DE102024203226A1

DE102024203226A1 - Gas diffusion layer for an electrolysis cell

Info

Publication number: DE102024203226A1
Application number: DE102024203226.3A
Authority: DE
Inventors: Julian Kink; Andre Klinger; Cornelius Kühn; Günter Schmid
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2024-04-09
Filing date: 2024-04-09
Publication date: 2025-10-09
Also published as: WO2025214639A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionslage (5) für eine Elektrolysezelle (1), umfassend eine Feinlage (51), eine Groblage (52) wobei die Feinlage (51) eine Feinstruktur mit Poren einer ersten Porengröße umfasst, wobei die Groblage (52) eine Grobstruktur mit Poren einer zweiten Porengröße umfasst, wobei die Groblage (52) eine Vielzahl von Spiralelementen (520) umfasst, wobei die Spiralelemente (520) verwoben sind, wobei mindestens ein Spiralelement (520) frei beweglich ist, insbesondere frei rotierbar ist, wobei die Gasdiffusionslage ferner mindestens eine Zwischenlage (53) umfasst, wobei die mindestens eine Zwischenlage (53) eine Zwischenstruktur mit Poren einer Zwischenporengröße umfasst,wobei die Zwischenlage (53) zwischen der Feinlage (51) und der Groblage (52) angeordnet ist, wobei die Zwischenporengröße größer als die der Feinlage (51) ist und wobei die Zwischenporengröße kleiner als die der Groblage (52) ist. The invention relates to a gas diffusion layer (5) for an electrolysis cell (1), comprising a fine layer (51), a coarse layer (52), wherein the fine layer (51) comprises a fine structure with pores of a first pore size, wherein the coarse layer (52) comprises a coarse structure with pores of a second pore size, wherein the coarse layer (52) comprises a plurality of spiral elements (520), wherein the spiral elements (520) are woven, wherein at least one spiral element (520) is freely movable, in particular freely rotatable, wherein the gas diffusion layer further comprises at least one intermediate layer (53), wherein the at least one intermediate layer (53) comprises an intermediate structure with pores of an intermediate pore size, wherein the intermediate layer (53) is arranged between the fine layer (51) and the coarse layer (52), wherein the intermediate pore size is larger than that of the fine layer (51) and wherein the intermediate pore size is smaller than that of the coarse layer (52) is.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionslage für eine Elektrolysezelle und ein Herstellungsverfahren einer Gasdiffusionslage.The present invention relates to a gas diffusion layer for an electrolysis cell and a manufacturing method of a gas diffusion layer.

Die Produktion von Wasserstoff aus Wasser erfolgt in Elektrolysezellen über einen Prozess der Elektrolyse genannt wird.The production of hydrogen from water takes place in electrolytic cells through a process called electrolysis.

Eine Elektrolysezelle umfasst zwei Halbzellen, eine anodische Halbzelle und eine kathodische Halbzelle, wobei beide Halbzellen an einer Membran zusammenliegen. Jede Halbzelle weist eine Bipolarplatte auf, die eine Gasdiffusionslage kontaktiert, wobei die Gasdiffusionslage die Elektrode auf der Membran kontaktiert oder selbst die Elektrode darstellt. Die Elektrode beschreibt das Bauelement, welches auf dem Katalysator angeordnet ist und an welcher die elektrochemische Reaktion stattfindet. Durch die Anordnung der Elektroden und der Aufgabe von elektrischem Strom ergibt sich ein Potentialfeld durch welches sich Ionen in Bewegung setzen. Die Bewegung der Ionen erfolgt dabei im leitfähigen Elektrolyten, d.h. dem flüssigen Elektrolyten in jeder Halbzelle, sowie einen potentiell festem Elektrolyten (Membran), der die Halbzellen voneinander trennt. Durch den Ionenfluss durch die Elektrolyten fließt schließlich ein Ionenstrom von einer Halbzelle zur anderen Halbzelle, wobei an den jeweiligen Elektroden Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff erzeugt werden.An electrolysis cell comprises two half-cells, an anodic half-cell and a cathodic half-cell, with both half-cells connected by a membrane. Each half-cell has a bipolar plate that contacts a gas diffusion layer, with the gas diffusion layer contacting the electrode on the membrane or constituting the electrode itself. The electrode is the component arranged on the catalyst at which the electrochemical reaction takes place. The arrangement of the electrodes and the application of electric current creates a potential field through which ions move. The movement of the ions occurs in the conductive electrolyte, i.e., the liquid electrolyte in each half-cell, and a potentially solid electrolyte (membrane) that separates the half-cells. The flow of ions through the electrolytes ultimately creates an ion current from one half-cell to the other, producing hydrogen or oxygen at the respective electrodes.

Die Zellreaktionen der Wasserstoff- und Sauerstoffbildung im alkalischen Milieu lauten:

Anode 40H- → 2H₂O + O₂ + 4e-, E=+0,40 V
Kathode 2H₂O + 2e- → 2OH- + H₂, E°= - 0,83 V

The cellular reactions of hydrogen and oxygen formation in an alkaline environment are:

anode 40H- → 2H ₂ O + O ₂ + 4e-, E=+0.40 V
cathode 2H ₂ O + 2e- → 2OH- + H ₂ , E°= - 0.83 V

Eine räumliche Trennung der Zellreaktionen wird durch oben genannte Membran ermöglicht, welche den ionischen Transport durch die Elektrolysezelle zulässt. Im Fall der Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEM-Wasser-Elektrolyse) erfolgt dies durch die Nutzung einer Hydroxid-Ionen leitenden Membran.Spatial separation of the cellular reactions is made possible by the aforementioned membrane, which allows ionic transport through the electrolysis cell. In the case of anion exchange membrane electrolysis (AEM water electrolysis), this is achieved by using a hydroxide ion-conducting membrane.

Die Elektrolysezellen werden typischerweise in sogenannten Stacks in Reihe geschaltet. Jeder Elektrolyseur weist hierbei eine Ein- oder Vielzahl an Stacks auf.The electrolysis cells are typically connected in series in so-called stacks. Each electrolyzer has one or more stacks.

Eine Elektrolysezelle mit den Elektroden stellt insbesondere eine elektrische Baugruppe dar, wobei an den einzelnen Komponenten der Baugruppe ebenfalls elektrische Widerstände oder Impedanzen auftreten. Diese elektrischen Widerstände geben letztendlich die Betriebsspannung der Elektrolysezelle vor.An electrolysis cell with its electrodes represents, in particular, an electrical assembly, with electrical resistances or impedances occurring at the individual components of the assembly. These electrical resistances ultimately determine the operating voltage of the electrolysis cell.

Zwei Widerstände sind für den industriellen Betrieb von besonderer Bedeutung, nämlich der Aktivierungswiderstand der Elektrolysereaktion und der ohmsche Widerstand der Elektrolysezelle. Der Aktvierungswiderstand wird maßgeblich von den Elektroden, beziehungsweise dem Katalysator der Elektrolysereaktion und dessen Umgebung vorgegeben. Der ohmsche Widerstand wird von allen leitfähigen Komponenten beeinflusst wird. Insbesondere spielen im Fall des ohmschen Widerstandes, die Membranwiderstände beziehungsweise die Elektrolytwiderstände und Kontaktwiderstände eine übergeordnete Rolle.Two resistances are particularly important for industrial operation: the activation resistance of the electrolysis reaction and the ohmic resistance of the electrolysis cell. The activation resistance is largely determined by the electrodes, or rather, the catalyst of the electrolysis reaction, and its environment. The ohmic resistance is influenced by all conductive components. In the case of ohmic resistance, the membrane resistances, or rather, the electrolyte resistances and contact resistances, play a particularly important role.

Der Kontaktwiderstand zwischen der Gasdiffusionslage und der Bipolarplatte ist eine Funktion des Anpressdruckes welcher durch Spannelemente wie Zuganker, Spannfedern oder Spanngurten aufgebracht wird.The contact resistance between the gas diffusion layer and the bipolar plate is a function of the contact pressure which is applied by tensioning elements such as tension rods, tension springs or tensioning belts.

