Elektrolysezelle und Verfahren zum Herstellen der Elektroly sezelle

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle und ein Verfah ren zum Herstellen der Elektrolysezelle.

Ein Elektrolyseur ist eine Vorrichtung, die mit Hilfe von elektrischem Strom eine Stoffumwandlung herbeiführt (Elektro lyse) . Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen Elekt rolysen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseuren, wie beispielsweise einen Elektrolyseur für eine Wasserstoffelekt- rolyse .

Aktuelle Überlegungen gehen dahin, die überschüssige Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, zu speichern. Das Speichern ist insbeson dere mit elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoff zellen oder Elektrolysezellen möglich. Insbesondere kann Energie durch die Herstellung von Wertstoffen gespeichert werden. Ein Wertstoff kann insbesondere Wasserstoff sein, welcher mit Wasserelektrolyseuren erzeugt wird. Mittels des Wasserstoffs kann beispielsweise sogenanntes EE-Gas herge stellt werden.

Dabei erzeugt ein (Wasserstoffelektrolyse- ) Elektrolyseur mit Hilfe der elektrischen Energie, insbesondere aus Windenergie oder Sonnenenergie, zunächst Wasserstoff. Danach kann der Wasserstoff in einem Sabatierprozess zusammen mit Kohlendi oxid zur Herstellung von Methan verwendet. Das Methan kann dann beispielsweise in ein bereits vorhandenes Erdgasnetz eingespeist werden und ermöglicht so eine Speicherung und ei nen Transport von Energie zum Verbraucher und kann so ein elektrisches Netz entlasten. Alternativ dazu kann der vom Elektrolyseur erzeugte Wasser stoff auch unmittelbar weiterverwendet werden, beispielsweise für eine Brennstoffzelle.

Bei einem Elektrolyseur für die Wasserstoffelektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Bei einem PEM- Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt und an einer protonendurchlässigen Membran (engl.: „Proton-Exchange-Membrane"; PEM) zu Wasser stoff und Sauerstoff gespalten. Das Wasser wird dabei an der Anode zu Sauerstoff oxidiert. Die Protonen passieren die pro tonendurchlässige Membran. Kathodenseitig rekombinieren die Protonen zu Wasserstoff.

Ein typischer Aufbau eines PEM-Elektrolyseurs umfasst eine erste Gasdiffusionsschicht und eine zweite Gasdiffusions schicht. Zwischen den Gasdiffusionsschichten ist die Proto nenaustauschmembran (engl.: „Proton-Exchange-Membrane"; PEM) angeordnet. Alle Schichten werden in einem Zellrahmen ange ordnet. Die Anordnung der Gasdiffusionsschichten in den Zell rahmen muss derzeit nachteilig mit einer hohen Genauigkeit erfolgen, um eine zuverlässig funktionierende Elektrolysezel le herzustellen. Dies macht die Herstellung der Komponenten sowie die Montage aufwändig.

Aus der DE 25 33 728 Al geht eine Elektrolysezelle zur Elekt rolyse einer Lösung von Alkalisalzen hervor. Die Elektrolyse zelle umfasst nebeneinander angeordneten bipolaren Elektroden und wenigstens einen, wenigstens eine Kammer der Elektrolyse zone umschließenden Außenrahmen.

Weitere elektrochemische Zellen mit abgedichteten Zellrahmen sind z.B. in der US 6,117,287 A und der US 2002/068208 Al be schrieben. In der CN 107 881 528 A ist ein Herstellungsver fahren für PEM-Membranelektrodeneinheit beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrolysezelle mit einem Zellrahmen und ein Verfahren zum Herstellen der Elektrolyse- zelle anzugeben, welches den Aufbau der Elektrolysezelle und das Verfahren zum Herstellen der Elektrolysezelle, insbeson dere für große Zellflächen, vereinfacht und eine hohe Zuver lässigkeit im Betrieb der elektrochemischen Zelle ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit einer Elektrolysezelle gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.

Der Zellrahmen für eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle oder eine Elekt rolysezelle, weist ein stufenartiges Innenprofil auf. Das stufenartige Innenprofil umfasst wenigstens eine Auflageflä che zur Aufnahme einer planaren Komponente in den Zellrahmen. Die Auflagefläche weist eine Aussparung für eine Dichtung auf .

Eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle weist einen Zellrahmen mit einem stufenartigen Innenprofil auf. Das stufenartige In nenprofil umfasst wenigstens eine Auflagefläche zur Aufnahme einer planaren Komponente in den Zellrahmen. Die Auflageflä che weist eine Aussparung für eine Dichtung auf. Die Elektro lysezelle weist weiterhin eine Dichtung auf, welche in der Aussparung der Auflagefläche angeordnet ist. Die Elektrolyse zelle weist weiterhin eine Membran-Elektroden-Einheit auf, welche die Auflagefläche des Zellrahmens und die Dichtung be deckt. Sie weist auch eine erste Gasdiffusionsschicht auf, welche an eine erste Seite der Membran-Elektroden-Einheit grenzt. Sie weist ebenfalls eine zweite Gasdiffusionsschicht auf, welche an eine zweite Seite der Membran-Elektroden- Einheit grenzt. Die Elektrolysezelle weist auch eine

elektrisch leitende Abschlussschicht auf, welche auf der ers ten Gasdiffusionsschicht aufliegt und mit dem Zellrahmen fest verbunden ist.

Aufgrund des stufenartigen Innenprofils ragt die erste Gas diffusionsschicht über die Grenzen der zweiten Gasdiffusions schicht hinaus. Die Spaltmaße zwischen Zellrahmen und Membra nen, bzw. Gasdiffusionsschichten können daher vorteilhaft größer sein. Das erleichtert und verkürzt den Montageprozess vorteilhaft. Weiterhin können die Außenkonturen der Membranen und/oder Gasdiffusionsschichten vorteilhaft frei gewählt wer den. Es ist lediglich notwendig, dass die Außenkonturen der Membranen und der ersten Gasdiffusionsschicht über die Dich tung hinausragen, so dass eine ausreichende Abstützung der Dichtung gewährleistet ist. Vorteilhaft gewährleistet die Dichtung auch ein Abdichten zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite der Elektrolysezelle.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Auflagefläche im Wesentlichen flächig. In anderen Worten ist die Auflagefläche plan, also nicht ge krümmt. Die plane Fläche wird lediglich durch die Aussparung unterbrochen. Vorteilhaft können die Membranen, insbesondere als ein MEA (engl.: „Membrane-Electrode-Assembly) , und die Gasdiffusionsschichten flach und somit formschlüssig auf der Auflagefläche aufliegen. Hierdurch wird vorteilhaft eine hohe Dichtheit erreicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung besteht der Zellrahmen aus einem Werk stück. In anderen Worten ist er nicht aus mehreren Komponen ten zusammengesetzt, sondern wird aus einem Werkstück herge stellt. Der Zellrahmen kann insbesondere ein Polymer umfas send. Er kann insbesondere aus diesem gegossen werden. Es ist alternativ ebenso denkbar den Zellrahmen aus plattenförmigen Rohmaterialien durch mechanische Bearbeitung herzustellen.

Der Zellrahmen umfasst bevorzugt ein elektrisch isolierendes Material .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung umschließt der Zellrahmen eine Fläche von wenigstens 3000 cm ² .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung weisen die Membran-Elektroden-Einheit, die erste Gasdiffusionsschicht und die zweite Gasdiffusions- Schicht jeweils eine Größe auf, die kleiner ist als die vom Innenprofil des Zellrahmens umschlossene Fläche. Besonders bevorzugt weist eine der Gasdiffusionsschichten eine größere Fläche auf als die andere Gasdiffusionsschicht. Sie sind also unterschiedlich groß. Diese Schichten können in das Innenpro fil des Zellrahmens hineingelegt werden. Sie liegen also nicht oben auf dem Zellrahmen auf, sondern sind in der Flä che, die das Innenprofil des Zellrahmens umschließt, angeord net. Vorteilhaft können somit diese Schichten im Innenprofil des Zellrahmens derart angeordnet werden, dass die Höhe der Schichten die Höhe des Zellrahmens nicht überschreitet. In anderen Worten füllt ein Anordnen der Schichten in dem Zell rahmen das Innere des Zellrahmens, die Schichten ragen aber nicht aus den Zellrahmen hinaus.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil dung der Erfindung weist die elektrisch leitende Abschluss schicht eine Größe auf, die größer ist als die vom Innenpro fil des Zellrahmens umschlossene Fläche. In anderen Worten liegt die elektrisch leitende Abschlussschicht somit auf dem Zellrahmen auf. Vorteilhaft kann diese Abschlussschicht somit leicht mechanisch an einer Ober oder Unterseite des Zellrah mens befestigt werden. Eine Befestigung dieser Schicht im In nenprofil des Zellrahmens ist vorteilhaft nicht nötig.

