WO2024255952A2 - Method for producing a plate assembly, plate assembly and electrochemical cell - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a plate arrangement of a stack of electrochemical cells using generative manufacturing methods.
  • the invention also relates to a plate arrangement for an electrochemical system, which comprises generatively manufactured components.
  • the invention relates to an electrochemical cell, in particular an electrolyzer.
  • the generative production of components of a fuel cell stack or electrolyzer is basically known, for example, from DE 10 2013 108 413 A1. Laser, electron beam and water vapor jet sintering are mentioned as production technologies. Generative processes should also be suitable for joining components of a cell stack together.
  • WO 2023/021217 A1 discloses an integrated method for producing a monolithic solid oxide cell (SOC) stack based on a single 3D printing system.
  • the method according to WO 2023/021217 A1 includes the production of various electrodes as well as electrolyte and intermediate layers. Housing components containing insulating ceramic material should also be able to be produced additively.
  • US 2015/0290860 A1 deals with the geometry of nozzles intended for the additive manufacturing of components of electrochemical systems.
  • a nozzle geometry that deviates from a circular shape is proposed. This should make it possible to build a composite of various flat components that, among other things, has channels for the passage of fuel or air.
  • US 2008/0008826 A1 also deals with the additive manufacturing of fuel cell components. Powder layers are solidified by laser sintering, whereby areas with different porosities are to be produced. At least two layers of the arrangement described in US 2008/0008826 A1 have a different composition and a different thickness.
  • a method for producing an electrochemical cell device described in DE 10 2018 100 772 A1 provides that a functional layer is produced on a cell carrier by direct material application.
  • the cell carrier is a cell separator which forms an outer boundary of an electrochemical cell.
  • the cell carrier can be made of stainless steel and have a corrosion protection layer.
  • Functional layers to be built up one after the other on the cell carrier are designed in particular as a gas distribution layer and a catalyst layer.
  • At least a portion of a bipolar plate of a fuel cell system is to be manufactured using a generative layer construction process.
  • material is to be selectively applied only to projections of a topology of a base plate of the bipolar plate.
  • contacts for example made of titanium, nickel or chromium, are to be created.
  • US 2005/0221150 A1 deals with the generative production of honeycomb structures for electrochemical cells.
  • a metal powder containing the elements nickel and chromium is to be solidified by laser sintering.
  • metallic layers can contain bronze as a binder.
  • the invention is based on the object of improving the production of layered cells of electrochemical systems compared to the prior art to be further developed, whereby in particular the simultaneous production of several cell components should be possible.
  • This object is achieved according to the invention by a method for producing a plate arrangement of a stack of electrochemical cells, in particular electrolysis cells or fuel cells, according to claim 1.
  • the object is also achieved by a plate arrangement with the features of claim 7 and an electrochemical cell with the features of claim 14.
  • the embodiments and advantages of the invention explained below in connection with the plate arrangement or the entire electrochemical system also apply mutatis mutandis to the production method according to the application and vice versa.
  • the method for producing a plate arrangement of a stack of electrochemical cells is characterized in that plates arranged parallel to each other are additively produced in planes which are aligned perpendicular to the plates.
  • each individual panel in the panel arrangement resembles a slice sawn from a tree that is cut across the grain.
  • Panels made from cell stacks or other stacks produced using conventional 3D printing processes on the other hand, resemble - to stay with the image - normal boards that have been sawn lengthways along the tree trunk.
  • the entire underside would form a 90° overhang in the direction of the printing base.
  • This would have to be supported with support structures, which would have to be mechanically removed after 3D printing.
  • the surface with the remains of the support structures would be unsuitable as a contact surface for a membrane of an electrochemical cell.
  • the thermal residual stresses in the surface during 3D printing would be so great that such support structures would not hold mechanically.
  • a horizontal positioning of the plate arrangement is uneconomical when 3D printing, because, in contrast to the vertical printing process, far fewer or even only one plate arrangement can be printed at the same time due to space constraints based on an identically dimensioned printing base.
  • the plate arrangement is formed as a single piece from the plates arranged parallel to one another.
  • at least two plates should be formed as a single piece in order to save assembly effort when assembling an electrochemical cell and to reduce the contact resistance.
  • the plate arrangement according to the invention is formed in one piece and comprises a plurality of additively manufactured, parallel, not necessarily identical plates, with 3D printing layers aligned orthogonally to these plates.