Nach dem Stand der Technik werden die Gasdiffusionslagen als Streckmetall, Drahtgeflechten und starren, geprägten Bipolarplatten realisiert auf denen gegebenenfalls ein metall- oder kohlenstoffbasierendes Faservließ gelegt wird. Die Steifigkeit dieser Baugruppen ist außerordentlich hoch und die Kompressibilität relativ gering. Dies hat zur Folge, dass im Fall einer ungenügenden Planparallelität die Bipolarplatten und den Gasdiffusionslagen inhomogen aneinandergepresst werden und sich somit unterschiedlich große Kontaktflächen ausbilden. Abweichungen im lokalen Anpressdruck führen so schließlich zu lokal unterschiedlichen Kontaktwiderständen und damit zu einer unerwünschten Stromdichteverteilung, die beispielsweise das Schmelzen oder aneinanderschweißen, oder korrodieren der Bauteile begünstigt. Dies resultiert letztendlich in einer Degradation des Elektrolyseurs.According to the state of the art, the gas diffusion layers are realized as expanded metal, wire mesh, and rigid, embossed bipolar plates, onto which a metal- or carbon-based fiber fleece is optionally placed. The rigidity of these assemblies is extremely high and their compressibility is relatively low. This means that, in the case of insufficient plane parallelism, the bipolar plates and the gas diffusion layers are pressed together inhomogeneously, thus forming contact surfaces of different sizes. Deviations in the local contact pressure ultimately lead to locally varying contact resistances and thus to an undesirable current density distribution, which promotes, for example, melting or welding together, or corrosion of the components. This ultimately results in degradation of the electrolyzer.

Um den Kontaktwiderstand gering zu halten werden die einzelnen Metalllagen bzw. Drahtfasern bisher miteinander verschweißt oder starr verwebt. Dies führt jedoch zu einer erhöhten Steifigkeit und zu möglichen Zunderstellen. Aus Streckmetallen zusammengesetzte Gasdiffusionslagen zeigen ein irreversibles Setzverhalten, beziehungsweise werden solche Gasdiffusionslagen unter der angewandten Kompression plastisch deformiert.To keep contact resistance low, the individual metal layers or wire fibers are currently welded or rigidly woven together. However, this leads to increased stiffness and potential scaling. Gas diffusion layers composed of expanded metal exhibit irreversible settling behavior, or they are plastically deformed under the applied compression.

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Gasdiffusionslage, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen.Based on the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved gas diffusion layer and a corresponding manufacturing method.

Die Aufgabe wird durch eine Gasdiffusionslage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.The problem is solved by a gas diffusion layer having the features of claim 1. Advantageous further developments emerge from the subclaims, the description, and the figures.

Entsprechend wird eine Gasdiffusionslage für eine Elektrolysezelle vorgeschlagen, umfassend eine Feinlage und eine Groblage, wobei eine Feinlage eine Feinstruktur mit Feinporen umfasst und eine Groblage eine Grobstruktur mit Grobporen umfasst, wobei die Groblage eine Vielzahl von Spiralelementen umfasst, wobei die Spiralelemente verwoben sind, wobei mindestens ein Spiralelement frei beweglich ist, insbesondere frei rotierbar ist, wobei die Gasdiffusionslage ferner mindestens eine Zwischenlage umfasst, wobei die mindestens eine Zwischenlage eine Zwischenstruktur mit Poren einer Zwischenporengröße umfasst, wobei die Zwischenlage zwischen der Feinlage und der Groblage angeordnet ist, wobei die Zwischenporengröße größer als die der Feinlage ist und wobei die Zwischenporengröße kleiner als die der Groblage ist.Accordingly, a gas diffusion layer for an electrolysis cell is proposed, comprising a fine layer and a coarse layer, wherein a fine layer comprises a fine structure with fine pores and a coarse layer comprises a coarse structure with coarse pores, wherein the coarse layer comprises a plurality of spiral elements, wherein the spiral elements are woven, wherein at least one spiral element is freely movable, in particular freely rotatable, wherein the gas diffusion layer further comprises at least one intermediate layer, wherein the at least one intermediate layer comprises an intermediate structure with pores of an intermediate pore size, wherein the intermediate layer is arranged between the fine layer and the coarse layer, wherein the intermediate pore size is larger than that of the fine layer and wherein the intermediate pore size is smaller than that of the coarse layer.

Die Gasdiffusionslage ist zwischen der Bipolarplatte und der Membran der Elektrolysehalbzelle angeordnet. Die Gasdiffusionslage hat die Aufgabe eine gleichmäßige Stromverteilung über der Membran herzustellen, so dass die Ionen der Elektrolysereaktion gleichmäßig durch die Membran propagieren können. Gleichzeitig muss die Gasdiffusionslage derart porös beziehungsweise löchrig ausgestaltet sein, so dass ein Transport der Ionen durch die Poren möglich ist.The gas diffusion layer is arranged between the bipolar plate and the membrane of the electrolysis half-cell. The gas diffusion layer's task is to ensure a uniform current distribution across the membrane, allowing the ions from the electrolysis reaction to propagate evenly through the membrane. At the same time, the gas diffusion layer must be porous or perforated enough to allow the ions to be transported through the pores.

Die Bipolarplatte ist hierbei mit der Groblage der Gasdiffusionslage in elektrischem Kontakt und die Groblage steht typischerweise mit der Feinlage über die Zwischenlage in elektrischem Kontakt und die Feinlage ist in mechanischem Kontakt mit der Membran. Es kann aber auch sein, dass die Groblage über eine weitere Lage mit der Bipolarplatte in elektrischen Kontakt steht. Die Kontakte werden durch einen mechanischen Anpressdruck bereitgestellt, der durch den Anpressdruck durch Spannelemente wie Zuganker, Spannfedern oder Spanngurte auf die Halbzelle aufgebracht werden kann.The bipolar plate is in electrical contact with the coarse layer of the gas diffusion layer, and the coarse layer is typically in electrical contact with the fine layer via the intermediate layer, and the fine layer is in mechanical contact with the membrane. However, the coarse layer can also be in electrical contact with the bipolar plate via another layer. The contacts are provided by a mechanical contact pressure, which can be applied to the half-cell by clamping elements such as tension rods, tension springs, or tension belts.

Durch den dadurch variablen Anpressdruck ist auch der Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplatte und der Groblage, zwischen der Groblage und der Zwischenlage sowie zwischen der Zwischenlage und der Feinlage variabel. Gewissermaßen kann durch einen größeren Anpressdruck die Kontaktfläche zwischen den Komponenten erhöht werden, so dass bei gleich großer Leitfähigkeit ein geringerer Kontaktwiderstand entsteht.Due to the resulting variable contact pressure, the contact resistance between the bipolar plate and the coarse layer, between the coarse layer and the intermediate layer, and between the intermediate layer and the fine layer is also variable. In a sense, greater contact pressure can increase the contact area between the components, resulting in lower contact resistance with the same conductivity.

Die Groblage weist eine Grobstruktur auf mit einer Federeigenschaft entlang der Flächennormalen der Groblage auf. Dadurch kann bei einem inhomogenen Anpressdruck entlang der Oberflächennormalen der Lage dennoch ein homogener Kontaktwiderstand entlang der Kontaktfläche erzeugt werden.The coarse layer has a coarse structure with a spring property along the surface normal of the coarse layer. This allows for a homogeneous contact resistance along the contact surface even when the contact pressure is inhomogeneous along the surface normal of the layer.

Die Feinlage weist eine Feinstruktur auf, die eine möglichst homogene Stromverteilung bereitstellt. Die Feinlage wird typischerweise aus einem Vlies aus leitfähigen Fasern bereitgestellt, die jedoch alleine nicht die nötige mechanische Stabilität aufweisen und deshalb über die Zwischenlage mit der Groblage elektrisch kontaktiert werden.The fine layer has a fine structure that ensures the most homogeneous current distribution possible. The fine layer is typically made of a nonwoven fabric made of conductive fibers, which, however, do not provide the necessary mechanical stability on their own and are therefore electrically connected to the coarse layer via the intermediate layer.

Die Grobstruktur der Groblage umfasst insbesondere Grobporen, während die Feinstruktur Feinporen aufweist. Eine Pore ist eine Aussparung in der Fläche der jeweiligen Lage. Eine Grobpore ist hierbei lediglich eine größere Aussparung als eine Feinpore.The coarse structure of the coarse layer comprises, in particular, large pores, while the fine structure has fine pores. A pore is a recess in the surface of the respective layer. A coarse pore is simply a larger recess than a fine pore.

Die Groblage umfasst eine Vielzahl von Spiralelementen. Die Spiralelemente winden sich entlang der Spiralachse um die Spiralachse herum. Die Spiralelemente werden hierbei charakterisiert durch die Händigkeit der Spiralelemente. Beispielsweise winden sich sie Spiralelemente im Uhrzeigersinn odergegen den Uhrzeigersinn um die Spiralachse herum. Die Spiralelemente werden weiter charakterisiert durch die Anzahl an Windungen pro Wegstrecke entlang der Spiralachse, beziehungsweise der Windungslänge, sowie durch den Windungsdurchmesser, also dem zweifachen radialen Abstand der Windung zur Spiralachse. In der Spiralstruktur werden die Spiralen senkrecht zueinander verwebt. Diese Art der Verwebung lässt die einzelne Spirale zwar beweglich, der Verbund der Spiralen bildet jedoch ein formstabiles Gewebe.The coarse layer comprises a multitude of spiral elements. The spiral elements wind around the spiral axis along the spiral axis. The spiral elements are characterized by their handedness. For example, they wind clockwise or counterclockwise around the spiral axis. The spiral elements are further characterized by the number of turns per path along the spiral axis, or the turn length, as well as by the turn diameter, i.e., twice the radial distance of the turn from the spiral axis. In the spiral structure, the spirals are woven perpendicular to one another. This type of weaving allows the individual spirals to be flexible, but the interconnected spirals form a dimensionally stable fabric.

