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DE102023210455A1 - Material bonding for multilayer components in electrochemical cells and manufacturing processes - Google Patents

Material bonding for multilayer components in electrochemical cells and manufacturing processes Download PDF

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DE102023210455A1
DE102023210455A1 DE102023210455.5A DE102023210455A DE102023210455A1 DE 102023210455 A1 DE102023210455 A1 DE 102023210455A1 DE 102023210455 A DE102023210455 A DE 102023210455A DE 102023210455 A1 DE102023210455 A1 DE 102023210455A1
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DE
Germany
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bpp
ptlc
ptla
layers
gas diffusion
Prior art date
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Pending
Application number
DE102023210455.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Michel Suermann
Alexander Spies
Cornelius Kühn
Simon Kießlich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Priority to PCT/EP2024/073979 priority patent/WO2025087586A1/en
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Abstract

Die Erfindung betriff eine Zelle (1, 11) für Elektrolysezumindest aufweisend: eine Schichtfolge aus einer Bipolarplatte (BPP), zumindest einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (PTLC), einer Protonenaustauschmembran (PEM) zwischen Katalysatorschichten (CLC, CLA) oder katalysatorbeschichteten Membran (CCM) zumindest einer anodischen Gasdiffusionsschicht (PTLA), die in einem Rahmen (4) angeordnet sind, wobei ein Stoffschluss (Con) zwischen den einzelnen Schichten zumindest der BPP, PTLA('s) und/oder PTLB('s) vorhanden ist.The invention relates to a cell (1, 11) for electrolysis, at least comprising: a layer sequence of a bipolar plate (BPP), at least one cathodic gas diffusion layer (PTLC), a proton exchange membrane (PEM) between catalyst layers (CLC, CLA) or catalyst-coated membrane (CCM) and at least one anodic gas diffusion layer (PTLA), which are arranged in a frame (4), wherein a material bond (Con) is present between the individual layers of at least the BPP, PTLA(s) and/or PTLB(s).

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Komponente bei elektrochemischen Zellen wie bei der Elektrolyse und ein Verfahren zum Herstellen der elektrochemischen Zelle.The invention relates to a multilayer component in electrochemical cells such as in electrolysis and a method for producing the electrochemical cell.

Ein Elektrolyseur ist eine Vorrichtung, die mit Hilfe von elektrischem Strom eine Stoffumwandlung herbeiführt (Elektrolyse). Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen Elektrolysen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseuren, wie beispielsweise einen Elektrolyseur für eine Wasserelektrolyse.An electrolyzer is a device that uses electrical current to transform a substance (electrolysis). Due to the variety of different electrolysis processes, there are also a variety of electrolyzers, such as an electrolyzer for water electrolysis.

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. Eine Umwandlung ist mit elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen möglich. Insbesondere kann Energie durch die Herstellung von Energieträgern gespeichert werden. Ein chemischer Energieträger u.a. ist Wasserstoff, welcher mit Wasserelektrolyseuren erzeugt wird. Mittels des Wasserstoffs kann beispielsweise sogenanntes EE-Gas hergestellt werden.Current considerations are to store excess energy from renewable energy sources during periods of abundant sun and wind, i.e., when solar or wind power generation is above average. Conversion is possible using electrochemical cells, particularly fuel cells or electrolysis cells. Energy can be stored, in particular, by producing energy carriers. One chemical energy carrier is hydrogen, which is produced using water electrolyzers. This hydrogen can be used, for example, to produce so-called renewable gas.

Dabei erzeugt ein Wasserelektrolyseur mit Hilfe der elektrischen Energie, insbesondere aus Windenergie oder Sonnenenergie, zunächst Wasserstoff, Sauerstoff und Abwärme. Danach kann der Wasserstoff in einem Sabatierprozess zusammen mit Kohlendioxid zur Herstellung von Methan verwendet werden. Das Methan kann dann beispielsweise in ein bereits vorhandenes Erdgasnetz eingespeist werden und ermöglicht so eine Speicherung und einen Transport von Energie zum Verbraucher und kann so ein elektrisches Netz entlasten. Darüber hinaus kann eine Beimengung des Wasserstoffs ins Erdgasnetz oder in ein reines Wasserstoffgasnetz erfolgen.A water electrolyzer uses electrical energy, particularly from wind or solar energy, to first generate hydrogen, oxygen, and waste heat. The hydrogen can then be combined with carbon dioxide in a Sabatier process to produce methane. The methane can then be fed into an existing natural gas grid, for example, enabling energy storage and transport to consumers and thus relieving the strain on the electrical grid. Furthermore, the hydrogen can be added to the natural gas grid or to a hydrogen-only gas grid.