  • a particular advantage of the plate arrangement is that within it there is an intimate material bond between the plates and no electrical losses occur, as is the case in the area of contact points of plates that are merely pressed against one another in conventional electrochemical cells. This means that an electrochemical cell can be operated highly efficiently.
  • a first type of plate can be designed as a bipolar plate.
  • the term "bipolar plate” is used here in analogy to a structure in conventional electrochemical cells.
  • the complete plate arrangement can provide the electrical properties of such a bipolar plate, since it is electrically conductive overall and is made of metallic materials.
  • Plates constructed in this way as 3D printed objects can also function as porous transport layers in electrochemical cells.
  • the various layers for constructing the plates of a plate arrangement appear as adjacently arranged strips within the layer currently constructed by 3D printing.
  • the additive manufacturing process according to the invention can be designed particularly efficiently by simultaneously building up several identical, parallel plate groups on a 3D printing platform, each of which comprises a plurality of different plates and is perpendicular to the 3D printing platform.
  • the individual plate groups which are produced together in a print batch, can be installed in a single cell stack after additive manufacturing or distributed across several cell stacks.
  • Each of the plate assemblies is also referred to as a sandwich and can be depowdered after being separated from the construction platform, i.e. the 3D printing platform. This can be followed by heat treatment.
  • the outer surfaces of the plate assembly can be processed by grinding. An additional straightening process can also be carried out.
  • a An electrically conductive coating for example made of a precious metal such as platinum, can be applied to at least one partial area on one or both sides of the plate arrangement. This allows the outer second layers of the porous transport layers to be coated.
  • the coating is preferably applied using a PVD or PACVD process.
  • the surfaces to be coated can optionally be plasma etched in order to remove existing oxide layers and thus ensure good adhesion and electrical contact between the coating and the plate arrangement.
  • an electrical resistance of the entire plate arrangement i.e. from polymer electrolyte membrane to polymer electrolyte membrane, can be achieved as if it were made entirely of gold.
  • the porous layers can be multilayered, cathode-side or anode-side porous transport layers of the later electrochemical cells.
  • a first layer of each porous transport layer is constructed in particular with large pores
  • a second layer of each porous transport layer is preferably constructed comparatively thin and with fine pores.
  • the latter second layer of each porous transport layer preferably forms an outer surface of the plate arrangement, at least in a partial area of the plate arrangement.
  • the pores of the fine-pored second layer preferably have a pore diameter ⁇ 80 pm, in particular in the range from 60 to 80 pm, while the pores or channels in a coarse-pored first layer preferably have a pore diameter >0.2 mm, in particular >1 mm.
  • Fine-pored second layers of each porous transport layer preferably have layer thicknesses of ⁇ 0.2 mm and coarse-pored first layers of each porous transport layer preferably have layer thicknesses of > 0.5 mm. Openings representing the pores of the relevant second layer are introduced into the porous transport layer, particularly into its outer, fine-pored second layer, during additive manufacturing, optionally also subsequently. In the latter case, additional fine porosity can be created, for example, by plasma drilling, laser drilling or etching.
  • pores in porous transport layers can have either a geometrically defined shape or geometrically undefined shapes with stochastic size distribution, whereby in each case there is permeability, i.e. open porosity, of the coarse-pored first layer and the fine-pored second layer.
  • a defined geometry for example in the form of a grid, is particularly suitable.
  • This grid transfers forces between adjacent cell components during operation of the electrochemical cell and at the same time provides free flow cross-sections for operating media.
  • the fine-pored second layer which borders on the grid and in particular provides a flat support surface for a component adjacent to an electrochemical cell, such as a proton-permeable polymer electrolyte membrane or a gas diffusion layer made of carbon paper or carbon fleece of the electrochemical cell. Due to the 3D printing, the flat support surface has a roughness that enlarges the surface area of this support surface. Roughnesses in the range of Rz16 have proven to be effective here.
  • the membrane is subsequently applied to the plate arrangement before assembly or during assembly of the entire electrochemical cell stack.
  • the finely porous second layer of the plate arrangement which is additively manufactured in contrast to the membrane, is tailored to the conditions prevailing during operation of the electrochemical cells and to the properties of the membrane in terms of its electrical properties and corrosion properties.
  • the membrane is arranged within the cell stack in a plane that vertically intersects the 3D printing planes that are gradually created during additive manufacturing.
