DE102023122813A1

DE102023122813A1 - Substrate for use as an electrode in an electrolysis cell

Info

Publication number: DE102023122813A1
Application number: DE102023122813.7A
Authority: DE
Inventors: Karsten Lange
Original assignee: KS Gleitlager GmbH
Current assignee: KS Gleitlager GmbH
Priority date: 2023-08-24
Filing date: 2023-08-24
Publication date: 2025-02-27
Also published as: WO2025040493A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein metallisches Substrat (10) für den Einsatz als Elektrode (206-1) in einer Elektrolysezelle (200), wobei das Substrat in einer Substratebene flächig erstreckt ist, wobei die Substratebene durch eine Substratlängsrichtung (12) und eine Substratquerrichtung (14) aufgespannt ist, wobei das Substrat eine Vorderseite (18) und eine gegenüberliegende Rückseite (20) aufweist und eine Dicke in einer zu der Substratebene orthogonalen Dickenrichtung aufweist, wobei in dem Substrat eine Mehrzahl von Durchgangskanälen (26) ausgebildet sind, welche jeweils durch eine Wandung des Substrats begrenzt sind, wobei die einen jeweiligen Durchgangskanal begrenzende Wandung obere Wandungsabschnitte aufweist, welche den Durchgangskanal nach oben begrenzen, wobei zumindest eine Teilmenge der oberen Wandungsabschnitte in einem jeweiligen Führungsbereich in Richtung zur Rückseite hin schräg nach oben geneigt ist. Die Erfindung betrifft auch eine Elektrolysezelle (200) umfassend ein solches Substrat (10).

The invention relates to a metallic substrate (10) for use as an electrode (206-1) in an electrolysis cell (200), wherein the substrate extends flatly in a substrate plane, wherein the substrate plane is spanned by a substrate longitudinal direction (12) and a substrate transverse direction (14), wherein the substrate has a front side (18) and an opposite rear side (20) and has a thickness in a thickness direction orthogonal to the substrate plane, wherein a plurality of through-channels (26) are formed in the substrate, each of which is delimited by a wall of the substrate, wherein the wall delimiting a respective through-channel has upper wall sections which delimit the through-channel at the top, wherein at least a subset of the upper wall sections in a respective guide region is inclined obliquely upwards in the direction of the rear side. The invention also relates to an electrolysis cell (200) comprising such a substrate (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat für den Einsatz als Elektrode in einer Elektrolysezelle, insbesondere für die alkalische Wasserelektrolyse. Die Erfindung betrifft auch eine Elektrolyse-Halbzelle sowie eine Elektrolysezelle, umfassend ein solches Substrat.The invention relates to a substrate for use as an electrode in an electrolysis cell, in particular for alkaline water electrolysis. The invention also relates to an electrolysis half-cell and an electrolysis cell comprising such a substrate.

Bei der alkalischen Wasserelektrolyse handelt es sich um ein grundsätzlich bekanntes Elektrolyseverfahren zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Die alkalische Wasserelektrolyse hat sich insbesondere im Zuge der Energiewende als aussichtsreiche Technologie zur industriellen Herstellung von Wasserstoff, bspw. für den Einsatz in Brennstoffzellen, herausgestellt.Alkaline water electrolysis is a fundamentally known electrolysis process for producing hydrogen and oxygen from water. Alkaline water electrolysis has emerged as a promising technology for the industrial production of hydrogen, e.g. for use in fuel cells, particularly in the course of the energy transition.

Bei der alkalischen Wasserelektrolyse dient Kalilauge (Kaliumhydroxid-Lösung, KOH) als Elektrolyt, welcher in einer Elektrolysezelle (auch als Elektrolyseur bezeichnet) eine erste Elektrode (Kathode) und eine zweite Elektrode (Anode) umspült. Beim Anlegen einer Gleichspannung von mindestens 1,5 Volt wird an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff gebildet. Um eine Vermischung der entstehenden Produktgase zu verhindern, ist üblicherweise zwischen den Elektroden ein gasdichter Separator, insbesondere ein sogenanntes Diaphragma, angeordnet, welcher zwar den Transport von OH^--Ionen zulässt, nicht jedoch die Produktgase.In alkaline water electrolysis, potassium hydroxide solution (KOH) serves as the electrolyte, which flows around a first electrode (cathode) and a second electrode (anode) in an electrolysis cell (also known as an electrolyzer). When a direct voltage of at least 1.5 volts is applied, hydrogen is formed at the cathode and oxygen at the anode. To prevent the resulting product gases from mixing, a gas-tight separator, in particular a so-called diaphragm, is usually arranged between the electrodes, which allows the transport of OH ^- ions but not the product gases.

Die bei der Wasserelektrolyse entstehende Gasblasen (Wasserstoff bzw. Sauerstoff) verursachen durch die Verdrängung des leitfähigen Elektrolyten zusätzliche Ohm'sche Widerstände und verhindern zudem die Nachführung des Elektrolyten an die Elektrode. Beide Effekte führen zu Wirkungsgradverlusten bei der Elektrolyse.The gas bubbles (hydrogen or oxygen) that form during water electrolysis cause additional ohmic resistances by displacing the conductive electrolyte and also prevent the electrolyte from being fed to the electrode. Both effects lead to efficiency losses during electrolysis.

Besonders ausgeprägt sind die durch Gasblasen verursachten Verluste in Elektrolysezellen mit einer „zero-gap“ Konfiguration, bei welcher die Anode und die Kathode unmittelbar an dem Separator anliegen. Im Elektrolysebetrieb entstehende Gasblasen können daher nicht wie im klassischen Elektrolyseaufbau zwischen Elektrode und Separator aufsteigen, sondern müssen zwangsläufig durch die Elektrode geführt werden, um dann zwischen Elektrode und Bipolarplatte aufzusteigen.The losses caused by gas bubbles are particularly pronounced in electrolysis cells with a "zero-gap" configuration, in which the anode and cathode are located directly on the separator. Gas bubbles that arise during electrolysis operation cannot therefore rise between the electrode and separator as in the classic electrolysis setup, but must inevitably be guided through the electrode and then rise between the electrode and the bipolar plate.

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, einen Wirkungsgrad bei der alkalischen Wasserelektrolyse zu verbessern.The invention is concerned with the task of improving the efficiency of alkaline water electrolysis.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei handelt es sich um ein metallisches Substrat für den Einsatz als Elektrode in einer Elektrolysezelle, insbesondere für die alkalische Wasserelektrolyse. Das Substrat kann aus einem Metall oder einem beschichteten Metall hergestellt sein. Das Substrat kann aus einem mit einer Korrosionsschutzschicht beschichteten Metall hergestellt sein. Beispielsweise kann das Substrat aus Nickel oder einem nickelhaltigen Stahl hergestellt sein. Das Substrat kann auch aus einem Edelmetall, insbesondere Gold, hergestellt sein. Das Substrat kann auch aus einem mit einem Edelmetall, insbesondere Gold, beschichteten Metall hergestellt sein.This object is achieved according to the invention by a substrate with the features of claim 1. This is a metallic substrate for use as an electrode in an electrolysis cell, in particular for alkaline water electrolysis. The substrate can be made from a metal or a coated metal. The substrate can be made from a metal coated with an anti-corrosive layer. For example, the substrate can be made from nickel or a nickel-containing steel. The substrate can also be made from a noble metal, in particular gold. The substrate can also be made from a metal coated with a noble metal, in particular gold.

Das Substrat ist mit einem Katalysatormaterial beschichtbar. Das Substrat kann auch zumindest abschnittsweise, insbesondere zumindest an einer Vorderseite, mit Katalysatormaterial beschichtet sein. Bei dem Katalysatormaterial kann es sich bspw. um eine Legierung auf Raney-Nickel-Basis handeln. Beispielsweise kann das Katalysatormaterial eine Nickel-Aluminium-Molybdän-Legierung, insbesondere mit der Zusammensetzung 39 Masse-% Nickel, 44 Masse-% Aluminium und 17 Masse-% Molybdän, umfassen.The substrate can be coated with a catalyst material. The substrate can also be coated with catalyst material at least in sections, in particular at least on a front side. The catalyst material can be, for example, a Raney nickel-based alloy. For example, the catalyst material can comprise a nickel-aluminum-molybdenum alloy, in particular with the composition 39 mass% nickel, 44 mass% aluminum and 17 mass% molybdenum.

Das Substrat ist in einer Substratebene flächig erstreckt. Die Substratebene ist durch eine, im eingebauten Zustand in einer Elektrolysezelle vertikal nach oben weisende, Substratlängsrichtung und eine zu der Substratlängsrichtung orthogonal orientierte Substratquerrichtung aufgespannt. Im eingebauten Zustand des Substrats in einer Elektrolysezelle ist die Substratlängsrichtung insofern der Wirkrichtung der Schwerkraft entgegengesetzt.The substrate is extended flat in a substrate plane. The substrate plane is spanned by a substrate longitudinal direction pointing vertically upwards when installed in an electrolysis cell and a substrate transverse direction oriented orthogonally to the substrate longitudinal direction. When the substrate is installed in an electrolysis cell, the substrate longitudinal direction is therefore opposite to the direction of gravity.