Dass die Auflagefläche eine Aussparung für eine Dichtung auf weist bedeutet in anderen Worten insbesondere, dass die Aus sparung für die Dichtung nicht am Rand der Auflagefläche an geordnet ist. Die Aussparung hat also keine seitlichen Gren zen mit der Auflagefläche gemeinsam. Sie ist innerhalb der Auflagefläche angeordnet. Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass eine Dichtung nicht verrutschbar, also in anderen Worten örtlich fixiert, innerhalb der Auflagefläche angeordnet wer den kann. Besonders bevorzugt ist eine erste Dichtung fest mit dem Zellrahmen verbunden. Somit erfolgt eine Abdichtung nicht wie bisher über geringe Spaltmaße zwischen dem Zellrah men und Membranen und/oder Gasdiffusionsschichten, sondern über eine in der Auflagefläche des Zellrahmens angeordnete Dichtung .

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen Elektrolysezel le umfasst mehrere Schritte. Zunächst wird ein Zellrahmen be- reitgestellt . Der Zellrahmen weist ein stufenartiges Innen profil auf. Das stufenartige Innenprofil weist wenigstens ei ne Auflagefläche zur Aufnahme einer planaren Komponente in den Zellrahmen auf. Die Auflagefläche umfasst dabei eine Aus sparung für eine Dichtung. In einem nächsten Schritt wird ei ne Dichtung in die Aussparung der Auflagefläche gelegt. Wird ein Zellrahmen mit einer fest verbundenen ersten Dichtung eingesetzt, kann dieser Schritt entfallen. Anschließend wird eine Membran-Elektroden-Einheit auf die Auflagefläche gelegt, wobei die Membran-Elektroden-Einheit die Auflagefläche des Zellrahmens und die Dichtung bedeckt. Anschließend wird eine erste Gasdiffusionsschicht auf eine erste Seite der Membran- Elektroden-Einheit gelegt. Anschließend wird eine elektrisch leitende Abschlussschicht auf die erste Gasdiffusionsschicht und den Zellrahmen gelegt. Die Abschlussschicht wird mecha nisch an dem Zellrahmen fixiert. Anschließend wird der Zell rahmen mit der Dichtung, der Membran-Elektroden-Einheit der ersten Gasdiffusionsschicht und der Abschlussschicht derart gedreht, dass nun die Abschlussschicht unten angeordnet ist und die Membran Katalysatorschicht oben angeordnet ist. Unten und oben sind hier im Verhältnis zum Schwerefeld der Erde zu sehen. Somit bedeutet unten, dass diese Schicht näher zur Er de hin angeordnet ist als eine Schicht, die oben angeordnet ist. Anschließend wird eine zweite Gasdiffusionsschicht auf einer zweiten Seite der Membran-Elektroden-Einheit in dem Zellrahmen angeordnet.

Vorteilhaft ermöglicht der Einsatz des stufenartigen Innen profils des Zellrahmens zunächst das Anordnen der Dichtung, der Membran-Elektroden-Einheit, der ersten Gasdiffusions schicht und der elektrisch leitenden Abschlussschicht durch einfaches Legen in den Zellrahmen. Durch das anschließende Drehen wird das Montieren der zweiten Gasdiffusionsschicht auf der Membran-Elektroden-Einheit vorteilhaft deutlich er leichtert. Während des Drehens wird die Membran-Elektroden- Einheit durch die erste Gasdiffusionsschicht und die Ab schlussschicht gestützt und im Zellrahmen eingeklemmt. Das Stützen sorgt vorteilhaft dafür, dass die Membran-Elektroden- Einheit nicht verrutscht und somit derart angeordnet bleibt, dass die Dichtungen bedeckt sind. Anschließend kann die zwei te Gasdiffusionsschicht einfach auf die Membran-Elektroden- Einheit aufgelegt werden. Ein einfaches Bestücken des Zell rahmens mit den Schichten ist durch das Drehen auch für sehr große Zellflächen mit geringem Aufwand möglich.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der Zellrahmen und die elektrisch leitende Abschlussschicht zuei nander abgedichtet.