Alternativ dazu kann der vom Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff auch unmittelbar weiterverwendet werden, beispielsweise für eine Brennstoffzelle.Alternatively, the hydrogen produced by the electrolyzer can also be used directly, for example in a fuel cell.

Bei einem Elektrolyseur für die Wasserelektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch gespalten. Bei einem PEM-Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt. Das Wasser wird dabei an der Anode an einem Katalysator für die Sauerstoffentstehungsreaktion zu Sauerstoff, Protonen und Elektronen oxidiert. Die Protonen passieren die Protonenaustauschmembran (PEM), welcher als Elektrolyt fungiert.In an electrolyzer for water electrolysis, water is electrochemically split into hydrogen and oxygen. In a PEM electrolyzer, distilled water is typically fed into the anode as the reactant. The water is oxidized to oxygen, protons, and electrons at the anode by a catalyst for the oxygen evolution reaction. The protons pass through the proton exchange membrane (PEM), which acts as the electrolyte.

Kathodenseitig werden die Protonen mit Elektronen zu Wasserstoff an einem Katalysator für die Wasserstoffentstehungsreaktion reduziert.On the cathode side, the protons are reduced with electrons to hydrogen on a catalyst for the hydrogen formation reaction.

Ein typischer Aufbau eines PEM-Elektrolyseurs umfasst jeweils für die Anoden- und Kathodenseite mindestens eine poröse Transportschicht bzw. Gasdiffusionsschicht sowie jeweils eine Katalysatorschicht. Zwischen den Katalysatorschichten ist die Protonenaustauschmembran (engl.: proton exchange membran, PEM) angeordnet. Die einzelnen Zellen werden mithilfe von Bipolarplatten (BPP) getrennt. Alle Schichten werden jeweils in einem Zellrahmen angeordnet. Die Anordnung der Gasdiffusionsschichten in den Zellrahmen muss derzeit nachteilig mit einer hohen Genauigkeit erfolgen, um eine zuverlässig funktionierende Elektrolysezelle herzustellen. Dies macht die Herstellung der Komponenten sowie die Montage aufwändig und teuer.A typical PEM electrolyzer design comprises at least one porous transport layer or gas diffusion layer for each of the anode and cathode sides, as well as one catalyst layer each. The proton exchange membrane (PEM) is arranged between the catalyst layers. The individual cells are separated by bipolar plates (BPPs). All layers are arranged in a cell frame. Currently, the arrangement of the gas diffusion layers in the cell frames must be carried out with high precision to produce a reliably functioning electrolysis cell. This makes component manufacturing and assembly complex and expensive.

Aus der DE 25 33 728 A1 geht eine Elektrolysezelle zur Elektrolyse einer Lösung von Alkalisalzen hervor. Die Elektrolysezelle umfasst nebeneinander angeordneten bipolaren Elektroden und wenigstens einen, wenigstens eine Kammer der Elektrolysezone umschließenden Außenrahmen.From the DE 25 33 728 A1 An electrolysis cell for electrolyzing a solution of alkali salts is disclosed. The electrolysis cell comprises bipolar electrodes arranged side by side and at least one outer frame enclosing at least one chamber of the electrolysis zone.

Weitere elektrochemische Zellen mit abgedichteten Zellrahmen sind in der US 6,117,287 und der US 2002/068208 A1 beschrieben.Further electrochemical cells with sealed cell frames are available in the US 6,117,287 and the US 2002/068208 A1 described.

