielsweise aus PPSU, vorgesehen werden, welche die Dichtung der Zelle 20 und/oder des Diaphragmas 14 gewährleisten oder verbessern.On both the cathode and the anode side, inserts or plastic elements, for example made of PPSU, can be provided in the inlet and outlet areas for the fluids or media, which ensure or improve the sealing of the cell 20 and/or the diaphragm 14.

4 deutet schematisch einen Elektrolyseur 40 an, welcher einen Zellstack 30 von elektrochemischen Zellen 20 (siehe oben) umfasst. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung anhand der einzelnen Zelle potenzieren sich mithin über den Stack bis hin zum gesamten Elektrolysesystem. 4 schematically indicates an electrolyzer 40 comprising a cell stack 30 of electrochemical cells 20 (see above). The advantages of the present invention based on the individual cell are thus multiplied across the stack and the entire electrolysis system.

Daher ermöglicht die vorliegende Erfindung eine signifikante Verbesserung der AEL sogar auf industrialisiertem, Niveau und ebnet den Weg für die Herstellung von grünem Wasserstoff (aus regenerativer Energie) in besonders hohen Produktionsraten bzw. erneuerbaren Aufnahmeleistungen im Gigawattbereich.Therefore, the present invention enables a significant improvement of the AEL even at industrialized levels and paves the way for the production of green hydrogen (from renewable energy) at particularly high production rates or renewable uptake powers in the gigawatt range.

Durch das robuste neuartige und dennoch herstellungsseitig verhältnismäßig einfache und fehlertolerante Zellkonzept lassen sich insbesondere hohe Durchflussraten des Elektrolyten, insbesondere bis zu oder mehr als 60 l/min erreichen. Diese Führung des Elektrolyten beeinflusst vorliegend auch die Kühlung des Systems, weshalb die Durchflussrate insbesondere nur dann reduziert werden kann, wenn keine Kühlung an der Anode erfolgt, sondern diese anderweitig, beispielsweise ausschließlich auf der Kathodenseite, bewerkstelligt wird.The robust, innovative cell concept, which is nevertheless relatively simple and fault-tolerant in terms of manufacturing, allows for particularly high electrolyte flow rates, particularly up to or exceeding 60 l/min. This electrolyte flow also influences the cooling of the system, which is why the flow rate can only be reduced if cooling is not provided at the anode, but rather by other means, for example, exclusively on the cathode side.

5 zeigt nur einen Teil der Zelle 20, nämlich zwei Dichtungen 13, zwischen denen der Separator 14 oder das Diaphragma angeordnet, mithin gedichtet wird. Die Dichtungen stellen im wesentlichen ringförmige Flachdichtungen dar, welche im äußeren Bereich Ausnehmungen für die anodische Fluidzuführung (ähnlich zu den Öffnungen 15 der 3) haben. 5 shows only a part of the cell 20, namely two seals 13, between which the separator 14 or the diaphragm is arranged, thus sealed. The seals are essentially annular flat seals, which have recesses in the outer area for the anodic fluid supply (similar to the openings 15 of the 3 ) have.

Die beschriebene Dichtung 13 besteht vorzugsweise aus einem PPSU in einlagiger oder mehrlagiger Ausgestaltung. Die Dichtung 13 kann im Wege der Herstellung der Zelle 20 beispielsweise als (mehrlagiger) PPSU-Schaum mit dem Diaphragma 14 (heiss)verpresst werden. Dies kann insbesondere über geheizte Matrizen bei etwa 215 °C erfolgen. Das so erzeugte „Laminat“ ist im Gegensatz zu fluorfreien Elastomer-Dichtungen wie z.B. aus EPDM, vollständig medienverträglich und ermöglicht vorteilhaft eine mechanische Fixierung und „Polsterung“ des Diaphragmas. Gegenüber PTFE-Flachdichtungen weist das hier beschriebene Konzept vorteilhafterweise kein oder deutlich weniger Kriechverhalten bei Druckanwendungen auf. Dies reduziert wiederum vorteilhaft das ansonsten erforderliche mechanischen Nachspannen der Stacks.The described seal 13 preferably consists of a PPSU in a single-layer or multi-layer design. The seal 13 can be (hot-)pressed with the diaphragm 14 during the production of the cell 20, for example, as a (multi-layer) PPSU foam. This can be done in particular using heated dies at approximately 215 °C. The resulting "laminate" is, in contrast to fluorine-free elastomer seals such as EPDM, completely compatible with the media and advantageously enables mechanical fixation and "padding" of the diaphragm. Compared to PTFE flat seals, the concept described here advantageously exhibits no or significantly less creep behavior under pressure applications. This, in turn, advantageously reduces the otherwise required mechanical re-tensioning of the stacks.