Um einen Zellstack zu erhalten, werden mehrere Elektrolyse zellen übereinandergelegt, zueinander abgedichtet und ver- presst .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung erfolgt das mechanische Fixieren der Abschluss schicht an den Zellrahmen mittels einer Verschraubung, einer Vernietung oder durch ein Klemmmittel.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung un ter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch :

Figur 1 einen Schnitt eines Zellrahmens für eine Elektrolyse zelle;

Figur 2 eine Draufsicht eines Zellrahmens für eine Elektroly sezelle;

Figur 3 einen Schnitt eines Zellrahmens mit Schichten und me chanischer Fixierung während der Montage; Figur 4 einen Schnitt einer Elektrolysezelle mit dem Zellrah men;

Figur 5 ein Fließbild des Herstellungsverfahrens einer Elekt rolysezelle.

Figur 1 zeigt einen Schnitt eines Zellrahmens 100 für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle o- der eine Elektrolysezelle, mit einem stufenartigen Innenpro fil 101. Das stufenartige Innenprofil 101 weist eine Auflage fläche 102 auf. In der Auflagefläche 102 ist eine Aussparung

103 angeordnet. Der Zellrahmen 100 weist eine Rahmenoberseite

104 und eine Rahmenunterseite 105 auf.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht des Zellrahmens 100 mit einem stufenartigen Innenprofil 101. In diesem Beispiel ist der Zellrahmen 100 rechteckig ausgeführt. Es ist aber ebenso denkbar, dass dieser eine runde oder ovale Form, oder weitere technisch sinnvolle Formen aufweist.

In diesem Ausführungsbeispiel wird der Aufbau einer Elektro lysezelle beschrieben. Es ist aber alternativ ebenso möglich, den Zellrahmen 100 für den Aufbau einer Brennstoffzelle ein zusetzen .

Zu Beginn des Aufbaus der Elektrolysezelle ist der Zellrahmen 100 im Gravitationsfeld der Erde derart angeordnet, dass die Rahmenoberseite 104 nach oben, also von der Erde weg, und die Rahmenunterseite 105 nach unten, also zur Erde hin, orien tiert ist. Dies ist in Figur 1 gezeigt. Der Zellrahmen 100 ist aus einem Werkstück gefertigt. In einem ersten Montage schritt wird in die Aussparung 103 eine Dichtung 6 gelegt. Diese Dichtung 6 kann als Dichtungsband, als aufgetragene Dichtung oder als Dichtungsring ausgeführt sein. Die Dichtung 6 umfasst typischerweise Materialien wie PTFE, Silikon, Flu orkautschuk oder weitere Materialien aus der Gruppe der

Elastomere . Figur 3 zeigt den Zellrahmen 100 in einem Zwischen- Montagestand . Die Dichtung 6 ist in der Aussparung 103 ange ordnet. Anschließend wird eine Membran-Elektroden-Einheit 7 auf die Auflagefläche 102 gelegt. Die Membran-Elektroden- Einheit 7 weist eine Größe auf, die nahezu den Zellrahmen komplett ausfüllt. Sinnvollerweise sollte die Größe der Memb ran-Elektroden-Einheit 7 wenigstens derart gewählt sein, dass die Membran-Elektroden-Einheit 7 sicher und in jedem Tole ranzfall über die Dichtung 6 hinausreicht, wie in Figur 3 zu sehen ist. Anschließend wird eine erste Gasdiffusionsschicht 8 von oben auf die Membran-Elektroden-Einheit 7 gelegt. Die Größe der ersten Gasdiffusionsschicht 8 sollte wenigstens derart gewählt sein, sie die von der Dichtung umschlossenen Fläche überragt. In anderen Worten liegt die Gasdiffusions schicht 8 indirekt auf der Stufe des stufenartigen Innenpro fils 101 auf. Sowohl die Größe der Membran-Elektroden-Einheit 7 als auch der ersten Gasdiffusionsschicht 8 sollten derart gewählt sein, dass sie nicht größer sind als die vom Zellrah men 100 umschlossene Fläche. Vorteilhaft wird anschließend noch eine Dichtung zur Abdichtung zwischen Zellrahmen 100 und elektrisch leitender Abschlussschicht eingebracht. Wahlweise kann die Dichtung bereits ein Teil von Zellrahmen 100 oder elektrisch leitender Abschlussschicht 9 sein. Auf die erste Gasdiffusionsschicht 8 wird anschließend eine elektrisch lei tende Abschlussschicht 9 gelegt. Diese elektrisch leitende Abschlussschicht 9 wird mit einem mechanischen Fixiermittel, in diesem Beispiel mit einer Schraube 10, fest an dem Zell rahmen 100 fixiert. Figur 3 zeigt, wie zu diesem Montagezeit punkt der Zellrahmen mit den unterschiedlichen Schichten 7,