  • the bipolar plate which is also part of the plate arrangement, can form a channel for a cooling medium that is separated from the operating media of the electrochemical system.
  • the cooling medium is in particular water.
  • at least one of the plates is therefore designed as a bipolar plate, with opposite sides of the bipolar plate enclosing at least one channel for the passage of a fluid, in this case the coolant, between them.
  • deionized water is used as process water, which is split into hydrogen and oxygen through electrolysis.
  • the process water is therefore fed into an electrolyzer separately from the cooling medium.
  • a frame can be connected in one piece to the plates, which is also produced in the course of additive manufacturing.
  • the plate arrangement therefore comprises the plates and preferably also a frame that encompasses the plates, the frame being formed to include a lattice structure and at least one reinforcement.
  • the lattice structure serves to reduce residual stresses in 3D printing and thus to make it printable.
  • the lattice structure also serves to reduce the weight of the plate arrangement and to counteract internal pressure in the electrochemically active area of an electrochemical cell such as a pressure vessel.
  • This frame can also contain openings for the operating media and the coolant, as well as openings for mounting a cell stack.
  • the frame preferably has reinforcement around its periphery and around the multiple openings. Such reinforcement is a solid and fluid-tight collection of materials made of the same material from which the grid structure is formed. The reinforcement in the area of the openings serves to channel the coolant and the operating media and to withstand pressure.
  • the reinforcement in the area of the perimeter of the plate arrangement serves to assembled state of the electrochemical cell to provide a fluid-tight and pressure-resistant jacket around the plate assembly.
  • the bipolar plate which can be either purely flat or more complex, it can be made of several different materials. In particular, this can be titanium on the anode side and stainless steel on the cathode side. Alternatively, the entire bipolar plate or even all of the additively manufactured components of the electrochemical cell can be made of the same material, for example a light metal, in particular titanium.
  • the titanium alloy Ti6AI4V is preferred here, as it is heat-treatable and forms a dense oxide layer. This increases the notch impact strength, which is an important factor in pressurized systems, and reduces material embrittlement due to hydrogen.
  • the porous transport layers which border the bipolar plate on both sides, can be made of the same material from which the relevant surface of the bipolar plate is made.
  • all layers of the anode-side porous transport layers can be made of titanium and all layers of the cathode-side porous transport layers can be made of stainless steel using additive manufacturing.
  • An electrochemical cell according to the invention in particular an electrochemical system such as an electrolyzer, comprises at least one cell stack with two end plates, between which at least one plate arrangement according to the invention and at least two polymer electrolyte membranes are arranged. Due to the few individual parts, such a cell has a high degree of impermeability to the operating media and the coolant and can be produced quickly and efficiently.
  • each end plate is formed in one piece and comprises a plurality of additively manufactured plates that are parallel to one another, with 3D printing layers being aligned orthogonally to the plates and with each end plate having an electrical contact arrangement.
  • a carrier plate is provided in each end plate that has a porous, multi-layer transport layer on only one side.
  • the carrier plate can also be designed with cooling channels running through it.
  • an end plate is constructed in the same way as a plate arrangement that does not have a porous transport layer(s) on one side.
  • An end plate can also preferably be designed like a plate arrangement with regard to a frame made of a lattice structure, openings and reinforcement, and can thus be adapted to the shape and design of a plate arrangement.
  • a schematic process for the fabrication of an electrochemical system can be outlined as follows.
  • the plate arrangement is produced using a 3D printing process, in particular a laser 3D printing process.
  • the one-piece plate arrangement is preferably produced with a frame thickness in the range of 7 to 12 mm, in particular 9 mm.
  • the layer thicknesses of the coarse-pored first inner layers of the porous transport layers are selected in particular to be > 0.5 mm.
  • the coarse-pored structure of the first inner layers of the porous transport layers are formed using the 3D printing process.
  • the first inner layers in particular have a filigree rod structure, which forms an elongated honeycomb pattern. Due to the long overhangs of this rod structure, the construction direction of the plates starting from the narrow edge of the plate ensures technical manufacturability.
  • the layer thicknesses of the second outer layers of the porous transport layers are selected to be ⁇ 0.2 mm.
  • the fine-pored structure of the second outer layers of the porous transport layers is formed using a 3D printing process, optionally by subsequent processing such as laser drilling.