Somit ist prinzipiell das einzelne Spiralelement frei rotierbar, da es durch eine Drehung um die Spiralachse aus der Groblage geschraubt werden könnte.Thus, in principle, the individual spiral element is freely rotatable, since it could be unscrewed from the coarse position by rotating it around the spiral axis.

Besonders bevorzugt ist jedes Spiralelement frei beweglich. Dadurch kann insbesondere eine Gasdiffusionslage bereitgestellt werden, die durch eine geeignete Wahl der Spiralelemente eine hohe mechanische Beweglichkeit senkrecht zur Gewebeebene gegenüber den weiteren mechanischen Bauteilen aufweist, dies führt dazu, das lokale Plantoleranzen ausgeglichen werden können. Dies gilt insbesondere dann, wenn großflächige Zellen hergestellt werden müssen. Besonders Vorteilhaft ist daher, die elastische Deformierbarkeit des Spiralgewebes bei Druckbeanspruchung.Particularly preferably, each spiral element is freely movable. This makes it possible to provide, in particular, a gas diffusion layer that, through a suitable selection of the spiral elements, exhibits high mechanical mobility perpendicular to the fabric plane relative to the other mechanical components. This allows local flat tolerances to be compensated. This is especially true when large-area cells must be produced. The elastic deformability of the spiral fabric under compressive stress is therefore particularly advantageous.

Durch die Spiralstruktur kann eine gleichmäßige Kontaktierung der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage gewährleistet werden.The spiral structure ensures uniform contact between the bipolar plate and the gas diffusion layer.

Erfindungsgemäß umfasst die Gasdiffusionslage auch eine Zwischenlage, welche eine Zwischenstruktur mit Poren einer Zwischenporengröße umfasst. Dies kann bedeuten, dass die Zwischenporengröße größer als die der Feinlage ist und dass die Zwischenporengröße kleiner als die der Groblage ist.According to the invention, the gas diffusion layer also comprises an intermediate layer comprising an intermediate structure with pores of an intermediate pore size. This can mean that the intermediate pore size is larger than that of the fine layer and that the intermediate pore size is smaller than that of the coarse layer.

Beispielsweise kann die Zwischenstruktur feinmaschiger sein als die Grobstruktur und grobmaschiger als die Feinstruktur.For example, the intermediate structure can be finer-meshed than the coarse structure and coarser-meshed than the fine structure.

Die Zwischenlage wird zwischen der Feinlage und der Groblage angeordnet. Auf diese Weise kann gewissermaßen die lokale Stromdichte zwischen den einzelnen Lagen angepasst werden. Wenn die Groblage direkt auf die Feinlage gelegt werden würde, so würde die Anzahl der stromführenden Kontaktpunkte durch die Grobstruktur beschränkt der Groblage beschränkt. Der gesamte Strom müsste also durch eine beschränkte Zahl an stromführenden Kontaktpunkten durch die Gasdiffusionslage fließen, was zu hohen Stromdichten an jedem Kontaktpunkt führt zwischen der Groblage und der Feinlage führt. Die hohe Stromdichte kann beispielsweise in der Feinlage durch die feine Struktur des leitfähigen Vlieses zu Beschädigungen des Vlieses führen.The intermediate layer is placed between the fine layer and the coarse layer. In this way, the local current density between the individual layers can be adjusted to a certain extent. If the coarse layer were placed directly on top of the fine layer, the number of current-carrying contact points would be limited by the coarse structure of the coarse layer. The total current would therefore have to flow through a limited number of current-carrying contact points through the gas diffusion layer, which leads to high current densities at each contact point between the coarse layer and the fine layer. The high current density in the fine layer, for example, can lead to damage to the fleece due to the fine structure of the conductive fleece.

Wird jedoch eine Zwischenlage zwischen der Groblage und der Feinlage angeordnet, wobei die Zwischenporengröße größer als die der Feinlage ist und kleiner als die der Groblage ist, so wird dadurch die Anzahl an stromführenden Kontaktpunkten zwischen der Groblage und der Feinlage erhöht, so dass die Stromdichte in jedem Kontaktpunkt geringer ist, womit Beschädigungen vermieden werden können.However, if an intermediate layer is arranged between the coarse layer and the fine layer, with the intermediate pore size being larger than that of the fine layer and smaller than that of the coarse layer, the number of current-carrying contact points between the coarse layer and the fine layer is increased, so that the current density at each contact point is lower, thus preventing damage.

Die Gasdiffiusionslage kann mindestens zwei Zwischenschichten aufweisen, wobei die mindestens zwei Zwischenschichten unterschiedliche Porengrößen aufweisen, wobei die Zwischenschichten so angeordnet sind, dass sie mit ansteigender Entfernung von der Feinlage eine aufsteigende Porengröße aufweisen.The gas diffusion layer may comprise at least two intermediate layers, wherein the at least two intermediate layers have different pore sizes, wherein the intermediate layers are arranged such that they have an increasing pore size with increasing distance from the fine layer.

Äquivalent hierzu können die Schichten mit ansteigender Entfernung zur Groblage auch eine absteigende Porengröße aufweisen.Equivalently, the layers can also have decreasing pore sizes with increasing distance from the coarse layer.

Durch weitere Zwischenlagen kann die obige Verbesserung weiter zwischen den einzelnen Lagen eingestellt werden, so dass ein möglichst beschädigungsarmer Betrieb der Gasdiffusionslage ermöglicht wird.By adding additional intermediate layers, the above improvement can be further adjusted between the individual layers, so that the gas diffusion layer can be operated with as little damage as possible.

Beispielsweise kann die Gasdiffussionslage insgesamt vier oder fünf Lagen aufweisen.For example, the gas diffusion layer can have a total of four or five layers.

Die Spiralelemente der Grobstruktur können eine Deformationskraft senkrecht zur Spiralachse in eine Torsion um die Spiralachse zu überführen.The spiral elements of the coarse structure can convert a deformation force perpendicular to the spiral axis into a torsion around the spiral axis.

Bei einem Wärmeeintrag in die Struktur, welcher insbesondere bei höheren Stromdichten durch den Innenwiderstand der Zelle ausgelöst wird, dehnt sich der Draht der Spirale in Längsrichtung aus. Dies hat zur Folge, dass die Spiralelemente entlang der Spiralachse gestreckt werden.When heat is introduced into the structure, which is triggered by the cell's internal resistance, especially at higher current densities, the wire of the spiral expands longitudinally. This causes the spiral elements to stretch along the spiral axis.

Wenn die Groblage entlang der Oberflächennormalen der Lage belastet wird, so kommt es auf Grund der Federwirkung der Windungen der Spiralelemente zu einer elastischen Deformation. Beispielsweise wird der Windungsdurchmesser des Spiralelements lokal durch die Belastung reduziert (gestaucht). Entlang der Spiralachse schlägt sich dies bei gleichbleibender Windungslänge in einer Torsion nieder.When the coarse layer is loaded along the surface normal to the layer, elastic deformation occurs due to the spring action of the spiral element coils. For example, the coil diameter of the spiral element is locally reduced (compressed) by the load. Along the spiral axis, this results in torsion, while the coil length remains constant.

Diese Deformation ist bevorzugt vollständig reversibel, so dass bei einer anschließend unbelasteten Groblage die ursprüngliche Windungszahl und die ursprüngliche wiederhergestellt wird. Die Reversibilität der Spirale beruht hierbei auf der Federkonstanten des Spiralelements.This deformation is preferably completely reversible, so that the original number of turns and the original position are restored upon subsequent unloaded coarse position. The reversibility of the spiral is based on the spring constant of the spiral element.

Damit wird eine minimale laterale Ausdehnung der Groblage bei einer Belastung erreicht, wodurch die angrenzenden Strukturen der Elektrolysezelle, wie beispielsweise der Zellrahmen wenig oder nicht mechanisch belastet wird und die Gefahr, dass Baugruppen oder Komponenten mechanisch verklemmen, reduziert wird.This ensures minimal lateral expansion of the coarse layer under load, which places little or no mechanical stress on the adjacent structures of the electrolysis cell, such as the cell frame, and reduces the risk of assemblies or components becoming mechanically jammed.