8, 9, der Dichtung 6 und der Verschraubung 10 ausgestaltet ist. In einem nächsten Schritt wird der Zellrahmen 100 mit der Dichtung 6, der Membran-Elektroden-Einheit 7, der der ersten Gasdiffusionsschicht 8 und der Abschlussschicht 9 ge dreht .

Figur 4 zeigt den Zellrahmen 100 nachdem er gedreht wurde.

Die Rahmenoberseite 104 ist nun unten angeordnet, die Rahmen- Unterseite 105 ist nun oben angeordnet. In anderen Worten ist im Gravitationsfeld der Erde die Rahmenunterseite 105 nun weiter von der Erde entfernt angeordnet als die Rahmen Ober seite 104. In einem nächsten Schritt wird eine zweite Gasdif fusionsschicht 11 auf der Membran-Elektroden-Einheit 7 aufge legt. Die Membran-Elektroden-Einheit 7 grenzt nun direkt auf einer Seite an die zweite Gasdiffusionsschicht 11. An der an deren Seite grenzt die Membran-Elektroden-Einheit 7 direkt an die erste Gasdiffusionsschicht 8. Die so montierte Elektroly sezelle 1 kann nun mit mehreren Elektrolysezellen 1 zu einem Stack gestapelt werden. Dabei werden die Elektrolysezellen zueinander abgedichtet. Vorteilhafterweise ermöglicht das Drehen der halbbestückten Zelle nach dem Montage-Zwischen- stand in Figur 3 ein einfaches Montieren der zweiten Gasdif fusionsschicht 11 für große Zellrahmen-Flächen von wenigstens 3000 cm ² . Die Größe der Membran-Elektroden-Einheit 7 sollte lediglich derart gewählt werden, dass sie wenigstens die Dichtung 6 überdeckt aber kleiner ist als die Zellrahmen In nenfläche. Die Membran-Elektroden-Einheit 7 wird durch die erste Gasdiffusionsschicht 8 gestützt und gegen Verrutschen durch Einklemmen gesichert. Dies ermöglicht ein schnelleres und effizienteres Montieren der Membran-Elektroden-Einheit 7, wobei gleichzeitig die Dichtheit zwischen einer ersten Zell hälfte, in der die erste Gasdiffusionsschicht 8 angeordnet ist und einer zweiten Zellhälfte, in der die zweite Gasdiffu sionsschicht 11 angeordnet ist, sicher gewährleistet werden kann .

Figur 5 zeigt schematisch ein Fließbild des Montageverfahrens mit den unterschiedlichen Schritten. Zunächst wird der Zell rahmen 100 bereitgestellt 50. Anschließend wird die Dichtung 6 in die Aussparung 103 eingelegt 51. Schritt 51 kann entfal len, wenn die Dichtung bereits als Teil des Zellrahmens aus geführt wurde. Danach erfolgt das Legen der Membran-Elektro den-Einheit in den Zellrahmen 52. Danach erfolgt das Auflegen der ersten Gasdiffusionsschicht 8 auf die Membran-Elektroden- Einheit 7 in einem Schritt 53. Es kann nun noch eine Dichtung in den Zellrahmen eingelegt werden. Dieser Schritt kann ent- fallen, wenn die Dichtung bereits ein Teil des Zellrahmens 100 oder der Abschlussschicht 9 ist. Im folgenden Schritt 55 wird eine Abschlussschicht 9 auf die erste Gasdiffusions schicht 8 gelegt. Anschließend erfolgt im Schritt 56 das me- chanische Fixieren der Abschlussschicht 9 am Zellrahmen 100. Anschließend wird im Schritt 57 der Zellrahmen 100 mit den Schichten 7, 8, 9 gedreht. Anschließend wird im Schritt 58 eine zweite Gasdiffusionsschicht 11 auf die Membran- Elektroden-Einheit 7 aufgebracht.