  • the second outer layers of the porous transport layers are preferably created with a regular three-dimensional pyramid structure on the respective first inner layer.
  • the reinforcement in the area of the circumference of the frame or in the area of the channels for operating media has a thickness of at least 0.5 mm in order to be able to be reliably fluid-tight and pressure-resistant.
  • the plate assembly is subjected to grinding on both sides.
  • the grinding process optionally includes grinding of the surfaces of the outer second layers of the porous transport layers.
  • laser drilling follows in a third step to optionally form additional pores in the outer second layers of the porous transport layers.
  • the fourth step involves subsequent cleaning of the plate assembly.
  • one or both of the outer second layers of the porous transport layers can be coated.
  • a PVD process can be used, for example.
  • Catalytically active precious metals or precious metal alloys, such as platinum and/or indium, have proven to be suitable coating materials.
  • seals are inserted into the grooves around the channels for the operating media and the outer second layers of the porous transport layers. This can be done by inserting O-rings or using an injection molding process.
  • a seventh step the cell stack or the electrochemical system is constructed, whereby several electrochemical cells are stacked and clamped together between two clamping plates and electrically separated from them.
  • Fig. 1 a plate arrangement of a stack of electrochemical cells
  • Fig. 2 shows a detail of a production plant for the simultaneous production of several plate arrangements according to Fig. 1,
  • Fig. 3 a plate arrangement with a schematically shown media distribution structure
  • Fig. 4 a plate arrangement with a frame
  • Fig. 5 is a three-dimensional representation of the plate arrangement according to Figure 4 in partial section
  • Fig. 6 another plate arrangement in three-dimensional representation in partial section with a detail enlargement
  • Fig. 7 is a further enlarged view of the plate arrangement according to Figure 6 on the anode side
  • Fig. 8 is an enlarged view of the plate arrangement according to Figure 6 on the cathode side
  • Fig. 9 is a further enlarged view of the plate arrangement according to Figure 6 on the anode side
  • Fig. 10 is a further enlarged view of the plate arrangement according to Figure 9 on the anode side
  • Fig. 11 is a further enlarged view of the plate arrangement according to Figure 6 on the anode side
  • Fig. 12 is a further enlarged view of the plate arrangement according to Figure 6 on the anode side
  • Fig. 13a - 13k the steps in the construction of an electrochemical cell
  • Fig. 14 schematically shows the structure of an electrolyzer comprising two electrochemical cells
  • Fig. 15 is a schematic flow diagram for the production of a plate assembly.
  • FIG 1 shows a plate arrangement 2 for a stack of electrochemical cells 3 (see Figure 14).
  • the plate arrangement 2 is formed in one piece and comprises a plurality of additively manufactured, mutually parallel plates 4, 7, 11, with 3D printing layers being aligned orthogonally to the plates 4, 7, 11.
  • a bipolar plate 4 which has channels 15 for a cooling medium, porous transport layers 7, 11 are present on both sides.
  • Each bipolar plate 4 is bordered on the one hand by an anode-side porous transport layer 7 and on the other hand by a cathode-side porous transport layer 11.
  • Each porous transport layer 7, 11 is constructed in two layers, as can be seen from Figures 1 to 3.
  • the porous transport layer 7 on the later anode side of an electrochemical cell 3 has a coarse-pored first, inner layer 8, which is connected to the bipolar plate 4. On top of this there is a finer-pored second outer layer 8 which is connected to the first inner layer 8 and whose surface 22' in the later electrochemical cell 3 faces the anode side of a polymer electrolyte membrane 34, 34' (see Figure 14).
  • the porous transport layer 11 on the later cathode side of an electrochemical cell 3 has a coarse-pored first, inner layer 12 which is connected to the bipolar plate 4.
  • fine pores 14, 14' can be seen in the second outer layers 9, 13 of the porous transport layers 7, 11.
  • the diameter of the pores 14, 14' is approximately 60 pm.
  • the pores 14, 14' are not necessarily arranged in the regular pattern that can be seen in Figures 1 to 3. Rather, the pores 14, 14' can be arranged and shaped stochastically.
  • the two cathode-side layers 12, 13 of the porous transport layer 11 are made of stainless steel here.
  • the two anode-side layers 8, 9 of the porous transport layer 7 are made of titanium.
  • the bipolar plate 4 is made of titanium on the anode side and of stainless steel on the cathode side.