In der CN 107 881 528 A ist ein Herstellungsverfahren für PEM-Membranelektrodeneinheiten beschrieben.In the CN 107 881 528 A A manufacturing process for PEM membrane electrode assemblies is described.

In solchen elektrochemischen Stacks werden etliche Zellen in Serie aneinandergereiht und als Stapel (engl. stack) betrieben.In such electrochemical stacks, several cells are arranged in series and operated as a stack.

In jeder Zelle sind verschiedenste Komponenten verbaut: Protonenaustauschmembran (engl. proton exchange membran, PEM), metallische Bipolarplatten (bipolar plates, BPP), metallische oder auf Kohlenstoff basierte (letzteres nur Kathode) poröse Transportschichten (porous transport layer, PTL; teilweise auch bekannt als Gasdiffusionsschichten (gas diffusion layer, GDL)), sowie Katalysatorschichten (catalyst layer, CL) und Membranen (PEM) verwendet.A variety of components are installed in each cell: proton exchange membrane (PEM), metallic bipolar plates (BPP), metallic or carbon-based (the latter only cathode) porous transport layers (PTL; sometimes also known as gas diffusion layers (GDL)), as well as catalyst layers (CL) and membranes (PEM).

In der Regel werden die anodische und kathodische CL's mit der PEM zu einer katalysatorbeschichteten Membran (catalyst coated membrane, CCM) weiterverarbeitet.Typically, the anodic and cathodic CLs are further processed with the PEM to form a catalyst coated membrane (CCM).

Zusätzlich werden weitere Bauteile wie z. B. Dichtungen und Rahmen eingesetzt. Derzeitige Lösungen sehen vor, dass die Komponenten BPP, PTL's, CCM (sowie Rahmen und Dichtungen) einzeln vorliegen, nacheinander zusammengeführt und wiederholend gestapelt werden müssen.In addition, other components such as seals and frames are used. Current solutions provide for the components BPP, PTLs, CCM (as well as frames and seals) to form a individually, must be brought together one after the other and stacked repeatedly.

Die Komponenten einer PEM müssen z.B. den teilweise harschen Bedingungen unter Elektrolysebetrieb standhalten. Diese beinhalten die anodischen und kathodischen elektrochemischen Potenziale, Sauerstoff- bzw. Wasserstoffatmosphäre sowie demineralisiertes Wasser, die saure Membran und deren möglichen Abbauprodukten (u.a. HF), metallischen Kationen-Kontaminationen, z.B. durch die Verfahrenstechnik der Anlage. Daher wird typischerweise für die BPP und Anoden-GDL(s) Titan als Basismaterial verwendet, für die Kathoden-GDL(s) Edelstahl bzw. Kohlenstoff oder auch Titan.The components of a PEM must, for example, withstand the sometimes harsh conditions encountered during electrolysis. These include the anodic and cathodic electrochemical potentials, the oxygen or hydrogen atmosphere, and demineralized water, the acidic membrane and its potential degradation products (including HF), and metallic cation contamination, e.g., from the plant's process technology. Therefore, titanium is typically used as the base material for the BPP and anode GDL(s), while stainless steel, carbon, or even titanium is used for the cathode GDL(s).

Hierbei ergebenen sich folgende Herausforderungen und Probleme:

  • - Elektrochemische Verluste und Korrosion im Betrieb
  • - (Elektrische ohmsche) Kontaktwiderstände an den Grenzflächen, hier zwischen den metallischen Bauteilen BPP und PTL(s), welche die Effizienz verringern
  • - Grenzflächen zwischen den Bauteilen, an denen Korrosion auftreten kann.
The following challenges and problems arose:
  • - Electrochemical losses and corrosion during operation
  • - (Electrical ohmic) contact resistances at the interfaces, here between the metallic components BPP and PTL(s), which reduce the efficiency
  • - Interfaces between components where corrosion can occur.

Sowohl Kontaktwiderstände als auch Korrosionserscheinungen können während des Betriebs ansteigen bzw. sich verstärken und so die Effizienz und ggf. die Lebensdauer beeinträchtigen.Both contact resistance and corrosion phenomena can increase or intensify during operation, thus impairing efficiency and possibly service life.