Das Substrat weist eine, in der Elektrolysezelle dem Separator zugewandte, Vorderseite und eine gegenüberliegende, in der Elektrolysezelle dem Separator abgewandte, Rückseite auf. Bei der Vorderseite handelt es sich insbesondere um die Aktivseite, an welcher die elektrochemischen Reaktionen bevorzugt ablaufen. Die Vorderseite kann mit Katalysatormaterial beschichtet sein.The substrate has a front side facing the separator in the electrolysis cell and an opposite back side facing away from the separator in the electrolysis cell. The front side is in particular the active side on which the electrochemical reactions preferably take place. The front side can be coated with catalyst material.

Das Substrat weist zwischen der Vorderseite und der Rückseite eine Dicke in einer zu der Substratebene (und somit zur Substratlängs- und zur Substratquerrichtung) orthogonalen Dickenrichtung auf.The substrate has a thickness between the front side and the back side in a thickness direction orthogonal to the substrate plane (and thus to the substrate longitudinal direction and the substrate transverse direction).

In dem Substrat ist eine Mehrzahl, insbesondere Vielzahl, von Durchgangskanälen bzw. Öffnungen ausgebildet, welche sich jeweils durch das Substrat von der Vorderseite zu der Rückseite (also über die komplette Dicke des Substrats) erstrecken. Die Durchgangskanäle münden einen Ends in der Vorderseite und anderen Ends in der Rückseite. Die Durchgangskanäle bilden insofern jeweils einen Fluiddurchgang von der Vorderseite zu der Rückseite des Substrats zum Abtransport von an der Vorderseite entstehenden Gasblasen in Richtung Rückseite. Die Durchgangskanäle sind vorzugsweise über das Substrat verteilt angeordnet.A plurality, in particular a multitude, of through-channels or openings are formed in the substrate, each of which extends through the substrate from the front to the back (i.e. over the entire thickness of the substrate). The through-channels open at one end in the front and at the other end in the back. The through-channels thus form a fluid passage from the front to the back of the substrate for transporting gas bubbles that arise on the front in the direction of the back. side. The through-channels are preferably distributed over the substrate.

Die Durchgangskanäle sind entlang ihres Verlaufs von der Vorderseite zu der Rückseite durch eine radial nach innen gerichtete Wandung des Substrats begrenzt.The through-channels are limited along their course from the front to the back by a radially inwardly directed wall of the substrate.

Die einen jeweiligen Durchgangskanal begrenzende Wandung weist obere Wandungsabschnitte auf, welche den Durchgangskanal nach oben (d.h. in Substratlängsrichtung) begrenzen. Die einen jeweiligen Durchgangskanal begrenzende Wandung weist außerdem untere Wandungsabschnitte auf, welche den Durchgangskanal nach unten (d.h. entgegen der Substratlängsrichtung) begrenzen.The wall delimiting a respective through-channel has upper wall sections which delimit the through-channel upwards (i.e. in the longitudinal direction of the substrate). The wall delimiting a respective through-channel also has lower wall sections which delimit the through-channel downwards (i.e. against the longitudinal direction of the substrate).

Zumindest eine Teilmenge der oberen Wandungsabschnitte ist in einem jeweiligen Führungsbereich, vorzugsweise entlang ihres kompletten Verlaufs von der Vorderseite zu der Rückseite (also über die gesamte Dicke des Substrats), in Richtung zur Rückseite hin schräg nach oben geneigt. Insofern ist zumindest eine Teilmenge der oberen Wandungsabschnitte in einem jeweiligen Führungsbereich derart zu der Substratebene geneigt, dass eine an diesem Führungsabschnitt anliegende und von der Vorderseite zu der Rückseite weisende Tangente mit der Substratlängsrichtung einen spitzen Neigungswinkel einschließt. Bei dem Führungsbereich kann es sich um einen Abschnitt des jeweiligen Wandungsabschnitts entlang dessen Erstreckung von der Vorderseite zu der Rückseite des Substrats handeln. Insofern kann sich der Führungsbereich abschnittsweise entlang des Wandungsverlaufs von der Vorderseite zu der Rückseite erstrecken. Der Führungsbereich kann auch dem jeweiligen Wandungsabschnitt entsprechen.At least a subset of the upper wall sections is inclined upwards in a respective guide region, preferably along its entire course from the front to the back (i.e. over the entire thickness of the substrate), towards the back. In this respect, at least a subset of the upper wall sections in a respective guide region is inclined to the substrate plane in such a way that a tangent adjacent to this guide section and pointing from the front to the back encloses an acute angle of inclination with the longitudinal direction of the substrate. The guide region can be a section of the respective wall section along its extension from the front to the back of the substrate. In this respect, the guide region can extend in sections along the wall course from the front to the back. The guide region can also correspond to the respective wall section.

Bei dem vorgeschlagenen Substrat ist ein Transport von Gasblasen von der Vorderseite zu der Rückseite verbessert. Dadurch, dass zumindest eine Teilmenge der oberen Wandungsabschnitte der Durchgangskanäle zur Rückseite hin schräg nach oben geneigt sind, werden entgegen der Schwerkraft aufsteigende Gasblasen entlang dieser oberen Wandungsabschnitte geführt und somit durch den Auftrieb unterstützt effizient zur Rückseite geleitet. Insbesondere kann durch die Neigung der Durchgangskanäle das Risiko minimiert werden, dass Gasblasen in den Durchgangskanälen steckenbleiben und ggf. zu größeren Clustern akkumulieren. Aufgrund der verbesserten Gastransporteigenschaften können Elektrolysezellen mit solchen Substraten als Elektroden mit höherer Stromdichte und damit höheren Gasproduktionsraten im Vergleich zu bekannten Elektrolysezellen betrieben werden, was eine Gesamteffizienz der Elektrolyse erhöht. Zudem erlaubt es die vorgeschlagene Ausgestaltung, Elektrolysezellen mit einem solchen Elektrodensubstrat kurzzeitig im „Overboost“ beispielsweise bei 120% der Grundlast (übliche elektrische Leistung im Dauerbetrieb) zu betreiben, was besonders vorteilhaft bei der Kopplung der Elektrolyse mit fluktuieren Energiequellen, wie z.B. Photovoltaik und Windenergie, ist.The proposed substrate improves the transport of gas bubbles from the front to the back. Because at least a portion of the upper wall sections of the through-channels are inclined upwards towards the back, gas bubbles rising against gravity are guided along these upper wall sections and thus efficiently guided to the back with the help of buoyancy. In particular, the inclination of the through-channels can minimize the risk of gas bubbles getting stuck in the through-channels and possibly accumulating to form larger clusters. Due to the improved gas transport properties, electrolysis cells with such substrates can be operated as electrodes with higher current density and thus higher gas production rates compared to known electrolysis cells, which increases the overall efficiency of the electrolysis. In addition, the proposed design allows electrolysis cells with such an electrode substrate to be operated briefly in "overboost", for example at 120% of the base load (usual electrical power in continuous operation), which is particularly advantageous when coupling the electrolysis with fluctuating energy sources, such as photovoltaics and wind energy.

Für einen effizienten Gastransport erweist es sich ferner als vorteilhaft, wenn außerdem zumindest eine Teilmenge der unteren Wandungsabschnitte in einem jeweiligen Führungsbereich, vorzugsweise entlang ihres kompletten Verlaufs von der Vorderseite zu der Rückseite (also über die gesamte Dicke des Substrats), in Richtung zur Rückseite hin schräg nach oben geneigt ist. Insofern kann zumindest eine Teilmenge der unteren Wandungsabschnitte in einem jeweiligen Führungsbereich zu der Substratebene derart geneigt verlaufen, dass eine an diesem Führungsabschnitt anliegende und von der Vorderseite zu der Rückseite weisende Tangente mit der Substratlängsrichtung einen spitzen Neigungswinkel einschließt, insbesondere einen gleichen Neigungswinkel wie die oberen Wandungsabschnitte. Bei einer solchen Ausgestaltung werden Gasblasen, welche an diesen geneigten unteren Wandungsabschnitten entstehen, bereits in die „richtige“ Richtung zur Rückseite hin gelenkt, was einen effektiven Gastransport weiter begünstigt.For efficient gas transport, it also proves to be advantageous if at least a subset of the lower wall sections in a respective guide region, preferably along their entire course from the front to the back (i.e. over the entire thickness of the substrate), is inclined upwards towards the back. In this respect, at least a subset of the lower wall sections in a respective guide region can run inclined to the substrate plane in such a way that a tangent adjacent to this guide section and pointing from the front to the back encloses an acute angle of inclination with the longitudinal direction of the substrate, in particular an angle of inclination that is the same as the upper wall sections. With such a design, gas bubbles that arise on these inclined lower wall sections are already directed in the "right" direction towards the back, which further promotes effective gas transport.

Es ist auch denkbar, dass zumindest eine Teilmenge der unteren Wandungsabschnitte orthogonal zur Substratebene (also parallel zur Dickenrichtung) verlaufen.It is also conceivable that at least a subset of the lower wall sections run orthogonal to the substrate plane (i.e. parallel to the thickness direction).