Das hier beschriebene Zelldesign ermöglicht also weiterhin die Verwendung von fluorfreien Dichtungen vorzugsweise in der Kombination mit druckfesten vernickelten Stahlringzellen.The cell design described here still allows the use of fluorine-free seals, preferably in combination with pressure-resistant nickel-plated steel ring cells.

Das Herstellungsverfahren des Zellrahmen 10 wird weiterhin anhand der 6 näher beschrieben. Dort ist eine Walzenbiegevorrichtung 100 in Teilen vereinfacht skizziert. Diese Vorrichtung ist vorzugsweise zum Rundbiegen von Profilstählen vorgesehen.The manufacturing process of the cell frame 10 is further described by the 6 described in more detail. There, a roll bending device 100 is sketched in simplified form. This device is preferably intended for the round bending of profile steels.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in S1 das Bereitstellen eines Rechteckprofils 10, insbesondere Stahlprofils 10.The method according to the invention comprises in S1 the provision of a rectangular profile 10, in particular a steel profile 10.

Das Verfahren umfasst in S2 weiterhin das Rundbiegen des Rechteckprofils 10 in einer Walzenbiegevorrichtung 100, und, in S3, das Ausschneiden von Elektrolytkanälen 16 aus dem rundgebogenen Profils 10.The method further comprises, in S2, the round bending of the rectangular profile 10 in a roll bending device 100, and, in S3, the cutting out of electrolyte channels 16 from the rounded profile 10.

Ein Profilstahl oder Stahlring, welcher später den Zellrahmen 10 bilden soll, wird vorzugsweise ab einem Außendurchmesser von etwa 1 m aus einem 3 mm starken Rechteckprofil rundgebogen. Durch diese Methode kann gegenüber konventionellen Verfahren vorteilhaft Material- und Bearbeitungsaufwand eingespart werden. Bei bekannte Verfahren zur Herstellung von Stahlringzellen werden entsprechende Rohlinge aus Rohren abgestochen und die Dichtnuten und Medienkanäle mittels zerspanender Bearbeitung nachträglich integriert. Die hier beschriebene Fertigung basiert dagegen auf einfachem Rundbiegen von Stahlrohrprofilen. Ausschnitte für Elektrolytkanäle können nachträglich mittels Plasmaschneiden, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Brennschneiden integriert werden.A profile steel or steel ring, which will later form the cell frame 10, is preferably bent round from a 3 mm thick rectangular profile with an outer diameter of approximately 1 m or more. This method can advantageously save material and processing costs compared to conventional processes. In known processes for manufacturing steel ring cells, corresponding blanks are cut from tubes, and the sealing grooves and media channels are subsequently integrated using machining. The production described here, in contrast, is based on simple round bending of steel tube profiles. Cutouts for electrolyte channels can be subsequently integrated using plasma cutting, laser cutting, water jet cutting, or flame cutting.

Zellrahmen mit einem Außendurchmesser von über 1 m können vorzugsweise aus Grobblechen mittels Brennschneiden ausgebrannt und entgratet werden. Alternativ können kleinere Zellen auch durch Verschweißen von gebogenen Teilsegmenten gefertigt werden.Cell frames with an outer diameter of over 1 m can be flame-cut and deburred from heavy plate. Alternatively, smaller cells can also be manufactured by welding bent sub-segments.

Es wird nicht ausgeschlossen, dass Profilringe auch aus mehreren gebogenen Segmenten bzw. L-Profilen zusammengesetzt werden können. Dies ist insbesondere für kleinere Ringdurchmesser mit kritischen Biegeradien relevant. Profile werden in der Regel mit mehreren Zustellungen der Walzen gebogen.It is not excluded that profile rings can also be assembled from several bent segments or L-profiles. This is particularly relevant for smaller ring diameters with critical bending radii. Profiles are usually bent with multiple roll passes.