Fertigung und Montage

  • - Etliche, aneinandergereihte Arbeitsschritte beim Stapeln, z.B. für jede Zelle i) Einlegen BPP, ii) Einlegen Dichtungen, iii) Einlegen Rahmen, iv) Einlegen PTL (Anode), v) Einlegen CCM, vi) Einlegen PTL (Kathode) beanspruchen Ressourcen (Zeit, Personal, Maschinenzeit).
  • - Toleranzen und Toleranzausgleich sowie Positionierung aufgrund des nötigen Zusammenspiels vieler einzelner Komponenten sorgen für einen Montage- und Qualitätsaufwand von der Waren- bzw. Komponentenprüfung bis zum Stapeln des Stacks.
Manufacturing and assembly
  • - Several consecutive work steps during stacking, e.g. for each cell i) inserting BPP, ii) inserting seals, iii) inserting frame, iv) inserting PTL (anode), v) inserting CCM, vi) inserting PTL (cathode) require resources (time, personnel, machine time).
  • - Tolerances and tolerance compensation as well as positioning due to the necessary interaction of many individual components ensure assembly and quality effort from the inspection of goods or components to the stacking of the stack.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Zelle gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 7.The object is achieved by a cell according to claim 1 and a method according to claim 7.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile miteinander zu erzielen.The subclaims list further advantageous measures which can be combined with each other as desired in order to achieve further advantages.

Es zeigen

  • 1 eine Anordnung aus dem Stand der Technik,
  • 2, 3 erfindungsgemäße Anordnungen.
It shows
  • 1 a state-of-the-art arrangement,
  • 2 , 3 inventive arrangements.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.The figures and the description represent only embodiments of the invention.

Stand der Technik für eine beispielhafte Zelle 1' gemäß 1 ist eine Lösung mit den Komponenten BPP, PTL's (Anode, PTLA; Kathode PTLC), welche einzeln nacheinander gestapelt werden bzw. sind. Dargestellt in 1 ist ein Zelldesign mit einer BPP, zwei Kathoden-PTLs (PTLC 1,2), drei Anoden-PTLs (PTLA 1, 2, 3), einer PEM mit angrenzenden CLA, CLC, (bzw. eine CCM).State of the art for an exemplary cell 1' according to 1 is a solution with the components BPP, PTLs (anode, PTLA; cathode PTLC), which are stacked one after the other. Shown in 1 is a cell design with one BPP, two cathode PTLs (PTLC 1,2), three anode PTLs (PTLA 1, 2, 3), one PEM with adjacent CLA, CLC, (or one CCM).

Die Komponenten sind schichtförmig ausgebildet.The components are layered.

Die elektrischen Kontaktwiderstände zwischen den einzelnen Komponenten, welche insbesondere auf der Anodenseite mit Elektrolysebetriebszeit ansteigen können, sowie mögliche Korrosionsflächen werden teilweise mit Hilfe von relativ aufwändigen und teuren Edelmetallbeschichtungen (Pt, Ir) reduziert bzw. geschützt.The electrical contact resistances between the individual components, which can increase with electrolysis operation time, particularly on the anode side, as well as possible corrosion surfaces are partly reduced or protected by means of relatively complex and expensive precious metal coatings (Pt, Ir).

Die Erfindung gemäß 2 für eine erfindungsgemäße Zelle 1 sieht einen Stoffschluss Con zwischen der BPP und einer PTLA sowie der PTLA's untereinander sowie optional auch mit den metallischen PTLC's vor.The invention according to 2 For a cell 1 according to the invention, a material bond Con is provided between the BPP and a PTLA as well as between the PTLAs and optionally also with the metallic PTLCs.

Die Erfindung gemäß 3 zeigt beispielhaft eine Zelle 11 mit strukturierter BPP, also der Verwendung von Strömungsfeldern, z.B. in Form von Kanälen, und ebenfalls Stoffschlüssen Con zwischen den Stegen der BPP und den PTLA's sowie optional auch mit einer oder den metallischen PTLC's.The invention according to 3 shows an example of a cell 11 with structured BPP, i.e. the use of flow fields, e.g. in the form of channels, and also material bonds Con between the webs of the BPP and the PTLAs and optionally also with one or the metallic PTLCs.