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der jeweilige Führungsbereich in die Rückseite ausmündet. Der Führungsbereich kann also ein der Rückseite zugewandter Endbereich des entsprechenden Wandungsabschnitts sein. Eine solche Ausgestaltung hat sich für einen effizienten Gastransport als besonders vorteilhaft erwiesen.It is particularly advantageous if the respective guide area opens into the rear side. The guide area can therefore be an end area of the corresponding wall section facing the rear side. Such a design has proven to be particularly advantageous for efficient gas transport.

Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn zumindest eine Teilmenge der oberen Wandungsabschnitte und eine Teilmenge der unteren Wandungsabschnitte, insbesondere sich entlang der Substratlängsrichtung gegenüberliegende obere und untere Wandungsabschnitte, zueinander parallel verlaufen, also insbesondere in gleichem Neigungswinkel zu der Substratlängsrichtung geneigt verlaufen.Furthermore, it can be advantageous if at least a subset of the upper wall sections and a subset of the lower wall sections, in particular upper and lower wall sections opposite each other along the substrate longitudinal direction, run parallel to each other, i.e. in particular run inclined at the same angle of inclination to the substrate longitudinal direction.

Wie vorstehend erwähnt, ist zumindest eine Teilmenge der oberen Wandungsabschnitte und optional eine Teilmenge der unteren Wandungsabschnitte in einem Neigungswinkel zur Substratlängsrichtung, insbesondere zur Vertikalen, geneigt. Für einen effizienten Gastransport hat es sich hierbei als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Neigungswinkel mindestens 5° und höchstens 80° beträgt. Besonders bevorzugt ist ein Neigungswinkel von mindestens 10° und höchstens 60°, weiter vorzugsweise von mindestens 15° und höchstens 45°.As mentioned above, at least a subset of the upper wall sections and optionally a subset of the lower wall sections are inclined at an angle to the substrate longitudinal direction, in particular to the vertical. For efficient gas transport, it has proven advantageous if the angle of inclination angle is at least 5° and at most 80°. Particularly preferred is an angle of inclination of at least 10° and at most 60°, more preferably at least 15° and at most 45°.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung können die Durchgangskanäle oder zumindest eine Teilmenge der Durchgangskanäle derart ausgebildet sein, dass ein Flächeninhalt A_O einer sichtbaren Öffnung eines jeweiligen Durchgangskanals bei Blickrichtung entlang einer zu der Substratebene, insbesondere um den Neigungswinkel, geneigten Neigungsrichtung größer ist als ein Flächeninhalt A_O' einer sichtbaren Öffnung des Durchgangskanals bei Blickrichtung entlang der Dickenrichtung (also orthogonal zur Substratebene), insbesondere um wenigstens 5 %, vorzugsweise wenigstens 10 %, weiter vorzugsweise wenigstens 15 %, weiter vorzugsweise wenigstens 20 %. Insbesondere kann somit eine offene Fläche des Substrats pro Einheitsfläche bei Blickrichtung entlang der Neigungsrichtung größer sein als eine offene Fläche des Substrats pro Einheitsfläche bei Blickrichtung entlang der Dickenrichtung, insbesondere um wenigstens 5%, vorzugsweise wenigstens 10 %, weiter vorzugsweise wenigstens 15 %, weiter vorzugsweise wenigstens 20 %. Unter offener Fläche des Substrats pro Einheitsfläche wird vorliegend die Summe der Flächeninhalte der sichtbaren Öffnungen der innerhalb einer Einheitsfläche liegenden Durchgangskanäle verstanden.As part of an advantageous development, the through-channels or at least a subset of the through-channels can be designed such that a surface area A _O of a visible opening of a respective through-channel when viewed along an inclination direction inclined to the substrate plane, in particular by the angle of inclination, is larger than a surface area A _O ' of a visible opening of the through-channel when viewed along the thickness direction (i.e. orthogonal to the substrate plane), in particular by at least 5%, preferably at least 10%, more preferably at least 15%, more preferably at least 20%. In particular, an open area of the substrate per unit area when viewed along the inclination direction can thus be larger than an open area of the substrate per unit area when viewed along the thickness direction, in particular by at least 5%, preferably at least 10%, more preferably at least 15%, more preferably at least 20%. The open area of the substrate per unit area is understood here to mean the sum of the surface areas of the visible openings of the through-channels located within a unit area.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Durchgangskanäle jeweils eine lichte Querschnittsfläche, insbesondere orthogonal zu einer Erstreckung des Durchgangskanals von der Vorderseite zu der Rückseite, mit einer kleinsten Abmessung von wenigstens 0,1 mm, insbesondere von wenigstens 0,2 mm, und insbesondere mit einer maximalen Abmessung von 4,0 mm, insbesondere maximal 2,0 mm, weiter insbesondere maximal 1,0 mm, aufweisen.Furthermore, it proves to be advantageous if the through-channels each have a clear cross-sectional area, in particular orthogonal to an extension of the through-channel from the front to the back, with a smallest dimension of at least 0.1 mm, in particular of at least 0.2 mm, and in particular with a maximum dimension of 4.0 mm, in particular a maximum of 2.0 mm, further in particular a maximum of 1.0 mm.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Durchgangskanäle jeweils eine minimale Querschnittsfläche, insbesondere orthogonal zu einer Erstreckung des Durchgangskanals von der Vorderseite zu der Rückseite, von 0,05 mm² und/oder eine maximale Querschnittsfläche von 10,0 mm² aufweisen. Auf diese Weise können Gasblasen effizient abtransportiert werden, ohne den Elektrolytfluss zu stören.Furthermore, it proves to be advantageous if the through-channels each have a minimum cross-sectional area, in particular orthogonal to an extension of the through-channel from the front to the back, of 0.05 mm ² and/or a maximum cross-sectional area of 10.0 mm ^2. In this way, gas bubbles can be efficiently transported away without disrupting the electrolyte flow.

Die Durchgangskanäle können grundsätzlich beliebige Querschnittsformen aufweisen. Als vorteilhaft hat es sich jedoch erwiesen, wenn die Durchgangskanäle (bei Betrachtung orthogonal zur Substratebene) eine der folgenden Formen beschreiben:

- kreisförmig, oval, elliptisch
- rautenförmig, rhombusförmig
- mehreckig, insbesondere drei-, fünf- sowie siebeneckig
- halbmond-, halbkreisförmig und/oder halbelliptische Form,
- kreuzförmig
- tropfenförmig, insbesondere in Substratlängsrichtung aufweitend (z.B. tropfenförmig mit kleinem Radius oder spitzzulaufend „unten“ und großem Radius „oben“)
- keilförmig, Chevron-förmig
- schlitzförmig, vorzugsweise mit einem Aspektverhältnis (Länge in Substratlängsrichtung zu Breite in Substratquerrichtung) größer 3.

In principle, the through-channels can have any cross-sectional shape. However, it has proven advantageous if the through-channels (when viewed orthogonally to the substrate plane) describe one of the following shapes:

- circular, oval, elliptical
- diamond-shaped, rhombus-shaped
- polygonal, especially triangular, pentagonal and heptagonal
- crescent-shaped, semicircular and/or semi-elliptical shape,
- cross-shaped
- drop-shaped, especially widening in the longitudinal direction of the substrate (e.g. drop-shaped with a small radius or tapered "bottom" and a large radius "top")
- wedge-shaped, chevron-shaped
- slot-shaped, preferably with an aspect ratio (length in substrate longitudinal direction to width in substrate transverse direction) greater than 3.

Als besonders vorteilhaft für einen effizienten Gastransport hat es sich überraschender Weise herausgestellt, wenn zumindest eine Teilmenge der Durchgangskanäle, insbesondere alle Durchgangsöffnungen, eine Symmetrieachse parallel zur Substratlängsrichtung (und somit im eingebauten Zustand des Substrats parallel zur Vertikalen) aufweisen.Surprisingly, it has been found to be particularly advantageous for efficient gas transport if at least a subset of the through-channels, in particular all through-openings, have an axis of symmetry parallel to the longitudinal direction of the substrate (and thus parallel to the vertical in the installed state of the substrate).

Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn zumindest eine Teilmenge der Durchgangskanäle bei Betrachtung orthogonal zur Substratebene einen asymmetrischen Querschnitt aufweist.It may also be advantageous if at least a subset of the through-channels has an asymmetrical cross-section when viewed orthogonally to the substrate plane.

Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn sich zumindest manche Durchgangskanäle entlang ihres jeweiligen Verlaufs von der Vorderseite zu der Rückseite zumindest abschnittsweise verjüngen. Ein Taperwinkel ist insbesondere größer als 3°. Auf diese Weise kann eine mit Katalysatormaterial beschichtbare Oberfläche des Substrats vergrößert werden, was zu einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrads beiträgt.In addition, it can be advantageous if at least some of the through-channels taper at least in sections along their respective course from the front to the back. A taper angle is in particular greater than 3°. In this way, a surface of the substrate that can be coated with catalyst material can be increased, which contributes to a further increase in efficiency.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest eine Teilmenge der oberen und/oder der unteren Wandungsabschnitte unterschiedlich stark in Dickenrichtung ausgebildet sein. Insbesondere kann zumindest eine Teilmenge der Wandungsabschnitte über eine sie umgebende Substratebene entgegen der Dickenrichtung auf der Vorderseite oder in Dickenrichtung auf der Rückseite hervorstehen. Beispielsweise kann ein der Vorderseite zugeordnetes Ende zumindest einer Teilmenge der oberen und/oder der unteren Wandungsabschnitte an der Vorderseite entgegen der Dickenrichtung hervorstehen. Zusätzlich oder alternativ kann ein der Rückseite zugeordnetes Ende zumindest einer Teilmenge der oberen und/oder der unteren Wandungsabschnitte an der Rückseite in Dickenrichtung hervorstehen. Bei einer solchen Ausgestaltung kann ein Führungsbereich vergrößert sein, was einen effizienten Gastransport weiter begünstigt. Besonders vorteilhaft für eine effiziente Gasableitung zur Rückseite ist es, wenn die unteren Wandungsabschnitte oder zumindest eine Teilmenge dieser über die Rückseite in Dickenrichtung hervorstehen.As part of an advantageous development, at least a subset of the upper and/or lower wall sections can be formed with different thicknesses in the direction of thickness. In particular, at least a subset of the wall sections can protrude beyond a substrate plane surrounding them against the direction of thickness on the front side or in the direction of thickness on the back side. For example, an end of at least a subset of the upper and/or lower wall sections assigned to the front side can protrude against the direction of thickness on the front side. Additionally or alternatively, an end of at least a subset of the upper and/or lower wall sections assigned to the back side can protrude in the direction of thickness on the back side. In such a configuration, a guide area can be enlarged, which enables efficient It is particularly advantageous for efficient gas discharge to the rear side if the lower wall sections or at least a portion of these protrude beyond the rear side in the thickness direction.

Es ist denkbar, dass die Durchgangskanäle in einem regelmäßigen Muster über das Substrat verteilt angeordnet sind. Es ist auch denkbar, dass eine Konfiguration der Durchgangskanäle, insbesondere eine jeweilige Querschnittsgeometrie und/oder Querschnittsfläche, über das gesamte Substrat gleich ist, was eine einfache Fertigung des Substrats begünstigt.It is conceivable that the through-channels are arranged in a regular pattern distributed over the substrate. It is also conceivable that a configuration of the through-channels, in particular a respective cross-sectional geometry and/or cross-sectional area, is the same over the entire substrate, which facilitates simple production of the substrate.

Für einen effizienten Gasblasentransport kann es auch vorteilhaft sein, wenn das Substrat zwei oder mehrere Bereiche oder Sektionen mit Durchgangskanälen aufweist, wobei sich die Bereiche durch eine Konfiguration der Durchgangskanäle voneinander unterscheiden. Innerhalb eines jeweiligen Bereichs können die Durchgangskanäle gleich ausgebildet sein. Insbesondere können sich die Bereiche durch eine Anzahl an Durchgangskanälen pro Einheitsfläche (Kanaldichte) unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich können sich die Bereiche durch eine jeweilige Querschnittsfläche der Durchgangskanäle unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich können sich die Bereiche durch eine jeweilige Querschnittsgeometrie bzw. Querschnittsform der Durchgangskanäle bei Betrachtung orthogonal zur Substratebene voneinander unterscheiden. Vorzugsweise liegen diese Bereiche in Substratlängsrichtung übereinander.For efficient gas bubble transport, it can also be advantageous if the substrate has two or more areas or sections with through-channels, where the areas differ from one another in terms of the configuration of the through-channels. Within a respective area, the through-channels can be of the same design. In particular, the areas can differ in terms of the number of through-channels per unit area (channel density). Alternatively or additionally, the areas can differ in terms of the respective cross-sectional area of the through-channels. Alternatively or additionally, the areas can differ from one another in terms of the respective cross-sectional geometry or cross-sectional shape of the through-channels when viewed orthogonally to the substrate plane. These areas are preferably located one above the other in the longitudinal direction of the substrate.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Substrat derart ausgebildet sein, dass im Verlauf der Erstreckung des Substrats in Substratlängsrichtung eine offene Fläche des Substrats pro Einheitsfläche bei Blickrichtung entlang der Dickenrichtung zunimmt. Insofern kann in oberen Bereichen des Substrats eine offene Fläche des Substrats pro Einheitsfläche größer sein als in unteren Bereichen des Substrats. Eine solche Ausgestaltung trägt dem Rechnung, dass bei einem Einsatz des Substrats als Elektrode in einer Elektrolysezelle die Gasblasen in Substratlängsrichtung (entgegen der Schwerkraft) aufsteigen und dann „oben“ kumulieren. Durch die vorgeschlagene Lösung wird insofern oben mehr Kapazität für den Gasblasentransport bereitgestellt, was ein effizientes Ableiten der Gasblasen von der Vorderseite zu der Rückseite begünstigt. Unter offener Fläche des Substrats pro Einheitsfläche wird vorliegend die Summe der Flächeninhalte der sichtbaren Öffnungen der innerhalb einer Einheitsfläche liegenden Durchgangskanäle verstanden.As part of an advantageous further development, the substrate can be designed in such a way that as the substrate extends in the longitudinal direction of the substrate, an open area of the substrate per unit area increases when viewed along the thickness direction. In this respect, an open area of the substrate per unit area can be larger in upper areas of the substrate than in lower areas of the substrate. Such a design takes into account the fact that when the substrate is used as an electrode in an electrolysis cell, the gas bubbles rise in the longitudinal direction of the substrate (against gravity) and then accumulate "at the top". The proposed solution therefore provides more capacity for the gas bubble transport at the top, which promotes efficient discharge of the gas bubbles from the front to the back. In this case, the open area of the substrate per unit area is understood to be the sum of the surface areas of the visible openings of the through-channels located within a unit area.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Substrat wenigstens einen ersten Bereich mit Durchgangskanälen und wenigstens einen zweiten Bereich mit Durchgangskanälen aufweisen, wobei der erste Bereich in Substratlängsrichtung betrachtet über dem zweiten Bereich angeordnet ist, und wobei in dem ersten Bereich eine jeweilige oder mittlere Querschnittsfläche der Durchgangskanäle größer ist als eine jeweilige oder mittlere Querschnittsfläche der Durchgangskanäle in dem zweiten Bereich. Insofern können oben „große“ Öffnungen und unten „kleinere“ Öffnungen vorgesehen sein. Eine Anzahl an Durchgangskanälen pro Einheitsfläche kann in beiden Bereichen gleich sein. Alternativ kann die Anzahl an Durchgangskanälen pro Einheitsfläche in dem ersten Bereich größer sein als in dem zweiten Bereich.According to an advantageous embodiment, the substrate can have at least a first region with through-channels and at least a second region with through-channels, wherein the first region is arranged above the second region when viewed in the longitudinal direction of the substrate, and wherein in the first region a respective or average cross-sectional area of the through-channels is larger than a respective or average cross-sectional area of the through-channels in the second region. In this respect, "large" openings can be provided at the top and "smaller" openings at the bottom. A number of through-channels per unit area can be the same in both regions. Alternatively, the number of through-channels per unit area can be larger in the first region than in the second region.

Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung kann das Substrat wenigstens einen ersten Bereich mit Durchgangskanälen und wenigstens einen zweiten Bereich mit Durchgangskanälen aufweisen, wobei der erste Bereich in Substratlängsrichtung betrachtet über dem zweiten Bereich angeordnet ist, wobei in dem ersten Bereich eine Anzahl an Durchgangskanälen pro Einheitsfläche größer ist als in dem zweiten Bereich. Insofern können oben mehr Durchgangskanäle pro Einheitsfläche vorgesehen sein als unten. Auf diese Weise kann ebenso oben eine erhöhte Kapazität für den Gasblasentransport bereitgestellt werden. Die Durchgangskanäle können insbesondere die gleiche Querschnittsfläche aufweisen, was eine einfache Herstellung begünstigt.According to an alternative advantageous embodiment, the substrate can have at least a first region with through-channels and at least a second region with through-channels, the first region being arranged above the second region when viewed in the longitudinal direction of the substrate, the number of through-channels per unit area being greater in the first region than in the second region. In this respect, more through-channels per unit area can be provided at the top than at the bottom. In this way, an increased capacity for gas bubble transport can also be provided at the top. The through-channels can in particular have the same cross-sectional area, which facilitates simple production.

Im Rahmen einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann das Substrat wenigstens einen ersten Bereich mit Durchgangskanälen und wenigstens einen zweiten Bereich mit Durchgangskanälen aufweisen, wobei der erste Bereich in Substratlängsrichtung betrachtet über dem zweiten Bereich angeordnet ist, wobei die Durchgangskanäle in dem ersten Bereich (bei Betrachtung entlang der Dickenrichtung) einen schlitzförmigen Querschnitt aufweisen und die Durchgangskanäle in dem zweiten Bereich (bei Betrachtung entlang der Dickenrichtung) einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. Eine solche Ausgestaltung hat sich überraschenderweise als besonders effektiv für einen Gastransport herausgestellt. Insbesondere können durch die schlitzförmigen Durchgangskanäle im oberen Bereich auch eventuell entstehende Gasblasencluster effizient abgeleitet werden.In a particularly advantageous embodiment, the substrate can have at least a first region with through-channels and at least a second region with through-channels, the first region being arranged above the second region when viewed in the longitudinal direction of the substrate, the through-channels in the first region (when viewed along the thickness direction) having a slot-shaped cross-section and the through-channels in the second region (when viewed along the thickness direction) having a semicircular cross-section. Such an embodiment has surprisingly proven to be particularly effective for gas transport. In particular, any gas bubble clusters that may form can also be efficiently discharged through the slot-shaped through-channels in the upper region.