  • Figure 2 shows a detail of a production system for the simultaneous production of several plate arrangements 2 according to Fig. 1 by means of additive manufacturing.
  • the plates 4, 7, 11 arranged parallel to one another are additively produced in planes which are aligned perpendicular to the plates 4, 7, 11.
  • 3D printing platform 21 on which several plate arrangements 2 are built simultaneously in a construction direction AR.
  • a 3D printing device is used which can apply different materials in one and the same layer and solidify them by laser.
  • These layers are generally referred to as 3D printing layers and are parallel to the surface of the 3D printing platform 21 and thus orthogonal to the plate-shaped components 4, 7,
  • each plate 4, 7, 11 of the plate arrangement 2 is built up starting from a narrow plate edge in the construction direction AR.
  • channels 15 for a cooling medium and channels 16, 17, 18 for operating media of the electrochemical system 10 are formed.
  • the operating media are an oxygen-containing gas, a hydrogen-containing gas, and process water.
  • the assembly direction AR forms a right angle with a stacking direction ST of the plate arrangements 2.
  • the plate arrangements 2 can be mechanically finished.
  • the aforementioned channels 15, 16, 17, 18 pass through, among other things, a frame 19, which is only shown schematically in Figure 3 and is also created during generative manufacturing.
  • the porous transport layer 11 on the cathode side and the side of the bipolar plate 4 adjacent to it are assigned to a half-cell 5 of a later electrochemical cell 3.
  • the porous transport layer 7 on the anode side and the side of the bipolar plate 4 adjacent to it are assigned to a half-cell 6 of a later electrochemical cell 3.
  • the operating media are supplied through the channels 15, 16, 17, 18 in the frame 19 of each plate arrangement 2, with coolant being supplied to the bipolar plate 4 through the channels 15, in the case of an electrolyzer the channels 16 supply the process water, and the channels 17, 18 discharge the reaction products formed from the process water.
  • FIG. 4 now shows a plate arrangement 2 with a frame 19 in a top view of the side on which the second outer layer 9 of the porous transport layer 7 is located.
  • the frame 19 comprises a lattice structure 20 and at least one reinforcement 24.
  • the lattice structure 20 serves to reduce residual stresses in 3D printing and thus to create printability. Furthermore, the lattice structure serves to reduce the weight of the plate arrangement and to counteract internal pressure in the electrochemically active area of an electrochemical cell 3 like a pressure vessel.
  • the reinforcement 24 encloses a circumference and several openings in the form of the channels 15, 16, 17, 18 and guide openings 26 in the frame 19.
  • the reinforcement 24 thus forms a pressure-resistant barrier for the operating media and, in the area of the guide openings 26, a smooth guide for bolts 33, which are used to clamp the components of an electrochemical cell 3, compare Figures 13a - 13k. Furthermore, a sensor receiving space 25 is present, which can be used in an electrochemical cell 3 to accommodate measuring arrangements or electrical lines for connecting such measuring arrangements.
  • the channels 15, 16, 17, 18 as well as the porous transport layer 7 are each surrounded by a groove 27 created during 3D printing, which is intended to accommodate elastomer seals 30 (compare Figure 5).
  • Figure 5 shows a three-dimensional representation of the one-piece plate arrangement 2 according to Figure 4 in partial section and thus illustrates its internal structure.
  • the bipolar plate 4 with the cooling channels 15 for coolant, the first inner layer 12 and the second outer layer 13 of the cathode-side porous transport layer 11 can be seen. Furthermore, the first inner layer 8 and the second outer layer 9 of the anode-side porous transport layer 7 and the structure of the second outer layer 9 can be seen.
  • Figure 6 shows a further plate arrangement 2 in a three-dimensional representation in partial section in the plane of the channels 15 in the bipolar plate 4.
  • first inner layer 8 (indicated here, but not actually visible) has a filigree rod structure that forms an elongated honeycomb pattern.
  • the second outer layer 9 formed on top of this has a pyramid structure.
  • Figure 7 shows a further enlarged view of the plate arrangement 2 according to Figure 6 on the anode side with a piece of the frame 19 and the outer second layer 9 in pyramid structure on the first inner layer 8 (indicated here, but not visible in reality), which has the filigree rod structure which forms an elongated honeycomb pattern.