Dies hat u.a. den Vorteil, dass auch die Kontaktflächen und damit die Fläche reduziert wird, in welcher der Stoffschluss erfolgen soll, was den Stoffschluss vereinfacht. Vorteilhaft ist es den Anteil der Querschnitte der Kanäle 14 bei 40% bis 60% zu halten, bezogen auf die gesamte Querschnittsfläche der PTLC bzw. PTLA1.This has the advantage, among other things, of reducing the contact surfaces and thus the area in which the material bond is to occur, which simplifies the bonding process. It is advantageous to keep the proportion of the cross-sections of the channels 14 at 40% to 60%, relative to the total cross-sectional area of the PTLC or PTLA1.

Grundsätzlich kann der Stoffschluss Con zw. BPP und PTL's über ein geeignetes Fügeverfahren wie insbesondere Sintern, Löten oder Schweißen erfolgen. Hierbei können die einzelnen Komponenten entweder gleichzeitig oder nacheinander miteinander stoffschlüssig verbunden und vorzugsweise jeweils nacheinander auf Form- und Lagetoleranz überprüft werden.In principle, the bond between BPP and PTLs can be achieved using a suitable joining process, such as sintering, soldering, or welding. The individual components can be bonded together either simultaneously or sequentially, and preferably each component can be checked for shape and position tolerances one after the other.

Diese Lösung kann nicht nur für Systeme oder Zellen 1, 11 der Wasserelektrolyse angewendet werden (2 und 3), sondern auch in anderen elektrochemischen Zellen, z.B. Brennstoffzellen, galvanischen Zellen, etc.This solution can be applied not only for systems or cells 1, 11 of water electrolysis ( 2 and 3 ), but also in other electrochemical cells, e.g. fuel cells, galvanic cells, etc.

Beispielhaft für die PEM-Wasserelektrolyse werden derzeit die verschiedenen Komponenten (BPP, PTLs, CCMs, Rahmen, Dichtungen, etc.) einzeln hergestellt und nacheinander montiert sowie gestapelt.As an example for PEM water electrolysis, the various components (BPP, PTLs, CCMs, frames, seals, etc.) are currently manufactured individually and assembled and stacked one after the other.

Stattdessen ermöglicht die zuvor beschriebene Erfindung einen vorgelagerten Stoffschluss bzw. eine Vormontage der BPP und PTLs.Instead, the invention described above enables an upstream material bond or pre-assembly of the BPP and PTLs.

Diese Erfindung hat damit sowohl Vorteile bei der Fertigung und Montage des Stapels als auch während des Betriebs. Somit könnten Einsparungen und Verbesserungen im Bereich der Kosten wie CAPEX und OPEX erfolgen, wie nachfolgenden beschrieben. Elektrochemische Verluste und Korrosion im Betrieb

  • - Der Stoffschluss zw. BPP und PTL(s) vermeidet Kontaktstellen, an denen elektrische Kontaktwiderstände entstehen.
  • - Der Stoffschluss zw. BPP und PTL(s) vermeidet elektrisch schlecht leitende Metalloxidschichten, welche typischerweise während des Elektrolysebetriebs anwachsen, und damit verbundene ohmsche Widerstände.
  • - Der Stoffschluss zw. BPP und PTL(s) vermeidet Grenzflächen, an denen Korrosion auftreten kann.
  • - Eine Beschichtung der Kontaktstellen bzw. Grenzflächen ist nicht mehr nötig.
This invention therefore offers advantages both during stack manufacturing and assembly, as well as during operation. This could result in savings and improvements in costs such as CAPEX and OPEX, as described below. Electrochemical losses and corrosion during operation
  • - The material bond between BPP and PTL(s) avoids contact points where electrical contact resistance occurs.
  • - The material bond between BPP and PTL(s) avoids electrically poorly conducting metal oxide layers, which typically grow during electrolysis operation, and the associated ohmic resistances.
  • - The material bond between BPP and PTL(s) avoids interfaces where corrosion can occur.
  • - Coating of the contact points or interfaces is no longer necessary.