Grundsätzlich kann eine Kombination von mindestens zwei verschiedenen Öffnungsgrößen und mindestens zwei verschiedenen Öffnungsformen der Durchgangskanäle vorteilhaft sein.In principle, a combination of at least two different opening sizes and at least two different opening shapes of the through-channels can be advantageous.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch eine Elektrolyse-Halbzelle gelöst. Die Elektrolyse-Halbzelle ist insbesondere für die alkalische Wasserelektrolyse ausgebildet. The task mentioned at the beginning is also solved by an electrolysis half-cell. The electrolysis half-cell is designed especially for alkaline water electrolysis.

Die Elektrolyse-Halbzelle umfasst eine Bipolarplatte, einen Separator und eine zwischen Bipolarplatte und Separator angeordnete Elektrode. Die Elektrode ist erfindungsgemäß durch ein vorstehend beschriebenes Substrat gebildet. Das Substrat ist derart angeordnet, dass die Substratlängsrichtung vertikal nach oben zeigt.The electrolysis half-cell comprises a bipolar plate, a separator and an electrode arranged between the bipolar plate and the separator. According to the invention, the electrode is formed by a substrate as described above. The substrate is arranged such that the longitudinal direction of the substrate points vertically upwards.

Vorzugsweise ist das Substrat derart angeordnet ist, dass die Vorderseite dem Separator zugewandt ist. Die Vorderseite kann mit Katalysatormaterial beschichtet sein. Bei manchen Ausgestaltungen kann das Substrat mit der Vorderseite (beschichtet oder unbeschichtet) direkt an dem Separator anliegen (sog. „zero-gap“ Anordnung).Preferably, the substrate is arranged such that the front side faces the separator. The front side can be coated with catalyst material. In some embodiments, the substrate can lie directly against the separator with the front side (coated or uncoated) (so-called "zero-gap" arrangement).

Bei dem Separator kann es sich um ein Diaphragma handeln. Zwischen der Bipolarplatte und der Elektrode (Substrat) können weitere Schichten vorgesehen sein, bspw. sogenannte poröse Transportschichten (PTL) und/oder Kontaktierungselemente.The separator can be a diaphragm. Additional layers can be provided between the bipolar plate and the electrode (substrate), e.g. so-called porous transport layers (PTL) and/or contacting elements.

Vorzugsweise ist das Substrat (Elektrode) von dem Elektrolyten umspült. Insbesondere kann zwischen der Bipolarplatte und dem Separator ein Aufnahmeraum für den Elektrolyten, insbesondere KOH, gebildet sein. Das Substrat (Elektrode) kann vollständig in den Elektrolyten eingetaucht sein.Preferably, the substrate (electrode) is surrounded by the electrolyte. In particular, a receiving space for the electrolyte, in particular KOH, can be formed between the bipolar plate and the separator. The substrate (electrode) can be completely immersed in the electrolyte.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch eine Elektrolysezelle gelöst. Die Elektrolysezelle ist insbesondere für die alkalische Wasserelektrolyse ausgebildet. Die Elektrolysezelle umfasst zwei vorstehend beschriebene Halbzellen, wobei der Separator der ersten Halbzelle und der Separator der zweiten Halbzelle durch den gleichen Separator gebildet sind. Insofern umfasst die Elektrolysezelle eine erste Bipolarplatte, eine erste Elektrode (erstes Substrat), einen Separator, eine zweite Elektrode (zweites Substrat) und eine zweite Bipolarplatte (in dieser Anordnung).The object mentioned at the beginning is also achieved by an electrolysis cell. The electrolysis cell is designed in particular for alkaline water electrolysis. The electrolysis cell comprises two half cells as described above, wherein the separator of the first half cell and the separator of the second half cell are formed by the same separator. In this respect, the electrolysis cell comprises a first bipolar plate, a first electrode (first substrate), a separator, a second electrode (second substrate) and a second bipolar plate (in this arrangement).

Es ist denkbar, dass sowohl das (erste) Substrat, welches die Elektrode der ersten Halbzelle bildet, als auch das (zweite) Substrat, welches die Elektrode der zweiten Halbzelle bildet, ein zumindest abschnittsweise, insbesondere auf der Vorderseite, mit Katalysatormaterial beschichtetes Substrat ist. Es ist auch denkbar, dass das Substrat, welches die Elektrode der ersten Halbzelle (insbesondere Wasserstoff- bzw. Kathoden-Seite) bildet, ein zumindest abschnittsweise, insbesondere auf der Vorderseite, mit Katalysatormaterial beschichtetes Substrat ist und wobei das Substrat, das die Elektrode der zweiten Halbzelle (insbesondere Sauerstoff- bzw. Anoden-Seite) bildet, ein unbeschichtetes (d.h. nicht mit Katalysatormaterial beschichtetes) Substrat ist. Insofern kann die Kathode durch ein zumindest abschnittsweise, insbesondere auf der Vorderseite, mit Katalysatormaterial beschichtetes Substrat gebildet sein und die Anode durch ein unbeschichtetes (d.h. nicht mit Katalysatormaterial beschichtetes) Substrat gebildet sein. Eine solche Elektrolysezelle lässt sich kostengünstig und effizient betreiben.It is conceivable that both the (first) substrate that forms the electrode of the first half-cell and the (second) substrate that forms the electrode of the second half-cell are a substrate that is coated with catalyst material at least in sections, in particular on the front side. It is also conceivable that the substrate that forms the electrode of the first half-cell (in particular the hydrogen or cathode side) is a substrate that is coated with catalyst material at least in sections, in particular on the front side, and the substrate that forms the electrode of the second half-cell (in particular the oxygen or anode side) is an uncoated substrate (i.e. not coated with catalyst material). In this respect, the cathode can be formed by a substrate that is coated with catalyst material at least in sections, in particular on the front side, and the anode can be formed by an uncoated substrate (i.e. not coated with catalyst material). Such an electrolysis cell can be operated cost-effectively and efficiently.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 vereinfachte schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Substrats bei Blickrichtung entlang einer Dickenrichtung des Substrats;
2 das Substrat gemäß 1 in einer Schnittansicht entlang der in 1 eingezeichneten Schnittebne II-II;
3 einen Ausschnitt aus 1 im Bereich eines Durchgangskanals zur Erläuterung der verschiedenen Wandungsabschnitte;
4 einen Ausschnitt aus 2 zur Erläuterung eines beispielhaften Verlaufs der Durchgangskanäle;
5 eine schematische Darstellung in der Ansicht gemäß 4 zur Erläuterung eines weiteren beispielhaften Verlaufs der Durchgangskanäle;
6 eine schematische Darstellung in der Ansicht gemäß 4 zur Erläuterung eines weiteren beispielhaften Verlaufs der Durchgangskanäle;
7 eine schematische Darstellung in der Ansicht gemäß 4 zur Erläuterung eines weiteren beispielhaften Verlaufs der Durchgangskanäle;
8 vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung eines Substrats bei Blickrichtung entlang einer Dickenrichtung des Substrats;
9 vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung eines Substrats bei Blickrichtung entlang einer Dickenrichtung des Substrats;
10 vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung eines Substrats bei Blickrichtung entlang einer Dickenrichtung des Substrats; und
11 vereinfachte schematische Darstellung einer Ausgestaltung einer Elektrolysezelle für die alkalische Wasserelektrolyse.

The invention is explained in more detail below with reference to the figures. They show:

1 simplified schematic representation of a configuration of a substrate when viewed along a thickness direction of the substrate;
2 the substrate according to 1 in a sectional view along the 1 marked section plane II-II;
3 an excerpt from 1 in the area of a through channel to explain the different wall sections;
4 an excerpt from 2 to explain an exemplary course of the through channels;
5 a schematic representation in the view according to 4 to explain another exemplary course of the through channels;
6 a schematic representation in the view according to 4 to explain another exemplary course of the through channels;
7 a schematic representation in the view according to 4 to explain another exemplary course of the through channels;
8 simplified schematic representation of another exemplary embodiment of a substrate when viewed along a thickness direction of the substrate;
9 simplified schematic representation of another exemplary embodiment of a substrate when viewed along a thickness direction of the substrate;
10 simplified schematic representation of another exemplary embodiment of a substrate when viewed along a thickness direction of the substrate; and
11 simplified schematic representation of a design of an electrolysis cell for alkaline water electrolysis.

In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.In the following description and in the figures, the same reference symbols are used for identical or corresponding features.

Die 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausgestaltung eines Substrats, welches insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist.The 1 shows in a simplified schematic representation an exemplary embodiment of a substrate, which is designated overall by the reference numeral 10.

Das Substrat 10 ist für den Einsatz als Elektrode in einer Elektrolysezelle 200 ausgebildet (nachfolgend noch im Detail unter Bezugnahme auf die 11 erläutert).The substrate 10 is designed for use as an electrode in an electrolysis cell 200 (described in more detail below with reference to the 11 explained).