Das Bipolarblech 2 (enthaltend insbesondere auch die weiteren Elemente der Kathodenstruktur 1) kann anschließend in den Ring 10 eingeschweißt werden. Dazu erfolgt eine Vorwärmung der Komponenten vorzugsweise auf mindestens 180°C. Als Schweißverfahren können sogenannte MIG- bzw. MAG-Verfahren mit schnell gepulstem Lichtbogen herangezogen werden, um einen thermischen Verzug bzw. eine Nachbearbeitung weitgehend zu verhindern. Sodann können im Wege der Herstellung der Zelle die Stege 3 kathodenseitig auf die Bipolarplatte 2 aufgeschweißt werden.The bipolar plate 2 (containing, in particular, the other elements of the cathode structure 1) can then be welded into the ring 10. For this purpose, the components are preheated, preferably to at least 180°C. MIG or MAG welding processes with fast pulsed arcs can be used to largely prevent thermal distortion or post-processing. The webs 3 can then be welded onto the bipolar plate 2 on the cathode side during cell production.

Gemäß einer Abwandlung können nach dem Verschweißen des Bipolarblechs 2 in den Ring auch noch die beschriebene Trägerstruktur 4 als auch die Elektronenstruktur 5 entsprechend eingeschweißt werden.According to a modification, after welding the bipolar sheet 2 into the ring, the described support structure 4 as well as the electron structure 5 can also be welded accordingly.

Weiterhin können in das Stahlringprofil Isolationsstrecken (vorliegend nicht explizit gekennzeichnet) integriert werden. Diese können beispielsweise durch Einziehen von Schläuchen bzw. durch Ausgießen der Struktur mittels Epoxidharz erstellt werden.Furthermore, insulation sections (not explicitly marked here) can be integrated into the steel ring profile. These can be created, for example, by inserting hoses or by filling the structure with epoxy resin.

Das hier beschriebene Zelldesign ermöglich insbesondere vorteilhaft die Verwendung von kostengünstigen Konstruktionsbaustählen und Profilstählen. Die so konstruierten Zellen weisen eine hohe Druckfestigkeit auf, da die Bipolarplatte, als auch die eingeschweißten Querprofile die nach außen wirkende Kräfte weitgehend zuverlässig kompensieren. Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Materialverschnitt gegenüber konventionellen Herstellungstechniken vorteilhaft erheblich reduziert.The cell design described here particularly advantageously enables the use of cost-effective structural steels and profile steels. The cells constructed in this way exhibit high compressive strength, as the bipolar plate and the welded cross sections largely reliably compensate for the outwardly acting forces. Furthermore, the process according to the invention advantageously significantly reduces material waste compared to conventional manufacturing techniques.

7 zeigt ein Diagramm mit beispielhaften Daten der Volumen-Durchflussrate des Elektrolyten, aufgetragen über der Stromdichte J. Durch den ansatzweise proportionalen Verlauf lässt sich ableiten, dass zum Erreichen von hohen Stromdichten entsprechend hohe Durchflussraten erforderlich, durch das vorgestellte Konzept aber auch erreichbar sind. 7 shows a diagram with exemplary data of the volume flow rate of the electrolyte, plotted against the current density J. From the roughly proportional curve, it can be deduced that correspondingly high flow rates are required to achieve high current densities, but are also achievable with the presented concept.

8 zeigt eine ähnliche Abhängigkeit wie anhand der 7 gezeigt auch für die Kühlflussrate in Abhängigkeit der Stromdichte. 8 shows a similar dependency as with the 7 also shown for the cooling flow rate as a function of current density.

9 zeigt zudem ein ähnliches Verhalten der Halbzellendicke d des sogenannten „Katholyten“ oder der entsprechenden Kammerdicke in Abhängigkeit der Stromdichte. Der abgebildete Parameter der Halbzell- oder Katholytdicke mag in etwa der Höhe der Leitstege 3 entsprechen (siehe oben). 9 also shows a similar behavior of the half-cell thickness d of the so-called "catholyte" or the corresponding chamber thickness as a function of current density. The depicted parameter of the half-cell or catholyte thickness may roughly correspond to the height of the conducting bars 3 (see above).