Fertigung und Montage

  • - Montageerleichterung durch Verringerung der Arbeitsschritte, da nur noch ein bereits vorgefertigter Komponentenverbund eingelegt werden müsste.
  • - Ein höherer Automatisierungsgrad der Montierung kann einfacher erfolgen, da z.B. der Komponentenverbund mittels Roboter geführt und eingesetzt werden könnte.
  • - Die Positionierung bzw. die Formtoleranz von PTL(s) und BPP zueinander kann bereits während der Vormontage erfolgen und überprüft werden. Somit wird ein mögliches Verrutschen der einzelnen Komponenten zueinander während der nachgelagerten Montageprozesse vermieden.
  • - Austausch in Reparatur und Serviceanwendungen kann durch Zusammenfügen des Komponentenverbundes vereinfacht werden.
Manufacturing and assembly
  • - Easier assembly by reducing the number of work steps, as only a prefabricated component assembly would have to be inserted.
  • - A higher degree of automation of the assembly can be achieved more easily, since, for example, the component assembly could be guided and inserted by robots.
  • - The positioning and shape tolerance of PTL(s) and BPP relative to each other can be determined and checked during pre-assembly. This prevents any possible slippage of the individual components relative to each other during downstream assembly processes.
  • - Replacement in repair and service applications can be simplified by assembling the component assembly.

Die einzelnen Schichten (PTLC, BPP, PTLA) werden vorzugsweise nacheinander miteinander gefügt, also insbesondere zuerst die eine (3) oder einzelnen PTLC's, dann wird die BPP gefügt und am Ende die einzelnen PTLA's.The individual layers (PTLC, BPP, PTLA) are preferably joined one after the other, i.e. in particular first the one ( 3 ) or individual PTLCs, then the BPP is joined and at the end the individual PTLAs.

Die einzelnen Schichten (PTLC, BPP, PTLA,) können auch vorzugsweise auf einmal miteinander gefügt werden.The individual layers (PTLC, BPP, PTLA) can also preferably be joined together all at once.

Vorzugsweise ist es möglich mehrere Schichten (PTLC, BPP, PTLA) miteinander, aber nicht alle auf einmal miteinander zu fügen, also PTLC1+ PTLC2, dann dazu BPP + PTLA1, dann dazu PTLA2 + PTLA3.Preferably, it is possible to join several layers (PTLC, BPP, PTLA) together, but not all at once, i.e. PTLC1 + PTLC2, then BPP + PTLA1, then PTLA2 + PTLA3.

Ebenso vorzugsweise ist es möglich die einzelnen Schichttypen (PTLC's, PTLA's) jeweils separat gefügt werden und dann optional mit der Bipolarplatte (BPP) gefügt werden.It is also preferable to join the individual layer types (PTLCs, PTLAs) separately and then optionally join them with the bipolar plate (BPP).

Es kann sowohl großflächig, aber auch punktweise, linienförmig oder mäanderförmig gefügt werden, was den Energieeintrag und Aufwand reduziert. Dies ist insbesondere sinnvoll beim Schweißen.It can be joined over large areas, but also in spots, linearly, or meandering, reducing energy input and effort. This is particularly useful for welding.

Es können einzelne oder mehrere Komponenten mithilfe von Sintern, Schweißen oder Löten stoffschlüssig verbunden werden.Individual or multiple components can be joined together using sintering, welding or soldering.

Der Stoffschluss Con ist deutlich erkennbar.The fabric closure Con is clearly visible.

Wenn die Fügung durch Sinterung erfolgte, ist ein Diffusionsbereich zwischen den Schichten (PTLC, BPP, PTLA) vorhanden.If the joining was done by sintering, a diffusion area is present between the layers (PTLC, BPP, PTLA).