Wie aus 1 ersichtlich, erstreckt sich das Substrat 10 in einer Substratebene (in 1 der Zeichenebene entsprechend), welche durch eine Substratlängsrichtung 12 und eine zu der Substratlängsrichtung 12 orthogonal orientierte Substratquerrichtung 14 aufgespannt ist. In einem eingebauten Zustand des Substrats 10 in einer Elektrolysezelle 20 zeigt die Substratlängsrichtung 12 vertikal nach oben (siehe unten). Insofern verläuft die Substratlängsrichtung 12 einer Wirkrichtung 16 der Schwerkraft entgegengesetzt.As from 1 As can be seen, the substrate 10 extends in a substrate plane (in 1 corresponding to the plane of the drawing), which is spanned by a substrate longitudinal direction 12 and a substrate transverse direction 14 oriented orthogonally to the substrate longitudinal direction 12. When the substrate 10 is installed in an electrolysis cell 20, the substrate longitudinal direction 12 points vertically upwards (see below). In this respect, the substrate longitudinal direction 12 runs opposite to an effective direction 16 of gravity.

Wie in 2 gezeigt, weist das Substrat eine Vorderseite 18 und eine gegenüberliegende Rückseite 20 auf. Zwischen der Vorderseite 18 und der Rückseite 20 erstreckt sich das Substrat 10 über eine Dicke 22 in einer zu der Substratebene (und somit zur Substratlängsrichtung 12 und der Substratquerrichtung 14) orthogonalen Dickenrichtung 24.As in 2 As shown, the substrate has a front side 18 and an opposite rear side 20. Between the front side 18 and the rear side 20, the substrate 10 extends over a thickness 22 in a thickness direction 24 orthogonal to the substrate plane (and thus to the substrate longitudinal direction 12 and the substrate transverse direction 14).

Das Substrat 10 ist aus einem Metall oder einem beschichteten Metall gebildet. Wie vorstehend erwähnt, kann das Substrat 10 zumindest abschnittsweise mit einem Katalysatormaterial beschichtet sein. Insbesondere kann das Substrat 10 auf der Vorderseite 18 mit einem Katalysatormaterial beschichtet sein.The substrate 10 is formed from a metal or a coated metal. As mentioned above, the substrate 10 can be coated with a catalyst material at least in sections. In particular, the substrate 10 can be coated with a catalyst material on the front side 18.

Das Substrat 10 weist eine Mehrzahl von Durchgangskanälen 26 (Öffnungen) auf, welche sich jeweils entlang der kompletten Dicke 22 von der Vorderseite 18 zu der Rückseite 20 des Substrats 10 erstrecken (vgl. 2).The substrate 10 has a plurality of through-channels 26 (openings), each of which extends along the entire thickness 22 from the front side 18 to the back side 20 of the substrate 10 (cf. 2 ).

In dem Beispiel gemäß 1 sind die Durchgangskanäle 26 in einem geordneten Muster über das Substrat 10 verteilt angeordnet und zudem untereinander identisch ausgebildet. Wie nachfolgend noch erläutert, ist es bei weiteren Ausgestaltungen auch denkbar, dass die Durchgangskanäle 26 in einem unregelmäßigen Muster über das Substrat 10 verteilt angeordnet sind und/oder unterschiedliche Querschnittsformen und/oder unterschiedliche Durchmesser bzw. Querschnittsflächen aufweisen (vgl. z.B. 8 bis 10).In the example according to 1 the through-channels 26 are arranged in an orderly pattern distributed over the substrate 10 and are also designed to be identical to one another. As explained below, it is also conceivable in further embodiments that the through-channels 26 are arranged in an irregular pattern distributed over the substrate 10 and/or have different cross-sectional shapes and/or different diameters or cross-sectional areas (cf. e.g. 8 to 10 ).

Die Durchgangskanäle 26 sind jeweils durch eine Wandung 28 des Substrats 10 begrenzt. Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Beispiel sind die Durchgangskanäle 26 im Querschnitt kreisförmig ausgebildet. Insofern ist ein jeweiliger Durchgangskanal 26 durch eine entlang einer Kreisbahn umlaufende Wandung 28 begrenzt (vgl. 3).The through-channels 26 are each delimited by a wall 28 of the substrate 10. In the 1 to 3 In the example shown, the through-channels 26 are circular in cross-section. In this respect, each through-channel 26 is delimited by a wall 28 running along a circular path (cf. 3 ).

Die Wandung 28 weist einen oberen Wandungsteil 30 auf, welcher den Durchgangskanal 26 nach oben hin begrenzt (in 3 durch den mit durchgezogener Linie dargestellten Halbkreis angedeutet). Die Wandung weist außerdem einen unteren Wandungsteil 32 auf, welcher den Durchgangskanal 26 nach unten hin begrenzt (in 3 durch den mit strichpunktierter Linie dargestellten Halbkreis angedeutet).The wall 28 has an upper wall part 30 which limits the passage channel 26 at the top (in 3 indicated by the semicircle shown with a solid line). The wall also has a lower wall part 32, which limits the through-channel 26 downwards (in 3 indicated by the semicircle shown with a dotted line).

Wie in 3 beispielhaft eingezeichnet, kann der obere Wandungsteil 28 in obere Wandungsabschnitte 34-1, 34-2, 34-3 unterteilt werden (in 3 durch die vom Mittelpunkt des Durchgangskanals nach radial außen verlaufende Linien angedeutet), welche gemeinsam den oberen Wandungsteil 30 bilden. Ebenso kann der untere Wandungsteil 28 in untere Wandungsabschnitte 36-1, 36-2, 36-2 unterteilt werden, welche gemeinsam den unteren Wandungsteil 32 bilden. Die in 3 dargestellte Unterteilung ist lediglich beispielhaft.As in 3 As shown by way of example, the upper wall part 28 can be divided into upper wall sections 34-1, 34-2, 34-3 (in 3 by the lines running radially outwards from the centre of the through-channel), which together form the upper wall part 30. Likewise, the lower wall part 28 can be divided into lower wall sections 36-1, 36-2, 36-2, which together form the lower wall part 32. The 3 The division shown is merely exemplary.

Wie vorstehend erwähnt sind zumindest eine Teilmenge der oberen Wandungsabschnitte 34-1, 34-2, 34-3 in einem jeweiligen Führungsbereich 38 in Richtung zur Rückseite 20 hin schräg nach oben geneigt. Wie in 4 dargestellt, ist insofern zumindest eine Teilmenge der oberen Wandungsabschnitte 34-1, 34-2, 34-3 in dem Führungsbereich 38 derart relativ zu der Substratebene geneigt, dass eine an dem Führungsbereich 38 anliegende und von der Vorderseite 18 zu der Rückseite 20 weisende Tangente 40 mit der Substratlängsrichtung 12 einen spitzen Neigungswinkel α einschließt.As mentioned above, at least a subset of the upper wall sections 34-1, 34-2, 34-3 are inclined upwards in a respective guide region 38 in the direction of the rear side 20. As in 4 As shown, at least a subset of the upper wall sections 34-1, 34-2, 34-3 in the guide region 38 is inclined relative to the substrate plane in such a way that a tangent 40 adjacent to the guide region 38 and pointing from the front side 18 to the rear side 20 encloses an acute angle of inclination α with the substrate longitudinal direction 12.

Wie vorstehend erwähnt kann der Neigungswinkel insbesondere zwischen 10° und 60° betragen.As mentioned above, the angle of inclination can in particular be between 10° and 60°.

In dem in 4 dargestellten Beispiel verläuft der sichtbare obere Wandungsabschnitt 34-2 mit konstanter Steigung von der Vorderseite 18 zu der Rückseite 20. Insofern ist der gezeigte obere Wandungsabschnitt 34-2 entlang seines kompletten Verlaufs von der Vorderseite 18 zu der Rückseite 20 hin in dem Neigungswinkel α relativ zu der Substratlängsrichtung 12 geneigt. Bei dieser Ausgestaltung entspricht der Führungsbereich 38 insofern dem kompletten Wandungsabschnitt 34-2.In the 4 In the example shown, the visible upper wall section 34-2 runs with a constant gradient from the front side 18 to the back side 20. In this respect, the upper wall section 34-2 shown is inclined along its entire course from the front side 18 to the back side 20 at the angle of inclination α relative to the substrate longitudinal direction 12. In this embodiment, the guide region 38 corresponds to the entire wall section 34-2.

Bei weiteren Ausgestaltungen (vgl. beispielsweise 5) ist es auch denkbar, dass sich der obere Wandungsteil 30 oder zumindest eine Teilmenge der oberen Wandungsabschnitte 34 lediglich in einem Teilabschnitt ihrer Erstreckung von der Vorderseite 18 zu der Rückseite 20 nach schräg oben geneigt ist. Beispielsweise ist bei der in 5 dargestellten Ausgestaltung der gezeigte obere Wandungsabschnitt 34-2 zunächst in einem der Vorderseite 18 zugewandten Endabschnitt 42 schräg nach unten geneigt und in einem dem der Rückseite 20 zugewandten Endabschnitt 44 schräg nach oben geneigt. In diesem Fall bildet nur der der Rückseite 20 zugewandte Endabschnitt 44 einen Führungsbereich 38.In further embodiments (see for example 5 ), it is also conceivable that the upper wall part 30 or at least a subset of the upper wall sections 34 is inclined obliquely upwards only in a partial section of its extension from the front side 18 to the rear side 20. For example, in the 5 darge In the embodiment shown, the upper wall section 34-2 is initially inclined downwards in an end section 42 facing the front side 18 and inclined upwards in an end section 44 facing the rear side 20. In this case, only the end section 44 facing the rear side 20 forms a guide region 38.