Im Unterschied zu den starren Streckmetalllagen, Drahtgeweben oder Faltblechen des Standes der Technik, führt eine Kompression somit nicht zu Materialspannungen und damit nicht zu inhomogene Druckspitzen, die im ungünstigsten Fall zu mechanischen Verkeilungen im Elektrolyseur führen.In contrast to the rigid expanded metal layers, wire mesh or folded sheets of the state of the art, compression does not lead to material stresses and thus not to inhomogeneous pressure peaks, which in the worst case lead to mechanical jamming in the electrolyzer.

Im Druckbetrieb des Elektrolyseurs, können zudem Differenzdrücke zwischen den anodischen und kathodischen Halbzellen auftreten. Die beschriebenen Gasdiffusionslagen können durch den mehrlagigen Aufbau bestehend aus Feinstruktur, Zwischenstruktur und Grobstruktur demnach die Membran entsprechend dynamisch und lokal abstützen, so dass diese den Kräften im Elektrolyseur standhält und nicht unnötig mechanisch belastet wird.During pressurized operation of the electrolyzer, differential pressures can also occur between the anodic and cathodic half-cells. The described gas diffusion layers, with their multilayered structure consisting of a fine structure, intermediate structure, and coarse structure, can provide dynamic and local support for the membrane, ensuring that it can withstand the forces in the electrolyzer and is not subjected to unnecessary mechanical stress.

Die Spiralelemente können miteinander verwebt sein, wobei pro Windung des Spiralelements mindestens ein Knotenpunkt existiert, indem vier Spiralelemente miteinander reibschlüssig verbunden sind, wobei das erste und das zweite Spiralelement parallel zueinander laufen, insbesondere doppelhelix-artig miteinander verwunden sind, wobei das dritte und das vierte Spiralelement parallel zueinander laufen, insbesondere doppelhelix-artig miteinander verwunden sind, wobei das dritte Spiralelement und das vierte Spiralelement senkrecht zum ersten Spiralelement und zum zweiten Spiralelement laufen.The spiral elements can be interwoven with each other, with at least one node point existing per winding of the spiral element, in which four spiral elements are connected to each other in a frictional manner, with the first and the second spiral element running parallel to each other, in particular double are twisted together in a lix-like manner, wherein the third and the fourth spiral element run parallel to each other, in particular are twisted together in a double helix-like manner, wherein the third spiral element and the fourth spiral element run perpendicular to the first spiral element and to the second spiral element.

Reibschlüssig ist die Verbindung der Spiralelemente, wenn sie lösbar ist, dynamisch belastbar ist und kein Spiel der Spiralelemente auftritt.The connection of the spiral elements is frictionally engaged if it is detachable, can withstand dynamic loads and there is no play in the spiral elements.

Diese Webart ermöglicht, dass jedes einzelne Spiralelement der Grobstruktur flexibel bewegbar sein kann. Flexibel bewegbar bedeutet, dass die Spirale um ihre Spiralachse rotieren kann aber auch entlang ihrer Spiralachse gedehnt oder gestaucht werden kann, also insbesondere tordiert werden kann. Somit weist jedes Spiralelement der Grobstruktur einen Bewegungsfreiheitsgrad längs zur Spiralachse aber auch einen Rotationsfreiheitsgrad um die Spiralachse auf.This weave allows each individual spiral element of the coarse structure to be flexibly movable. Flexible movement means that the spiral can rotate around its spiral axis, but can also be stretched or compressed along its spiral axis—in particular, it can be twisted. Thus, each spiral element of the coarse structure has a degree of freedom of movement along the spiral axis, as well as a degree of freedom of rotation around the spiral axis.

Durch eine solche Webart wird insbesondere eine Grobstruktur bereitgestellt, dessen freibewegliche Spiralelemente eine homogenere Anpressung der angrenzenden Komponenten und einen besseren Toleranzausgleich bieten.Such a weave in particular provides a coarse structure whose freely movable spiral elements offer a more homogeneous contact pressure of the adjacent components and a better tolerance compensation.

Beispielsweise kann die Groblage einen Toleranzausgleich zwischen 100µm bis 500µm, bevorzugt von 200µm aufweisen. Beispielsweise kann die Groblage einen Toleranzausgleich von mindestens 5 %, bevorzugt von 10%, besonders bevorzugt von mindestens 20% der Dicke der Groblage aufweisen.For example, the coarse layer can have a tolerance compensation of between 100 µm and 500 µm, preferably 200 µm. For example, the coarse layer can have a tolerance compensation of at least 5%, preferably 10%, and particularly preferably at least 20% of the thickness of the coarse layer.

Der Drahtdurchmesser kann zwischen 0,3mm und 1,5mm betragen, beispielsweise 0,7mm betragen und/oder die Maschenweite kann zwischen 2mm und 10mm betragen, beispielsweise 6mm betragen und/oder die Lochöffnung kann zwischen 2mm und 8mm betragen, beispielsweise 3,5mm betragen und/oder die Dicke der Groblage kann zwischen 3mm und 10mm betragen, beispielsweise 5mm betragen.The wire diameter can be between 0.3mm and 1.5mm, for example 0.7mm and/or the mesh size can be between 2mm and 10mm, for example 6mm and/or the hole opening can be between 2mm and 8mm, for example 3.5mm and/or the thickness of the coarse layer can be between 3mm and 10mm, for example 5mm.

Dadurch können die Kompressibilität beziehungsweise die Spannkraft eingestellt werden. Insbesondere kann der Kontaktwiderstand durch eine geeignete Wahl der Parameter eingestellt werden.This allows the compressibility and clamping force to be adjusted. In particular, the contact resistance can be adjusted by selecting appropriate parameters.

Bei einer besonders bevorzugten Variante für Anionautauschmembran-Elektrolyse beträgt die Drahtstärke 0,7 mm, die Maschenweite 6 mm, die Lochöffnung 3,5 mm und die Gesamtdickte 5 mm.In a particularly preferred variant for anion exchange membrane electrolysis, the wire thickness is 0.7 mm, the mesh size is 6 mm, the hole opening is 3.5 mm and the total thickness is 5 mm.

Bei einer besonders bevorzugten Variante für die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse beträgt die Drahtstärke 0,5 mm, die Maschenweite 6 mm, die Lochöffnung 3,5 mm und die Gesamtdickte von 5 mm.In a particularly preferred variant for proton exchange membrane electrolysis, the wire thickness is 0.5 mm, the mesh size is 6 mm, the hole opening is 3.5 mm and the total thickness is 5 mm.

Die Grobporen der Groblage können einen Durchmesser aufweisen, der dem 100-fachen bis zum 1000-fachen des Durchmessers der Feinporen der Feinlage entspricht.The coarse pores of the coarse layer can have a diameter that is 100 to 1000 times the diameter of the fine pores of the fine layer.

Dies sorgt bereits für eine homogenere Stromdichteverteilung, so dass insbesondere Spannungsspitzen vermieden werden und dadurch die Lebensdauer der Elektrolysezelle erhöht wird.This already ensures a more homogeneous current density distribution, so that voltage peaks in particular are avoided and the service life of the electrolysis cell is increased.

Durch die Zwischenschichten mit den Poren, deren Durchmesser kleiner als das 100-fache bis 1000-fachen des Durchmessers der Feinporen sind, kann die Stromdichteverteilung weiter homogenisiert werden.The current density distribution can be further homogenized by the intermediate layers with pores whose diameters are smaller than 100 to 1000 times the diameter of the fine pores.

Es ist zudem möglich, die Stromdichteverteilung durch Beschichtungen der einzelnen Lagen weiter zu verbessern. Durch die Beschichtung kann die Groblage und/oder eine andere der Lagen ebenfalls als Elektrokatalysator dienen. Insgesamt kann mit einer Beschichtung auch die gesamte Gasdiffusionslage als Elektrokatalysator dienen.It is also possible to further improve the current density distribution by coating the individual layers. This coating allows the coarse layer and/or another layer to also serve as an electrocatalyst. With a coating, the entire gas diffusion layer can also serve as an electrocatalyst.

Die Feinstruktur der Feinlage und kann faserartige und/oder pulverartige Strukturen umfassen, wobei die Faserstärke zwischen 10µm und 50µm beträgt und/oder Lochbleche mit einem Lochdurchmesser zwischen 2mm bis 10mm umfassen und/oder geflochtene feinmaschige Netzstrukturen umfassen und/oder gestrickte Lagen. Zudem kann die Feinlage eine Dicke zwischen 0,2 und 1mm aufweisen.The fine structure of the fine layer can comprise fibrous and/or powder-like structures, with a fiber thickness between 10 µm and 50 µm, and/or perforated sheets with a hole diameter between 2 mm and 10 mm, and/or braided, fine-mesh net structures, and/or knitted layers. Furthermore, the fine layer can have a thickness between 0.2 and 1 mm.