Wenn die Fügung durch Schweißung erfolgte, ist zumindest ein aufgeschmolzener Bereich zwischen den Schichten (PTLC, BPP, PTLA) und/oder eine andere Mikrostruktur oder Kornstruktur vorhanden.If the joining was done by welding, there is at least one molten area between the layers (PTLC, BPP, PTLA) and/or another microstructure or grain structure.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 25 33 728 A1 [0009]DE 25 33 728 A1 [0009]
  • US 6,117,287 [0010]US 6,117,287 [0010]
  • US 2002/068208 A1 [0010]US 2002/068208 A1 [0010]
  • CN 107 881 528 A [0011]CN 107 881 528 A [0011]

Claims (14)

Zelle (1, 11) für Elektrolyse zumindest aufweisend: eine Schichtfolge aus einer Bipolarplatte (BPP), zumindest einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (PTLC), einer Protonenaustauschmembran (PEM) zwischen Katalysatorschichten (CLC, CLA) oder eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) zumindest einer anodischen Gasdiffusionsschicht (PTLA), die in einem Rahmen (4) angeordnet sind, wobei zumindest ein Stoffschluss (Con) zwischen den einzelnen Schichten zumindest der Bipolarplatte (BPP), zumindest einer anodischer Gasdiffusionsschicht (PTLA) und/oder zumindest einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (PTLC) vorhanden ist.Cell (1, 11) for electrolysis comprising at least: a layer sequence consisting of a bipolar plate (BPP), at least one cathodic gas diffusion layer (PTLC), a proton exchange membrane (PEM) between catalyst layers (CLC, CLA) or a catalyst-coated membrane (CCM) at least one anodic gas diffusion layer (PTLA), which are arranged in a frame (4), wherein at least one material bond (Con) is present between the individual layers of at least the bipolar plate (BPP), at least one anodic gas diffusion layer (PTLA), and/or at least one cathodic gas diffusion layer (PTLC). Zelle nach Anspruch 1, dessen Rahmen (4) zumindest eine Dichtung (7) aufweist, die an die Protonenaustauschmembran (PEM) angrenzt.Cell after Claim 1 , the frame (4) of which has at least one seal (7) adjacent to the proton exchange membrane (PEM). Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dessen Bipolarplatte (BPP) strukturiert ist und ein Flussfeld (14) aufweist, insbesondere bei der die Kanäle 60% bis 40% der Querschnittsfläche der Bipolarplatte (BPP) ausmacht.Cell after Claim 1 or 2 , whose bipolar plate (BPP) is structured and has a flow field (14), in particular in which the channels make up 60% to 40% of the cross-sectional area of the bipolar plate (BPP). Zelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die zumindest zwei kathodische Gasdiffusionsschichten (PTLC) und/oder zumindest drei anodische Gasdiffusionsschicht (PTLA) aufweist.Cell according to one or more of the Claims 1 , 2 or 3 which has at least two cathodic gas diffusion layers (PTLC) and/or at least three anodic gas diffusion layers (PTLA). Zelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die nur eine kathodische Gasdiffusionsschicht (PTLC) aufweist und/oder höchstens zwei anodische Gasdiffusionsschichten (PTLA) aufweist.Cell according to one or more of the Claims 1 , 2 or 3 which has only one cathodic gas diffusion layer (PTLC) and/or at most two anodic gas diffusion layers (PTLA). Zelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5 bei der jede einzelne Schicht miteinander gefügt ist, insbesondere die Bipolarplatte (BPP), mit einer kathodischen Gasdiffusionsschicht (PTLC) und insbesondere auch die anodischen und kathodischen Gasdiffusionsschichten (PTLA, PTLC) jeweils miteinander-Cell according to one or more of the Claims 1 , 2 , 3 , 4 or 5 in which each individual layer is joined together, in particular the bipolar plate (BPP), with a cathodic gas diffusion layer (PTLC) and in particular also the anodic and cathodic gas diffusion layers (PTLA, PTLC) each with each other- Verfahren zur Herstellung einer Zelle (1, 11) nach einem oder mehreren vorherigen Ansprüche, bei dem einzelne Schichten (PTLC, BPP, PTLA) miteinander gefügt werden.Method for producing a cell (1, 11) according to one or more of the preceding claims, in which individual layers (PTLC, BPP, PTLA) are joined together. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die einzelnen Schichten (PTLC, BPP, PTLA) nacheinander miteinander gefügt werden.Procedure according to Claim 7 , in which the individual layers (PTLC, BPP, PTLA) are joined together one after the other. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die einzelnen Schichten (PTLC, BPP, PTLA) auf einmal miteinander gefügt werden.Procedure according to Claim 7 in which the individual layers (PTLC, BPP, PTLA) are joined together at once. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem mehrere Schichten (PTLC, BPP, PTLA), aber nicht alle Schichten auf einmal miteinander gefügt werden.Procedure according to Claim 7 , in which several layers (PTLC, BPP, PTLA) are joined together, but not all layers at once. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die einzelnen Schichttypen (PTLC's, PTLA's) jeweils separat miteinander gefügt werden und dann optional mit der Bipolarplatte (BPP) gefügt werden.Procedure according to Claim 7 , in which the individual layer types (PTLC's, PTLA's) are joined separately and then optionally joined with the bipolar plate (BPP). Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9, 10 oder 11, bei dem nach jeder Fügung auf Form und Lage der Schichten (PTLC, BPP, PTLA) überprüft.Procedure according to Claim 7 , 8 , 9 , 10 or 11 , in which the shape and position of the layers (PTLC, BPP, PTLA) are checked after each joining. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Fügung durch Sintern und/oder Schweißen erfolgtMethod according to one of the preceding claims, in which the joining is carried out by sintering and/or welding Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Schweißung punktweise, linienförmig oder mäanderförmig erfolgt.Procedure according to Claim 13 , where the welding is carried out pointwise, linearly or meanderingly.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013225159A1 (en) * 2013-12-06 2015-06-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Arrangement of electrochemical cells
DE102020109430A1 (en) * 2020-04-03 2021-10-07 Forschungszentrum Jülich GmbH Bipolar plate assembly, use of a bipolar plate assembly, and electrolysis or fuel cell stacks with a plurality of bipolar plate assemblies
DE102021206581A1 (en) * 2021-06-25 2022-12-29 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Method of making a bipolar plate
DE102021214920A1 (en) * 2021-12-22 2023-06-22 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Half-cell of an electrolytic cell for an electrolyzer and method of manufacturing a component for an electrolytic cell