Der untere Wandungsteil 32 oder zumindest eine Teilmenge der unteren Wandungsabschnitte 36 können ebenfalls entlang ihres Verlaufs von der Vorderseite 18 zu der Rückseite schräg nach oben geneigt orientiert sein.The lower wall part 32 or at least a subset of the lower wall sections 36 can also be oriented obliquely upward along their course from the front side 18 to the rear side.

Beispielsweise verläuft in dem Beispiel gemäß 4 der jeweils sichtbare untere Wandungsabschnitt 36-2 zu dem in Substratlängsrichtung 12 gegenüberliegenden oberen Wandungsabschnitt 34-2 parallel. Eine an dem unteren Wandungsabschnitt 34-2 (bildet einen Führungsbereich 38') anliegende und von der Vorderseite 18 zu der Rückseite 20 weisende Tangente 40' verläuft insofern parallel zu der Tangente 40 und schließt mit der Substratlängsrichtung 12 den gleichen Neigungswinkel α' ein (vgl. 4).For example, in the example according to 4 the respectively visible lower wall section 36-2 is parallel to the upper wall section 34-2 opposite in the substrate longitudinal direction 12. A tangent 40' lying on the lower wall section 34-2 (forms a guide area 38') and pointing from the front side 18 to the rear side 20 runs parallel to the tangent 40 and encloses the same angle of inclination α' with the substrate longitudinal direction 12 (cf. 4 ).

Die 5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der Durchgangskanäle 26, welche sich, wie vorstehend beschrieben, von der Ausgestaltung gemäß 4 durch die Ausgestaltung des oberen Wandungsabschnitts 34-2 unterscheidet.The 5 shows a further exemplary embodiment of the through-channels 26, which, as described above, differs from the embodiment according to 4 by the design of the upper wall section 34-2.

Wie in 5 beispielhaft eingezeichnet, sind die Durchgangskanäle 26 in den Beispielen gemäß den 4 und 5 derart geneigt, dass ein Flächeninhalt A_O einer bei Blickrichtung entlang einer zu der Substratebene, insbesondere um den Neigungswinkel α, geneigten Neigungsrichtung 41 sichtbaren Öffnung eines jeweiligen Durchgangskanals 26 größer ist als ein Flächeninhalt A_O' einer bei Blickrichtung entlang der Dickenrichtung 24 sichtbaren Öffnung des Durchgangskanals 26.As in 5 As shown by way of example, the through-channels 26 in the examples are in accordance with the 4 and 5 inclined such that a surface area A _O of an opening of a respective through-channel 26 visible when viewed along an inclination direction 41 inclined to the substrate plane, in particular by the inclination angle α, is larger than a surface area A _O ' of an opening of the through-channel 26 visible when viewed along the thickness direction 24.

Die 6 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der Durchgangskanäle 26, welche sich von der in 4 dargestellten Ausgestaltung darin unterscheidet, dass der untere Wandungsteil 32 oder zumindest eine Teilmenge der unteren Wandungsabschnitte 36 zur Substratebene orthogonal, also parallel zur Dickenrichtung 24 verlaufen.The 6 shows a further exemplary embodiment of the through-channels 26, which differs from the 4 illustrated embodiment in that the lower wall part 32 or at least a subset of the lower wall sections 36 run orthogonally to the substrate plane, i.e. parallel to the thickness direction 24.

Die 7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der Durchgangskanäle 26, welche sich von der in 4 dargestellten Ausgestaltung darin unterscheidet, dass das Substrat 10 abschnittsweise eine unterschiedliche Dicke 22 aufweist. Im Konkreten ist das Substrat 10 beispielhaft derart ausgebildet, dass bei dem in 7 unteren Durchgangskanal 26 der gezeigte obere Wandungsabschnitt 34-2 in Dickenrichtung 24 auf der Rückseite 20 hervorsteht und zudem bei dem in 7 oberen Durchgangskanal 26 der gezeigte untere Wandungsabschnitt 36-2 in Dickenrichtung 24 auf der Rückseite 20 hervorsteht.The 7 shows a further exemplary embodiment of the through-channels 26, which differs from the 4 The substrate 10 differs from the embodiment shown in that the substrate 10 has a different thickness 22 in sections. In concrete terms, the substrate 10 is designed in such a way that in the embodiment shown in 7 lower passage channel 26, the upper wall section 34-2 shown protrudes in the thickness direction 24 on the rear side 20 and also in the 7 upper passage channel 26, the shown lower wall section 36-2 protrudes in the thickness direction 24 on the rear side 20.

Die 8 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung des Substrats 10, bei welcher sich eine Querschnittsfläche der Durchgangskanäle 26 im Verlauf der Erstreckung des Substrats 10 in Substratlängsrichtung 12, also von unten nach oben, vergrößert. Im konkreten Beispiel umfasst das Substrat 10 drei Bereiche, welche in Substratlängsrichtung 12 übereinander angeordnet sind, wobei eine jeweilige Querschnittsfläche der Durchgangskanäle 26 von dem ersten zu dem dritten Bereich zunimmt.The 8 shows a further exemplary embodiment of the substrate 10, in which a cross-sectional area of the through-channels 26 increases in the course of the extension of the substrate 10 in the substrate longitudinal direction 12, i.e. from bottom to top. In the specific example, the substrate 10 comprises three regions which are arranged one above the other in the substrate longitudinal direction 12, wherein a respective cross-sectional area of the through-channels 26 increases from the first to the third region.

Die 9 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung des Substrats 10, bei welcher sich eine Kanaldichte (Anzahl an Durchgangskanäle pro Einheitsfläche) im Verlauf der Erstreckung des Substrats 10 in Substratlängsrichtung 12, also von unten nach oben, vergrößert.The 9 shows a further exemplary embodiment of the substrate 10, in which a channel density (number of through-channels per unit area) increases in the course of the extension of the substrate 10 in the substrate longitudinal direction 12, i.e. from bottom to top.

In 10 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung des Substrats 10. Das Substrat 10 weist einen ersten (oberen) Bereich 46 und einen in Substratlängsrichtung 12 unter dem ersten Bereich 46 angeordneten zweiten (unteren) Bereich 48 auf. Wie aus 10 ersichtlich, sind die Durchgangskanäle 26 in dem ersten Bereich 46 schlitzförmig ausgebildet und in dem zweiten Bereich 48 halbkreisförmig ausgebildet.In 10 shows a further exemplary embodiment of the substrate 10. The substrate 10 has a first (upper) region 46 and a second (lower) region 48 arranged in the substrate longitudinal direction 12 below the first region 46. As can be seen from 10 As can be seen, the through-channels 26 are slot-shaped in the first region 46 and semicircular in the second region 48.

Bei nicht dargestellten Ausgestaltungen kann das Substrat 10 beliebige andere Konfigurationen der Durchgangskanäle 26 (insbesondere unterschiedliche Querschnittsformen, Querschnittsflächen und/oder Kanaldichten) aufweisen.In embodiments not shown, the substrate 10 can have any other configurations of the through-channels 26 (in particular different cross-sectional shapes, cross-sectional areas and/or channel densities).

Die 11 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine Ausgestaltung einer Elektrolysezelle 200 für die alkalische Wasserelektrolyse.The 11 shows a simplified schematic representation of an embodiment of an electrolysis cell 200 for alkaline water electrolysis.

Die Elektrolysezelle 200 umfasst (in 11 von links nach rechts) eine erste Bipolarplatte 202-1, eine erste optionale poröse Trägerschicht 204-1, eine erste Elektrode 206-1 (Kathode), einen Separator 208, eine zweite Elektrode 206-2 (Anode), eine zweite optionale poröse Trägerschicht 204-2 und eine zweite Bipolarplatte 202-2.The electrolysis cell 200 comprises (in 11 from left to right) a first bipolar plate 202-1, a first optional porous carrier layer 204-1, a first electrode 206-1 (cathode), a separator 208, a second electrode 206-2 (anode), a second optional porous carrier layer 204-2 and a second bipolar plate 202-2.

Die Elektroden 206-1, 206-2 sind jeweils durch ein vorstehend beschriebenes Substrat 10-1, 10-2 gebildet. Wie aus 11 ersichtlich, sind die Substrate 10-1, 10-2 derart angeordnet, dass die jeweilige Substratlängsrichtung 12 einer Wirkrichtung 16 der Schwerkraft entgegengesetzt ist. Die Substrate 10-1, 10-2 sind ferner derart angeordnet, dass eine jeweilige Vorderseite 18 dem Separator 208 zugewandt ist und eine jeweilige Rückseite 20 einer Bipolarplatte 202-1, 202-2 zugewandt ist. Insofern sind das erste Substrat 10-1 und das zweite Substrat 10-2 zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet. The electrodes 206-1, 206-2 are each formed by a substrate 10-1, 10-2 described above. As can be seen from 11 As can be seen, the substrates 10-1, 10-2 are arranged such that the respective substrate longitudinal direction 12 is opposite to a direction of action 16 of gravity. The substrates 10-1, 10-2 are further arranged such that a respective front side 18 faces the separator 208 and a respective rear side 20 faces a bipolar plate 202-1, 202-2. In this respect, the first substrate 10-1 and the second substrate 10-2 are arranged mirror-symmetrically to one another.