Dadurch kann eine sehr gute Querleitfähigkeit, also eine Leitfähigkeit in der Lage und damit eine sehr gute Verteilung des Stromes erreicht werden. Der Strom, der von den Kontaktpunkten an die Elektroden des Elektrolyseurs fließt, wird mit einer solchen dieser Struktur homogen verteilt.This allows for very good transverse conductivity, i.e., conductivity in the layer, and thus a very good current distribution. The current flowing from the contact points to the electrolyzer's electrodes is distributed evenly with this structure.

Bevorzugt sind hierbei faserartige Strukturen, die in der Regel als Vlies ausgebildet werden.Fibrous structures, which are usually formed as nonwovens, are preferred.

Die Zwischenstruktur der mindestens einen Zwischenlage kann je nach gewünschter Porengröße verschiedene Strukturen umfassen, beispielsweise feinmaschige Spiralgeflechte, Streckbleche, Lochbleche, geflochtene feinmaschige Netzstrukturen, Drahtgelege, Drahtgestrick, faserartige und/oder pulverartige Strukturen.The intermediate structure of the at least one intermediate layer can comprise various structures depending on the desired pore size, for example fine-mesh spiral braids, expanded metal sheets, perforated metal sheets, braided fine-mesh net structures, wire mesh, knitted wire mesh, fibrous and/or powder-like structures.

Beispielsweise kann eine erste Zwischenlage eine Lochblech sein, eine zweite Zwischenlage kann ein feinmaschiges Spiralgeflecht sein und eine dritte Zwischenlage kann ein Drahtgelege sein.For example, a first intermediate layer can be a perforated sheet, a second intermediate layer can be a fine-meshed spiral mesh and a third intermediate layer can be a wire mesh.

Es hat sich gezeigt, dass sich durch Kombination der Groblage mit einer Zwischenlage, beispielsweise einem Streckblech mit einer Maschenweite von 2,5 × 2 mm² und einer sehr feinen Feinlage, beispielsweise einer Vliesstruktur aus Edelstahlvließ oder Kohlenstoffvließ eine sehr homogene Druckverteilung auf die Membran einstellt.It has been shown that by combining the coarse layer with an intermediate layer, for example an expanded metal sheet with a mesh size of 2.5 × 2 mm ² and a very fine fine layer, for example a fleece structure made of stainless steel fleece or carbon fleece, a very homogeneous pressure distribution on the membrane is achieved.

Die Feinlage, Zwischenlage und die Groblage können insbesondere aus einem NiCr-Basisstahl gefertigt werden. Bei den oben genannten Faserstärken und Drahtstärken können jedoch auch andere Metalle wie Ni, Ti oder Legierungen (beispielsweise 1.4404, 1.4571, 1.4550, 1.4541, 1.4539, 2.4816, 2.4066, 2.4819) eingesetzt werden.The fine layer, intermediate layer, and coarse layer can be made from a NiCr-based steel. However, for the fiber and wire thicknesses mentioned above, other metals such as Ni, Ti, or alloys (e.g., 1.4404, 1.4571, 1.4550, 1.4541, 1.4539, 2.4816, 2.4066, 2.4819) can also be used.

Die Feinlage, die mindestens eine Zwischenlage und die Groblage können insbesondere miteinander versintert anstatt miteinander verschweißt sein, siehe unten. Die Feinlage, die mindestens eine Zwischenlage und die Groblage können auch lediglich aufeinandergelegt werden.The fine layer, the at least one intermediate layer, and the coarse layer can, in particular, be sintered together instead of welded together (see below). The fine layer, the at least one intermediate layer, and the coarse layer can also simply be placed on top of one another.

Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Herstellungsverfahren einer Gasdiffusionslage mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.The above-mentioned object is further achieved by a method for producing a gas diffusion layer having the features of claim 12. Advantageous developments of the method emerge from the subclaims as well as the present description and the figures.

Entsprechend wird ein Herstellungsverfahren einer Gasdiffusionslage vorgeschlagen wobei die Feinlage, die mindestens eine Zwischenlage und die Groblage miteinander versintert werden, insbesondere diffusionsversintert werden.Accordingly, a manufacturing method of a gas diffusion layer is proposed, wherein the fine layer, the at least one intermediate layer and the coarse layer are sintered together, in particular diffusion-sintered.

Beim Versintern werden die Feinlage, die mindestens eine Zwischenlage und die Groblage aufeinandergelegt und anschließend miteinander verbacken. Die Feinlage, die mindestens eine Zwischenlage und die Groblage sind dabei insbesondere nicht miteinander verschweißt, jedoch stoffschlüssig miteinander verbunden.During sintering, the fine layer, at least one intermediate layer, and the coarse layer are placed on top of each other and then baked together. The fine layer, at least one intermediate layer, and the coarse layer are not welded together, but are bonded together.

Dadurch kann in der Gasdiffusionslage die Bildung von Mischphasen im Metallgefüge vermieden werden. Solche Mischphasen können beispielsweise beim Zusammenschweißen der Streckmetalllagen durch einen hohen lokalen Hitzeeintrag ausgelöst werden. Derartige Mischphasen können die Bildung von Passivierungsschichten verhindern und -durch die mangelnde Passivierung - Korrosion begünstigen. Dementsprechend wird durch ein Versintern der Lagen eine Ausbildung einer gleichmäßigen Passivierungsschicht ermöglicht, wodurch die Gasdiffusionslage gegen Korrosion geschützt werden kann.This prevents the formation of mixed phases in the metal structure in the gas diffusion layer. Such mixed phases can be triggered, for example, by high local heat input when welding the expanded metal layers together. Such mixed phases can prevent the formation of passivation layers and, due to the lack of passivation, promote corrosion. Accordingly, sintering the layers enables the formation of a uniform passivation layer, which can protect the gas diffusion layer against corrosion.

Des Weiteren bilden die Feinlage, die mindestens eine Zwischenlage und die Groblage eine stoffschlüssig verbundene einzelne Komponente und eine funktionstüchtige Einheit.Furthermore, the fine layer, at least one intermediate layer and the coarse layer form a materially connected individual component and a functional unit.

Die Feinlage, die mindestens eine Zwischenlage und die Groblage können in einer Schutzgasatmosphäre versintert werden.The fine layer, at least one intermediate layer and the coarse layer can be sintered in a protective gas atmosphere.

Das Versintern in Schutzgasatmosphäre hat zur Folge, dass sich die Feinlage, die mindestens eine Zwischenlage und die Groblage via Diffusion miteinander verbinden, jedoch auf Grund des fehlenden Sauerstoffs und der eher milden Temperaturen keine Zunderstellen oder oxidischen Einlagerungen bilden.Sintering in a protective gas atmosphere results in the fine layer, at least one intermediate layer and the coarse layer bonding together via diffusion, but due to the lack of oxygen and the rather mild temperatures, no scale spots or oxide deposits are formed.

Die Bindung beim Versintern ist immer stoffschlüssig und bietet daher einen optimalen Kontakt mit einem minimalen Kontaktwiderstand zwischen den Komponenten. Die Oberflächen der Feinlage, der mindestens eine Zwischenlage und der Groblage können im Vorfeld entfettet und gebeizt werden um die Versinterung der Drähte, Fasern und anderer Strukturen zu erleichtern.The bond during sintering is always materially bonded, thus ensuring optimal contact with minimal contact resistance between the components. The surfaces of the fine layer, at least one intermediate layer, and the coarse layer can be degreased and pickled beforehand to facilitate the sintering of wires, fibers, and other structures.

Die Sintertemperatur kann zwischen 700°C und 1200°C betragen, bevorzugt 900°C betragen und/oder die Feinlage, die mindestens eine Zwischenlage und die Groblage können bei einem Druck zwischen 10MPa und 100MPa, bevorzugt 40MPa versintert werden und/oder die Heizrate kann 50°C/min betragen.The sintering temperature can be between 700°C and 1200°C, preferably 900°C and/or the fine layer, the at least one intermediate layer and the coarse layer can be sintered at a pressure between 10MPa and 100MPa, preferably 40MPa and/or the heating rate can be 50°C/min.

Bevorzugte Parameter für die Versinterung ist eine Sintertemperatur von 900°C bei einem Druck von 40 MPa und Heizraten von 50 °C/min. Dadurch können sich die Spiralelemente immer noch frei bewegen, obwohl sie an bestimmten Kontaktpunkten mit der Feinlage versintert sind. Die Eigenschaften der besseren Querstromleitfähigkeit der Feinlage sind nun mit der reversiblen Kompressibilität, dem Toleranzausgleich und der damit homogeneren Ankontaktierung gepaart.Preferred sintering parameters are a sintering temperature of 900°C at a pressure of 40 MPa and heating rates of 50°C/min. This allows the spiral elements to still move freely, even though they are sintered to the fine layer at certain contact points. The properties of the fine layer's improved cross-flow conductivity are now combined with reversible compressibility, tolerance compensation, and thus more homogeneous contact.