Sämtliche in den 7 bis 9 dargestellten Daten entsprechen eine Auslegung der Zellkonfiguration bei Atmosphärendruck (ca. 1 bar). Es ist erkennbar, dass die angestrebten Stromdichten bis ca. 1 A/cm2 bei den jeweils aufgetragenen Parametern also bereits ohne Druckbetrieb der Zelle erreichbar sind. Dementsprechend ist das vorgestellte Zellkonzept recht großzügig dimensioniert, und es wird evident, dass die erfindungsgemäßen Vorteile erst recht im Druckbetrieb, beispielsweise oberhalb von einem bar bis 20 bar, oder sogar in einem Bereich zwischen 30 bar und 40 bar evident werden, obwohl diesbezüglich keine expliziten Daten beschrieben werden.All in the 7 to 9 The data presented correspond to a cell configuration design at atmospheric pressure (approx. 1 bar). It is evident that the desired current densities of up to approximately 1 A/ cm² can be achieved with the parameters plotted, even without operating the cell under pressure. Accordingly, the cell concept presented is quite generously dimensioned, and it is evident that the advantages of the invention become even more apparent under pressure, for example, above 1 bar to 20 bar, or even in a range between 30 bar and 40 bar, although no explicit data is described in this regard.

Der Fachmann ist bekannt, dass der Druckbetrieb insbesondere das Ausbilden von großen Gasblasen verhindert und somit die ohmsche Verluste erheblich reduziert. Mit anderen Worten wird die Effizienz der Zelle ohne maßgebliche Einbußen der Lebensdauer über den Druckbetrieb vorteilhafterweise gesteigert.Those skilled in the art know that pressurized operation, in particular, prevents the formation of large gas bubbles and thus significantly reduces ohmic losses. In other words, the efficiency of the cell is advantageously increased through pressurized operation without significantly compromising its service life.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (15)