In dem dargestellten Beispiel liegen die Elektroden 206-1, 206-2 (Substrate 10-1, 10-2) an dem Separator 208 an. Bei nicht dargestellten Ausgestaltungen können die Elektroden 206-1, 206-2 (Substrate 10-1, 10-2) auch von dem Separator 208 beabstandet angeordnet sein.In the example shown, the electrodes 206-1, 206-2 (substrates 10-1, 10-2) rest against the separator 208. In embodiments not shown, the electrodes 206-1, 206-2 (substrates 10-1, 10-2) can also be arranged at a distance from the separator 208.

Im Betrieb umspült ein Elektrolyt, für die alkalische Wasserelektrolyse insbesondere eine wässrige KOH-Lösung, die Elektroden 206-1, 206-2. Wie vorstehend erwähnt, entsteht bei Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden 206-1, 206-2 in Folge der elektrochemischen Zersetzung von Wasser an der Kathode (bspw. Elektrode 206-1) Wasserstoff und an der Anode (bspw. Elektrode 206-2) Sauerstoff. Die Produktgase (Wasserstoff und Sauerstoff) werden insbesondere an den optional mit Katalysatormaterial beschichteten Vorderseiten 18 der Elektroden 206-1, 206-2 gebildet. Die hierbei entstehenden Gasblasen (nicht dargestellt) werden dann durch die Durchgangskanäle 26 in dem jeweiligen Substrat 10-1, 10-2 zu dessen Rückseite 20 geleitet und dort, im Beispiel durch die porösen Trägerschichten 204-1, 204-2, nach oben abgeleitet.During operation, an electrolyte, in particular an aqueous KOH solution for alkaline water electrolysis, flows around the electrodes 206-1, 206-2. As mentioned above, when a direct voltage is applied to the electrodes 206-1, 206-2, hydrogen is produced at the cathode (e.g. electrode 206-1) and oxygen at the anode (e.g. electrode 206-2) as a result of the electrochemical decomposition of water. The product gases (hydrogen and oxygen) are formed in particular on the front sides 18 of the electrodes 206-1, 206-2, which are optionally coated with catalyst material. The gas bubbles (not shown) that are formed in this process are then guided through the through-channels 26 in the respective substrate 10-1, 10-2 to its rear side 20 and there, in the example through the porous carrier layers 204-1, 204-2, are discharged upwards.

Wie vorstehend erwähnt, besteht die Elektrolysezelle 200 aus zwei Halbzellen 100-1, 100-2 (in 11 durch den strichlinierten Rahmen dargestellt), wobei der Separator 208 beiden Halbzellen 100-1, 100-2 zugeordnet ist.As mentioned above, the electrolytic cell 200 consists of two half cells 100-1, 100-2 (in 11 represented by the dashed frame), wherein the separator 208 is assigned to both half-cells 100-1, 100-2.

Claims

Metallic substrate (10) that can be coated with a catalyst material or at least partially coated for use as an electrode (206-1, 206-2) in an electrolysis cell (200), in particular for alkaline water electrolysis, wherein the substrate (10) extends flatly in a substrate plane, where the substrate plane is spanned by a substrate longitudinal direction (12) that is opposite to the direction of action (16) of gravity when the substrate (10) is installed in an electrolysis cell (200) and a substrate transverse direction (14) that is oriented orthogonally to the substrate longitudinal direction (12), where the substrate (10) has a front side (18) and an opposite rear side (20), wherein the substrate (10) has a thickness (22) between the front side (18) and the rear side (20) in a thickness direction (24) that is orthogonal to the substrate plane, where in the substrate (10) there is a plurality of through-channels (26) are formed, which each extend through the substrate (10) from the front side (18) to the back side (20), wherein the through-channels (26) are each delimited by a wall (28) of the substrate (10), wherein the wall (28) delimiting a respective through-channel (26) has upper wall sections (34-1, 34-2, 34-3) which delimit the through-channel (26) upwards, and lower wall sections (36-1, 36-2, 36-3) which delimit the through-channel (26) downwards, wherein at least a subset of the upper wall sections (34-1, 34-2, 34-3), preferably and a subset of the lower wall sections (36-1, 36-2, 36-3), in a respective guide region (38), preferably along their complete course from the front (18) to the back (20), inclined obliquely upwards towards the back (20).

Substrate (10) after claim 1 , wherein at least a subset of the upper wall sections (34-1, 34-2, 34-3) and a subset of the lower wall sections (36-1, 36-2, 36-3), in particular upper and lower wall sections opposite one another along the substrate longitudinal direction (12), run parallel to one another.

Substrate (10) according to one of the preceding claims, wherein the upper and/or lower wall sections (34-1, 34-2, 34-3, 36-1, 36-2, 36-3) in the respective guide region (38) are inclined at an angle of inclination (α) to the substrate longitudinal direction (12), wherein the angle of inclination (12) is at least 5° and at most 85°, preferably at least 10° and at most 60°, more preferably at least 15° and at most 45°.

Substrate (10) according to one of the preceding claims, wherein at least a subset of the through-channels (26) runs inclined in such a way that a surface area (A _O ) of an opening of a respective through-channel (26) - visible when viewed along an inclination direction (41) inclined to the substrate plane, in particular by the inclination angle (α) - is larger than a surface area (A _O ') of an opening of the through-channel (26) - visible when viewed along the thickness direction (24), in particular by at least 5%, preferably at least 10%, more preferably at least 15%, more preferably at least 20%.

Substrate (10) according to one of the preceding claims, wherein the through-channels (26) each have a clear cross-sectional area orthogonal to an extension of the through-channel (26) from the front side (18) to the rear side (20) with a smallest dimension of at least 0.1 mm, in particular of at least 0.2 mm, and in particular with a maximum dimension of 4 mm, in particular a maximum of 2 mm, further in particular a maximum of 1 mm.

Substrate (10) according to one of the preceding claims, wherein the through-channels (26) each have a minimum cross-sectional area orthogonal to an extension of the through-channel (26) from the front side (18) to the back side (20) of 0.05 mm ² and/or a maximum cross-sectional area of 10 mm ² .

Substrate (10) according to one of the preceding claims, wherein at least a subset of the through-channels (26) has an axis of symmetry parallel to the substrate longitudinal direction (12).

Substrate (10) according to one of the preceding claims, wherein at least a subset of the through-channels (26) tapers along their respective course from the front side (18) to the back side (20).

Substrate (10) according to one of the preceding claims, wherein at least a subset of the wall sections (34-1, 34-2, 34-3, 36-1, 36-2, 36-3) are formed with different thicknesses in the thickness direction (24).

Substrate (10) according to one of the preceding claims, wherein the substrate (10) has two or more regions with through-channels (26), wherein the regions differ from one another by a configuration of the through-channels (26), in particular by - a number of through-channels (26) per unit area; and/or - a respective cross-sectional area of the through-channels (26); and/or - a respective cross-sectional geometry of the through-channels (26) when viewed along the thickness direction (24).

Substrate (10) according to one of the preceding claims, wherein along the extension of the substrate (10) in the substrate longitudinal direction (12) an open area of the substrate (10) per unit area increases when viewed along the thickness direction (24).

Substrate (10) according to one of the preceding claims, wherein the substrate (10) has at least a first region with through-channels (26) and at least a second region with through-channels (36), wherein the first region is arranged above the second region as viewed in the substrate longitudinal direction (12), wherein in the first region an average cross-sectional area of the through-channels (26) is larger than an average cross-sectional area of the through-channels (36) in the second region and/or in the first region a number of through-channels (36) per unit area is larger than in the second region.

Substrate (10) according to one of the preceding claims, wherein the substrate (10) has at least a first region (46) with through-channels (26) and at least a second region (48) with through-channels (26), wherein the first region (46) is arranged above the second region (48) when viewed in the substrate longitudinal direction (12), wherein the through-channels (26) in the first region (46) have a slot-shaped cross-section and the through-channels (26) in the second region (48) have a semicircular cross-section

Electrolysis half cell (100-1), in particular for alkaline water electrolysis, comprising: - a bipolar plate (202-1), - a separator (208) and - an electrode (206-1) arranged between the bipolar plate (202-1) and the separator (208), wherein the electrode (206-1) is formed by a substrate (10-1) according to one of the preceding claims.

Electrolysis half-cell according to the preceding claim, wherein the substrate (10-1) is arranged such that the front side (18) faces the separator (208).

Electrolysis cell (200), in particular for alkaline water electrolysis, comprising two half cells (100-1, 100-2) according to one of the Claims 14 or 15 , wherein the separator (208) of the first half-cell (100-1) and the separator (208) of the second half-cell (100-2) are formed by the same separator (208).