Die Gasdiffusionslage kann mit Ni und/oder NiP und/oder NiTi und/oder NiFe beschichtet werden.The gas diffusion layer can be coated with Ni and/or NiP and/or NiTi and/or NiFe.

Dadurch kann die Stromtragfähigkeit und der Ohm'sche Widerstand der Gasdiffusionslage verringert werden, während die Nickelbasisbeschichtung gleichzeitig verschleißhemmende Eigenschaften aufweist, wie beispielsweise Abrasions-und Korrosionsschutz.This allows the current carrying capacity and the ohmic resistance of the gas diffusion layer to be reduced, while the nickel-based coating simultaneously has wear-inhibiting properties, such as abrasion and corrosion protection.

Die Beschichtung kann stromlos, galvanisch oder durch Gasphasenverfahren, insbesondere Sputtern, Lichtbogenverdampfung oder Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden wird.The coating can be deposited electrolessly, galvanically or by gas phase processes, in particular sputtering, arc evaporation or electron beam evaporation.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage.A further aspect of the invention relates to an electrolysis cell with a gas diffusion layer according to the invention.

Kurze Beschreibung der FigurenShort description of the characters

Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ein schematischer Aufbau einer Elektrolyseur-Halbzelle
2A, B eine schematische Darstellung der ersten Spiralstruktur;
3A, B eine schematische Darstellung der Deformation in z-Richtung und Rotation der Spiralstruktur;
4 Ergebnisse eines Anpressungsversuchs, links: Gasdiffusionslage nach dem Stand der Technik, rechts: erfindungsgemäße Gasdiffusionslage;
5 eine Druckverformungskennlinie der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage;
6A, B eine Feinstruktur der Feinlage; und
7 die Unterschiede in der Fertigungstechnologie einer Elektrolysezelle in Bezug auf ein CCM- und CCS- Design.

Preferred further embodiments of the invention are explained in more detail in the following description of the figures. In the figures:

1 a schematic structure of an electrolyzer half-cell
2A , B a schematic representation of the first spiral structure;
3A , B a schematic representation of the deformation in z-direction and rotation of the spiral structure;
4 Results of a contact pressure test, left: gas diffusion layer according to the state of the art, right: gas diffusion layer according to the invention;
5 a compression set characteristic of the gas diffusion layer according to the invention;
6A , B a fine structure of the fine layer; and
7 the differences in the manufacturing technology of an electrolysis cell with regard to a CCM and CCS design.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.Preferred embodiments are described below with reference to the figures. Identical, similar, or equivalent elements in the different figures are provided with identical reference numerals, and a repeated description of these elements is partially omitted to avoid redundancies.

In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäßer Elektrolysezelle 1 gezeigt. Die Elektrolysezelle 1 ist unterteilt in eine anodische Halbzelle 10 und eine kathodische Halbzelle 12, wobei beide Zellen an der Membran 6 zusammenfallen. Jede Halbzelle 10, 12 weist eine Bipolarplatte 2 auf, die eine Gasdiffusionslage 5 kontaktiert, wobei die Gasdiffusionslage 5 eine Feinlage 51, eine Zwischenlage 53 und eine Groblage 52 aufweist. Zwischen der Bipolarplatte 2 und der Gasdiffusionslage 5 sind der Zellrahmen 3 sowie Dichtungen 4 angeordnet. Die beiden Halbzellen 10, 12 werden durch Befestigungsmittel wie Zuganker 7 aufeinandergepresst, so dass die Komponenten der Elektrolysezelle 1 miteinander in mechanischem beziehungsweise elektrischem Kontakt stehen (sofern sie leitfähig sind).In 1 An electrolysis cell 1 according to the invention is shown schematically. The electrolysis cell 1 is divided into an anodic half-cell 10 and a cathodic half-cell 12, with both cells converging at the membrane 6. Each half-cell 10, 12 has a bipolar plate 2 that contacts a gas diffusion layer 5, wherein the gas diffusion layer 5 has a fine layer 51, an intermediate layer 53, and a coarse layer 52. The cell frame 3 and seals 4 are arranged between the bipolar plate 2 and the gas diffusion layer 5. The two half-cells 10, 12 are pressed together by fastening means such as tension rods 7, so that the components of the electrolysis cell 1 are in mechanical or electrical contact with each other (provided they are conductive).

Durch den Zuganker 7 wird demnach ein Anpressdruck aufgebaut, der sind in der Elektrolysezelle 1 homogen verteilen soll. Durch Fertigungstoleranzen kann es jedoch in der Elektrolysezelle 1 zu Spannungsspitzen des Materials insbesondere im Bereich der Gasdiffusionslagen 5 kommen, so dass es ebenfalls zu einer inhomogenen Verteilung des Kontaktwiderstandes zwischen den elektrischen Komponenten 6, 51, 52 der Zelle kommt, welche Beschädigungen nach sich ziehen kann.The tension rod 7 therefore creates a contact pressure that is intended to be distributed evenly throughout the electrolysis cell 1. However, manufacturing tolerances can lead to stress peaks in the material of the electrolysis cell 1, particularly in the area of the gas diffusion layers 5, which can also lead to an inhomogeneous distribution of the contact resistance between the electrical components 6, 51, 52 of the cell, which can result in damage.

In 1 ist zudem schematisch gezeigt, dass die Zwischenlage 53 zwischen der Feinlage 51 und der Groblage 52 angeordnet ist. Durch die Schraffur wird schematisch verdeutlicht, dass die Zwischenporengröße der Poren der Zwischenlage 53 größer als die Porengröße der Feinlage 51 ist und kleiner als die der Groblage 52 ist.In 1 It is also schematically shown that the intermediate layer 53 is arranged between the fine layer 51 and the coarse layer 52. The hatching schematically illustrates that the pore size of the pores in the intermediate layer 53 is larger than the pore size of the fine layer 51 and smaller than that of the coarse layer 52.

Gewissermaßen sind die Lagen so angeordnet, dass es einen abfallenden Gradienten der Porengröße von der Bipolarplatte 2 zur Membran 6 hin gibt. Die Gasdiffusionslage 5 wird somit ausgehend von der Bipolarplatte 2 zur Membran 6 hin immer feinmaschiger.In a sense, the layers are arranged in such a way that there is a decreasing gradient of pore size from the bipolar plate 2 to the membrane 6. The gas diffusion layer 5 thus becomes increasingly finer meshed from the bipolar plate 2 to the membrane 6.

In 2 ist die Groblage 52 gezeigt. Die Groblage 52 umfasst eine Vielzahl von Spiralelementen 520, die freibeweglich und insbesondere frei rotierbar beziehungsweise frei tordierbar sind.In 2 The coarse layer 52 is shown. The coarse layer 52 comprises a plurality of spiral elements 520, which are freely movable and, in particular, freely rotatable or freely twistable.

Beispielsweise laufen das erste Spiralelement 521 und das zweite Spiralelement 522 parallel zueinander. Insbesondere fallen die Spiralachsen der Spiralelemente 521, 522 zusammen. Die beiden Spiralelemente 521, 522 bilden für sich genommen eine Doppelhelix-Struktur, da sie ineinander verwunden sind.For example, the first spiral element 521 and the second spiral element 522 run parallel to each other. In particular, the spiral axes of the spiral elements 521, 522 coincide. The two spiral elements 521, 522 form a double helix structure because they are intertwined.

Selbiges gilt für das dritte Spiralelement 523 und das vierte Spiralelement 524.The same applies to the third spiral element 523 and the fourth spiral element 524.

Die ersten und zweiten Spiralelemente 521, 522 stehen hierbei senkrecht zu den dritten und vierten Spiralelemente 523, 524. Insbesondere bilden die Spiralelemente 521, 522, 523, 524 einen Knotenpunkt K, indem alle Spiralelemente reibschlüssig miteinander verbunden sind.The first and second spiral elements 521, 522 are perpendicular to the third and fourth spiral elements 523, 524. In particular, the spiral elements 521, 522, 523, 524 form a node K in which all spiral elements are frictionally connected to one another.