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2280432A1 (en) 1974-07-29 1976-02-27 Rhone Poulenc Ind ELECTROLYSIS CELL WITH BIPOLAR ELEMENTS FOR ELECTROLYSIS IN PARTICULAR ALKALINE SALT SOLUTIONS
US6117287A (en) 1998-05-26 2000-09-12 Proton Energy Systems, Inc. Electrochemical cell frame
AU2001294850A1 (en) 2000-09-28 2002-04-08 Proton Energy Systems, Inc. Cell frame/flow field integration method and apparatus
CN107881528A (en) 2016-09-29 2018-04-06 中国科学院大连化学物理研究所 The preparation and membrane electrode and application of a kind of electrolytic cell membrane electrode
US20240368787A1 (en) * 2021-05-03 2024-11-07 Hoeller Electrolyzer Gmbh Water electrolysis stack for generating hydrogen and oxygen from water
EP4166691A1 (en) * 2021-10-14 2023-04-19 iGas energy GmbH Frame for pem electrolytic cells and pem electrolytic cell stack for producing high pressure hydrogen by means of differential pressure electrolysis
KR20240089587A (en) * 2021-10-14 2024-06-20 아이가스 에너지 게엠베하 Frames for PEM electrolytic cells and PEM electrolytic cell stacks for high-pressure hydrogen production by differential pressure electrolysis

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013225159A1 (en) * 2013-12-06 2015-06-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Arrangement of electrochemical cells
DE102020109430A1 (en) * 2020-04-03 2021-10-07 Forschungszentrum Jülich GmbH Bipolar plate assembly, use of a bipolar plate assembly, and electrolysis or fuel cell stacks with a plurality of bipolar plate assemblies
DE102021206581A1 (en) * 2021-06-25 2022-12-29 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Method of making a bipolar plate
DE102021214920A1 (en) * 2021-12-22 2023-06-22 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Half-cell of an electrolytic cell for an electrolyzer and method of manufacturing a component for an electrolytic cell

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