Kathodenstruktur (1) für eine alkalische Elektrolysezelle (20), wobei die Kathodenstruktur (1) eine Bipolarplatte (2) umfasst, welche mit Leitstegen (3) verbunden ist, und wobei die Leitstege (3) einen aktiven Zellbereich (6) unterteilen, und entlang einer Elektrolyt-Flussrichtung (7) ausgerichtet sind.Cathode structure (1) for an alkaline electrolysis cell (20), wherein the cathode structure (1) comprises a bipolar plate (2) which is connected to conducting webs (3), and wherein the conducting webs (3) divide an active cell region (6) and are aligned along an electrolyte flow direction (7). Kathodenstruktur (1) gemäß Anspruch 1, wobei je zwei benachbarte Leitstege (3) im Betrieb einer entsprechenden elektrochemischen Zelle (20) eine separate Strömungsebene für einen Elektrolyten definieren.Cathode structure (1) according to Claim 1 , wherein each two adjacent guide webs (3) define a separate flow plane for an electrolyte during operation of a corresponding electrochemical cell (20). Kathodenstruktur (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Bipolarplatte (2) zwei gegenüberliegende gerade Kanten aufweist, welche insbesondere eine Abweichung von einer runden Zellgeometrie definieren.Cathode structure (1) according to Claim 1 or 2 , wherein the bipolar plate (2) has two opposite straight edges which in particular define a deviation from a round cell geometry. Kathodenstruktur (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitstege (3) an einem der Bipolarplatte (2) abgewandten Ende mit einer Trägerstruktur (4) verbunden sind, wobei die Trägerstruktur (4) eine Elektrodenstruktur (5) für die Kathode trägt.Cathode structure (1) according to one of the preceding claims, wherein the conducting webs (3) are connected to a support structure (4) at an end facing away from the bipolar plate (2), wherein the support structure (4) carries an electrode structure (5) for the cathode. Kathodenstruktur (1) gemäß Anspruch 4, wobei die Elektrodenstruktur (5) ein Metallgeflecht, insbesondere ein Nickelgestrick, und ein Metallgewebe, insbesondere ein Nickel-Feingewebe, aufweist.Cathode structure (1) according to Claim 4 , wherein the electrode structure (5) comprises a metal mesh, in particular a nickel mesh, and a metal fabric, in particular a nickel fine fabric. Zellrahmen (10) für eine alkalische Elektrolysezelle (20), wobei der Zellrahmen (10) die Kathodenstruktur (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche umfasst, sowie eine Verteilerstruktur (11), wobei die Verteilerstruktur (11) einen aktiven Zellbereich (6) definiert und zur Erzielung einer gleichmäßigen Flussverteilung der Zelle (20) eingerichtet ist.Cell frame (10) for an alkaline electrolysis cell (20), wherein the cell frame (10) comprises the cathode structure (1) according to one of the preceding claims, and a distributor structure (11), wherein the distributor structure (11) defines an active cell region (6) and is configured to achieve a uniform flow distribution of the cell (20). Zellrahmen (10) gemäß Anspruch 6, wobei die Leitstege (3) senkrecht zu der Verteilerstruktur (11) ausgerichtet sind.Cell frame (10) according to Claim 6 , wherein the guide webs (3) are aligned perpendicular to the distributor structure (11). Zellrahmen (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, welcher eine Ringkonstruktion ist, insbesondere umfassend einen vernickelten Stahlring, wobei die Verteilerstruktur (11) im Inneren des Rings angeordnet ist.Cell frame (10) according to Claim 6 or 7 which is a ring construction, in particular comprising a nickel-plated steel ring, wherein the distributor structure (11) is arranged inside the ring. Zellrahmen (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Verteilerstruktur (11) Verteilerkanäle zum Führen eines Elektrolyten definiert, wobei der Zellrahmen (10) derart eingerichtet ist, dass jeweils zwischen zwei benachbarten Leitstegen (3) ein Verteilerein- bzw. Verteilerauslasskanal (12) angeordnet ist.Cell frame (10) according to one of the Claims 6 until 8 , wherein the distributor structure (11) defines distributor channels for guiding an electrolyte, wherein the cell frame (10) is arranged such that a distributor inlet and distributor outlet channel (12) is arranged between each two adjacent guide webs (3). Elektrolysezelle (20), insbesondere für die alkalische Wasserelektrolyse, umfassend kathodenseitig einen Zellrahmen (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Zelle (20) für Drücke von 30 bar bis 40 bar, Temperaturen von 80 °C bis 100 °C, und/oder zum Führen der Medien H2, O2, und/oder hochkonzentrierter NaOH bzw. KOH eingerichtet ist.Electrolysis cell (20), in particular for alkaline water electrolysis, comprising on the cathode side a cell frame (10) according to one of the Claims 6 until 9 , wherein the cell (20) is designed for pressures of 30 bar to 40 bar, temperatures of 80 °C to 100 °C, and/or for carrying the media H 2 , O 2 , and/or highly concentrated NaOH or KOH. Elektrolysezelle (20) gemäß Anspruch 10, welche eine fluorfreie Dichtung (13), insbesondere umfassend einen PPSU-Kunststoff, aufweist, wobei die Dichtung (13) sowohl zum Dichten der Zelle (20) insgesamt als auch für die Abdichtung eines Diaphragmas (14) der Zelle (20) eingerichtet ist.Electrolysis cell (20) according to Claim 10 which has a fluorine-free seal (13), in particular comprising a PPSU plastic, wherein the seal (13) is designed both for sealing the cell (20) as a whole and for sealing a diaphragm (14) of the cell (20). Stack-Anordnung (30) mit einer Mehrzahl von Elektrolysezellen (10) gemäß Anspruch 11.Stack arrangement (30) with a plurality of electrolysis cells (10) according to Claim 11 . Elektrolyseur (40) mit einer Mehrzahl von Stacks (30) gemäß Anspruch 12.Electrolyzer (40) with a plurality of stacks (30) according to Claim 12 . Verfahren zur Herstellung eines Zellrahmens (10) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, umfassend die Schritte: - (S1) Bereitstellen eines Rechteckprofils (10), insbesondere Stahlprofils, - (S2) Rundbiegen des Rechteckprofils (10) in einer Walzenbiegevorrichtung (100), und - (S3) Ausschneiden von Elektrolytkanälen (16) aus dem rundgebogenen Profil (10), mittels Plasmaschneiden, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Brennschneiden.Method for producing a cell frame (10) according to one of the Claims 6 until 9 , comprising the steps: - (S1) providing a rectangular profile (10), in particular a steel profile, - (S2) round bending the rectangular profile (10) in a roll bending device (100), and - (S3) cutting out electrolyte channels (16) from the rounded profile (10) by means of plasma cutting, laser cutting, water jet cutting or flame cutting. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei anschließend eine Bipolarplatte (2) an einer Kathodenseite in den Profilring eingeschweißt wird, sowie anschließend die Leitstege (3), sowie insbesondere die Träger- (4) und die Elektronenstruktur (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 verschweißt oder verbunden werden.Procedure according to Claim 14 , wherein a bipolar plate (2) is subsequently welded into the profile ring on a cathode side, and then the guide webs (3), and in particular the carrier (4) and the electron structure (5) according to one of the Claims 1 until 4 welded or connected.
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