Eine reibschlüssige Verbindung wird etwa dadurch erreicht, dass das erste Spiralelement 521 im Knotenpunkt K unter dem dritten Spiralelement 523 und über dem vierten Spiralelement 524 entlanggeführt wird, während das zweite Spiralelement 522 über dem dritten Spiralelement 523 und unter dem vierten Spiralelement 524 entlanggeführt wird. Gleichzeitigt wird das dritte Spiralelement 523 im Knotenpunkt K unter dem zweiten Spiralelement 522 und über dem ersten Spiralelement 521 entlanggeführt wird, während, das vierte Spiralelement 522 über dem zweiten Spiralelement 523 und unter dem ersten Spiralelement 524 entlanggeführt wird.A frictional connection is achieved, for example, by guiding the first spiral element 521 at node K under the third spiral element 523 and above the fourth spiral element 524, while the second spiral element 522 is guided above the third spiral element 523 and below the fourth spiral element 524. At the same time, the third spiral element 523 is guided at node K under the second spiral element 522 and above the first spiral element 521, while the fourth spiral element 522 is guided above the second spiral element 523 and below the first spiral element 524.

2B zeigt eine entsprechende Fotographie solcher verwebter Spiralelemente 520. 2B shows a corresponding photograph of such interwoven spiral elements 520.

3 zeigt den Effekt der Torsion eines Spiralelements 520 durch vertikalen Druck in einer FEM-Simulation, wobei die Verformung in x-Richtung in 3A und die Verformung in z-Richtung in 3B dargestellt wird. Die Windungen des Spiralelements 520 passen sich durch den ausgeübten Druck der Auflagefläche an, wodurch etwaige Erhöhungen oder Vertiefungen in der jeweiligen Auflagefläche ausgeglichen werden. Dadurch kommt es insgesamt zu einer gleichmäßigen Kontaktfläche. Dies geschieht etwa, indem das Spiralelement 520 entlang der Spiralachse tordiert wird, sprich die Spirale lokal ihre Windungszahl anpasst (dunkle Verfärbung). Die Fertigungstoleranzen benachbarter Bauteile und Komponenten können dadurch deutlich fertigungsfreundlicher und somit ökonomisch sinnvoller gewählt werden. Dies kann zu einer erheblichen Kostenreduktion insbesondere bei Bauteilen mit entsprechend großer Ausdehnung führen. Hierbei ist ein Toleranzausgleich im Bereich von 100 µm - 500 µm, bevorzugt 200µm, möglich. Der Toleranzausgleich kann auch mindestens 5 %, bevorzugt von 10%, besonders bevorzugt von mindestens 20% der Dicke der Groblage betragen. 3 shows the effect of torsion of a spiral element 520 by vertical pressure in a FEM simulation, where the deformation in the x-direction is 3A and the deformation in z-direction in 3B The turns of the spiral element 520 adapt to the contact surface due to the pressure exerted, thereby compensating for any elevations or depressions in the respective contact surface. This results in an overall uniform contact surface. This occurs, for example, by twisting the spiral element 520 along the spiral axis, i.e. the spiral locally adjusts its number of turns (dark discoloration). The manufacturing tolerances of adjacent parts and components can thus be selected in a much more production-friendly and thus economically sensible manner. This can lead to a considerable cost reduction, particularly for components with a correspondingly large extent. Tolerance compensation in the range of 100 µm - 500 µm, preferably 200 µm, is possible. The tolerance compensation can also be at least 5%, preferably 10%, particularly preferably at least 20% of the thickness of the coarse layer.

4 zeigt einen Drucktest der homogenen Ankontaktierung. In 4 ist links eine herkömmliche Groblage 52, bestehend aus einem Streckmetall, dargestellt, während rechts die neuartige Groblage 52 aus den verwobenen Spiralelementen 520 dargestellt ist. Die Punkte auf den unterliegenden Blättern zeigen die Kontaktierungspunkte der beiden Groblagen 52. Je schwärzer die Farbe, desto höher der Anpressdruck. Hervorzuheben ist hierbei die gleichmäßige Punktgröße die mit der Groblage aus verwobenen Spiralelementen erreicht wird, während links deutliche Form- und Größenunterschiede zu erkennen sind. Dementsprechend wird eine deutliche Verbesserung des Kontaktwiderstands mit der neuartigen Spiralstruktur erreicht. 4 shows a pressure test of the homogeneous contact. In 4 On the left, a conventional coarse layer 52 consisting of expanded metal is shown, while on the right, the innovative coarse layer 52 consisting of interwoven spiral elements 520 is shown. The dots on the underlying sheets indicate the contact points between the two coarse layers 52. The blacker the color, the higher the contact pressure. Of particular note here is the uniform dot size achieved with the coarse layer consisting of interwoven spiral elements, while on the left, clear differences in shape and size can be seen. Accordingly, a significant improvement in contact resistance is achieved with the innovative spiral structure.

In analoger Art und Weise lässt sich anhand von 4 die Verbesserung der Kontaktierung durch die Zwischenlagen 53 verstehen. Während in 4 links noch wenige grobe Kontaktstellen zu sehen sind, die eine elektrische Leitung durch die Gasdiffusionslage 5 ermöglichen, ist die Anzahl an Kontaktpunkten in 4 rechts schon deutlich größer. In dem also verschiedenporige Lagen 51, 53, 52 übereinander angeordnet werden, wird zwischen den Lagen eine stetig wachsende Anzahl an Kontaktierungspunkten bereitgestellt, so dass der Stromfluss zwischen den Lagen hin zur Feinlage 51 vergleichmäßigt wird, insbesondere homogenisiert wird, wobei Stromspitzen und damit Beschädigungen vermieden werden.In an analogous manner, 4 understand the improvement of contact through the intermediate layers 53. While in 4 On the left, a few rough contact points can still be seen, which enable electrical conduction through the gas diffusion layer 5, the number of contact points in 4 The one on the right is already significantly larger. By arranging layers 51, 53, and 52 with different pores one above the other, a steadily increasing number of contact points is provided between the layers, so that the current flow between the layers toward the fine layer 51 is evened out, in particular, homogenized, thereby avoiding current peaks and thus damage.

5 zeigt eine Versuchsreihe zum Setzverhalten der Groblage. Verwendet wurde hierfür eine Groblage mit einer Drahtdicke von 0,7mm, einer Maschenweite von 6mm, einer Lochöffnung von 3,5mm und einer Gesamtdicke von 5mm. 5 shows a series of tests on the setting behavior of the coarse layer. A coarse layer with a wire thickness of 0.7 mm, a mesh size of 6 mm, a hole opening of 3.5 mm, and a total thickness of 5 mm was used.

Beim Setzverhalten wird die irreversible Stauchung der Groblage bei einer periodischen Belastung untersucht. Vorliegend wurde hierfür periodisch ein Druck zwischen 0,6MPa und 2,5MPa aufgebaut.Settling behavior involves investigating the irreversible compression of the coarse layer under periodic loading. In this case, a pressure between 0.6 MPa and 2.5 MPa was applied periodically.

Die Groblage zeigt ein Setzverhalten nach 100 Zyklen vollständiger Entlastung von etwa 20µm. Ein zyklischer Belastungsversuch mit 10000 Zyklen, zeigt lediglich ein Setzverhalten von 24 µm wobei im gesamten Arbeitsbereich der Groblage ein nahezu ideal elastisches Verhalten zu beobachten ist.The coarse layer exhibits a settling behavior of approximately 20 µm after 100 cycles of complete unloading. A cyclic loading test with 10,000 cycles shows a settling behavior of only 24 µm, with almost ideal elastic behavior observed across the entire working range of the coarse layer.

Die Federkonstante in diesem Bereich liegt bei 8,7MPa/mm. Die Groblage ist daher in einem Druckbereich von 0,5MPa bis 5MPa verwendbar. Besonders bevorzugt ist hierbei ein Druckbereich zwischen 1,0MPa und 3,5MPa.The spring constant in this range is 8.7 MPa/mm. The coarse layer is therefore suitable for use in a pressure range of 0.5 MPa to 5 MPa. A pressure range between 1.0 MPa and 3.5 MPa is particularly preferred.

Durch die spiralförmige Groblage 52 zeigen demnach die Gasdiffusionslagen bei Druckschwankungen des Elektrolyseurs beziehungsweise bei einer zyklischen, mechanischen Belastung des Elektrolyseurs eine gewisse Formbeständigkeit, so dass der entsprechende Anpressdruck konstant gehalten wird.Due to the spiral-shaped coarse layer 52, the gas diffusion layers therefore exhibit a certain dimensional stability in the event of pressure fluctuations in the electrolyzer or in the event of cyclical mechanical loading of the electrolyzer, so that the corresponding contact pressure is kept constant.

6A zeigt ein Mikroskopbild einer Feinlage 1 mit einer Feinstruktur, die eine homogene Stromversorgung ermöglicht. Die Feinlage 51 wird hierbei mechanisch und elektrisch über die Zwischenlage 53 kontaktiert, wie in 6B gezeigt. Analog wird die Zwischenlage 53 mit der Groblage 52 kontaktiert (nicht gezeigt) 6A shows a microscopic image of a fine layer 1 with a fine structure that enables a homogeneous power supply. The fine layer 51 is mechanically and electrically contacted via the intermediate layer 53, as shown in 6B shown. Analogously, the intermediate layer 53 is contacted with the coarse layer 52 (not shown)

Die Feinstruktur der Feinlage 51 unterscheidet sich von der Grobstruktur der Groblage 52 dadurch, dass die Fasern nicht systematisch, sondern wahllos zu einem Gelege verarbeitet werden. Die Folge ist eine wahllose ineinander-Verflechtung und eine deutlich höhere Tortuosität des Geleges. Das makroskopische Erscheinungsbild der Feinstruktur erscheint auf Grund der Größenverhältnisse dennoch homogen, wobei die Fasern auf mikroskopischer Ebene ein chaotisches, inhomogenes Erscheinungsbild zeigen. Durch die Wahl einer Faserstärke zwischen 10µm und 50 µm und einer Dicke der Feinlage zwischen 0,2mm und 1mm, kann eine sehr gute Querleitfähigkeit, also eine Leitfähigkeit in horizontaler Richtung und damit eine Verteilung des Stromes erreicht werden.The fine structure of fine layer 51 differs from the coarse structure of coarse layer 52 in that the fibers are not systematically processed into a mesh, but rather randomly. The result is random interweaving and a significantly higher tortuosity of the mesh. The macroscopic appearance of the fine structure nevertheless appears homogeneous due to the size ratios, whereas the fibers exhibit a chaotic, inhomogeneous appearance at the microscopic level. By selecting a fiber thickness between 10 µm and 50 µm and a fine layer thickness between 0.2 mm and 1 mm, very good transverse conductivity, i.e., conductivity in the horizontal direction, and thus a distribution of the current, can be achieved.

Die Gasdiffusionslage ist abhängig von der Materialauswahl für die Polymermembranelektrolyse, insbesondere mit saure Protonenaustauschmembranen oder alkalische Anionenaustauschmembranen, geeignet. Auch die Anwendung in der alkalischen Elektrolyse mit Diaphragmen ist möglich.Depending on the material selected, the gas diffusion layer is suitable for polymer membrane electrolysis, particularly with acidic proton exchange membranes or alkaline anion exchange membranes. Application in alkaline electrolysis with diaphragms is also possible.

In 7 werden zudem zwei mögliche Herstellungsverfahren der Elektrolysezelle dargestellt.In 7 Two possible manufacturing processes for the electrolysis cell are also presented.

Im sogenannten CCS-Design (Catalyst Coated Substrate) wird die Gasdiffusionslagen 5 mit einem Elektrokatalysator beschichtet und die dann mit dem Diaphragma oder der Membran 6 verpresst.In the so-called CCS design (Catalyst Coated Substrate), the gas diffusion layer 5 is coated with an electrocatalyst and then pressed with the diaphragm or membrane 6.

Im CCM-Design (Catalyst Coated Membrane) wird die Membran 6 mit dem Elektrokatalysator beschichtet und dann mit der unbeschichteten Gasdiffusionslage 5 verpresst. Kombinationen beider Designs sind möglich. Die industrielle Fertigung nutzt derzeit aus Kostengründen einheitliche Verfahren.In the CCM (Catalyst Coated Membrane) design, the membrane 6 is coated with the electrocatalyst and then pressed onto the uncoated gas diffusion layer 5. Combinations of both designs are possible. Industrial production currently uses standardized processes for cost reasons.

Auf Grund der Feinstruktur der Feinlage 51, welche bereits im Ausgangzustand durch die Fasern eine hohe Oberfläche aufweist, kann diese im Fall für die Anwendung im alkalischen Milieu mit Katalysatoren beschichtet werden, um anschließend selbst als Elektrode zu dienen. Zusammen mit einer vorrausgehenden Haftbeschichtung ist mit dieser Schichtkombination ein kombiniertes mehrlagiges Elektrodendesign möglich, welches die Membran 6 kontaktiert und mechanisch abstützt.Due to the fine structure of the fine layer 51, which already has a high surface area in its initial state due to the fibers, it can be coated with catalysts for use in alkaline environments and then serve as an electrode itself. Together with a prior adhesive coating, this layer combination enables a combined multilayer electrode design that contacts and mechanically supports the membrane 6.

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.Where applicable, all individual features presented in the embodiments may be combined and/or exchanged without departing from the scope of the invention.

Claims

A gas diffusion layer (5) for an electrolysis cell (1), comprising a fine layer (51) and a coarse layer (52), wherein the fine layer (51) comprises a fine structure with pores of a first pore size, wherein the coarse layer (52) comprises a coarse structure with pores of a second pore size, wherein the coarse layer (52) comprises a plurality of spiral elements (520), wherein the spiral elements (520) are interwoven, wherein at least one spiral element (520) is freely movable, in particular freely rotatable, wherein the gas diffusion layer further comprises at least one intermediate layer (53), wherein the at least one intermediate layer (53) comprises an intermediate structure with pores of an intermediate pore size, wherein the intermediate layer (53) is arranged between the fine layer (51) and the coarse layer (52), wherein the intermediate pore size is larger than that of the fine layer (51) and wherein the intermediate pore size is smaller than that of the coarse layer (52).

Gas diffusion layer (5) for an electrolytic cell (1) according to Claim 1 , characterized in that the gas diffusion layer (5) has at least two intermediate layers (53, 53'), wherein the at least two intermediate layers (53, 53') have different pore sizes, wherein the intermediate layers are arranged such that they have an increasing pore size with increasing distance from the fine layer (51).

Gas diffusion layer (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the spiral elements (520) have a spiral axis and are designed to convert a deformation force perpendicular to the spiral axis into a rotation and/or torsion about the spiral axis.

Gas diffusion layer (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the spiral elements (520) are woven together, wherein at least one node point (K) exists per turn of each spiral element, in which four spiral elements (521, 522, 523, 624) are frictionally connected to one another, - wherein the first spiral element (521) and the second spiral element (522) run parallel to one another, in particular are twisted together in a double helix manner, - wherein the third spiral element (523) and the fourth spiral element (524) run parallel to one another, in particular are twisted together in a double helix manner, - wherein the third spiral element (523) and the fourth spiral element (524) run perpendicular to the first spiral element (521) and to the second spiral element (522).

Gas diffusion layer (5) according to one of the preceding claims, characterized in that - the wire diameter is between 0.3 mm and 2.5 mm, - the mesh size is between 1 mm and 20 mm, - the hole opening is between 1 mm and 15 mm, - the thickness of the coarse layer (52) is between 3 mm and 10 mm.

Gas diffusion layer (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the coarse pores have a diameter which corresponds to 100 times to 1000 times the diameter of the fine pores.

Gas diffusion layer (5) according to one of the preceding claims, characterized in that a coating of at least one of the layers, comprising the fine layer, the at least one intermediate layer and the coarse layer, is an electrocatalyst.

Gas diffusion layer (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the coarse layer (52) has a tolerance compensation of at least 5%, preferably of 10%, particularly preferably of at least 20% of the thickness of the coarse layer (52).

Gas diffusion layer (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the fine structure of the first layer (51) comprises fibrous and/or powder-like structures, wherein the fiber thickness is between 10µm and 50µm and/or comprises perforated sheets with a hole diameter between 2mm and 10mm and/or comprises braided fine-machine mesh structures and/or knitted structures.

Gas diffusion layer (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the fine layer (51) has a thickness between 0.2 and 1 mm.

Gas diffusion layer (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the fine layer (51), the at least one intermediate layer (53) and the coarse layer (52) are sintered together, in particular are diffusion-sintered.

Manufacturing method of a gas diffusion layer (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the fine layer (51), the at least one intermediate layer (53) and the coarse layer (52) are sintered together, in particular diffusion-sintered, wherein - the sintering temperature is between 700°C and 1200°C, preferably 900°C and/or - the fine layer (51), the at least one intermediate layer (53) and the coarse layer (52) are sintered in a protective gas atmosphere and/or - the fine layer (51), the at least one intermediate layer (53) and the coarse layer (52) are sintered at a pressure between 10MPa and 100MPa, preferably 40MPa and/or - the heating rate is 50°C/min.

Manufacturing process according to Claim 10 , characterized in that the gas diffusion layer (5) is coated with Ni and/or NiP and/or NiTi and/or NiFe.

Manufacturing process according to Claim 11 , characterized in that the coatings are deposited electrolessly, galvanically or by gas phase processes, in particular sputtering, arc evaporation or electron beam evaporation.

Electrolysis cell (1) with a gas diffusion layer (5) according to one of the Claims 1 until 10 and an electrolysis membrane, wherein the gas diffusion layer is arranged such that the pore size decreases with increasing distance from the electrolysis membrane.