  • Fig. 8 shows an enlarged view of the plate arrangement 2 according to Figure 6 on the cathode side and thus the back of the plate arrangement 2 shown in Figure 6, with a piece of the frame 19 and the outer layer 13, which also has a pyramid structure and is arranged on a first inner layer 12 (indicated here, but not visible in reality) in the form of a filigree rod structure, which forms an elongated honeycomb pattern.
  • Figures 9 and 10 show an enlarged view of the plate arrangement 2 according to Figure 6 on the anode side without a second outer layer 9, that is, with View of the first inner layer 8 in a real view of the permeable honeycomb structure formed by 3D printing.
  • Figures 11 and 12 show a further enlarged view of the plate arrangement 2 according to Figure 6 on the cathode side without the second outer layer 13, that is, with a view of the first inner layer 12 in a real view of the permeable honeycomb structure formed in the 3D printing process.
  • FIGs 13a to 13k show the steps in the construction of two electrochemical cells 3 using the plate arrangement 2 according to Figures 4 and 5. Of course, any number of electrochemical cells 3 can be installed here.
  • a bracing plate 31 is provided and fitted with bolt screws 33.
  • the bolt screws 33 are coated with an electrically insulating coating, in particular made of plastic.
  • an insulating plate 32 preferably made of an electrically non-conductive plastic, is then pushed onto the bolt screws 33 and brought into contact with the bracing plate 31.
  • an end plate 28 follows, which is formed in one piece and comprises additively manufactured plates that are parallel to one another, with 3D printing layers aligned orthogonally to these plates.
  • the plates of the end plate 28 are designed in the form of a carrier plate 4' and a porous transport layer 7 (two-layered).
  • the end plate 28 also has an electrical connection contact 28'.
  • the carrier plate 4' is made of stainless steel, while the porous transport layer 7 is made of titanium.
  • a gas diffusion layer 36 is applied or placed on the porous transport layer 7, which is made of a fluid-permeable, compressible carbon paper or carbon fleece. This is optionally present and serves to compensate for tolerances when screwing the cell components together.
  • a polymer electrolyte membrane 34 follows and according to Figure 13f, a plate arrangement 2.
  • the anode side of the plate arrangement 2 facing away from the polymer electrolyte membrane 34 is, according to Figure 13g, in the region of the second outer Layer 9 of the porous transport layer 7 is covered with a gas diffusion layer 36' and a further polymer electrolyte membrane 34' is applied as shown in Figure 13h.
  • a further end plate 29 which is formed in one piece and comprises additively manufactured plates that are parallel to one another, with 3D printing layers aligned orthogonally to these plates.
  • the plates of the end plate 29 are designed in the form of a further carrier plate 4' and a porous transport layer 11 that is not visible here.
  • the end plate 29 also has an electrical connection contact 29'.
  • the carrier plate 4' and the porous transport layer 11 are made of stainless steel.
  • the end plates 28, 29 each correspond, for example, to half a plate arrangement 2, with the carrier plate 4' being provided instead of the bipolar plate 4, which can also be traversed by channels 15 for coolant.
  • the end plates 28, 29 can also each have a frame 19 which has the grid structure 20, the openings for the channels 15, 16, 17, 18 for the supply and removal of fluids, the guide openings 26 and the reinforcements 24.
  • FIG. 13k another insulating plate 32' and another bracing plate 31' are attached and the screw nuts 35 are fastened to the bolts 33.
  • the components of the cell stack 1 formed are braced together using the bolts 33 so that good mechanical and, where necessary, electrical contact between the components is formed.
  • Fluid connections 37 for supplying and removing operating media to the electrochemical cells 3 or reaction products from the electrochemical cells 3 are also attached to the ends of the bracing plates 31, 31'.
  • the cell stack 1 here therefore comprises two electrochemical cells 3, see Figure 14.
  • Figure 14 shows an electrochemical system designated 10 in the form of an electrolysis system for producing hydrogen from water in an exploded view.
  • the core component of the electrolysis system is the cell stack 1 according to Figure 13k, that is to say a stack comprising at least two electrochemical cells 3.
  • the frame 19 of the plate arrangement 2 has a frame thickness d which corresponds to the total thickness of the plates, comprising the bipolar plate 4 and the porous transport layers 7, 11, see Figure 1.
  • Fig. 15 shows a schematic flow diagram for the production of an electrochemical system 10.
  • the plate arrangement 2 is produced in one piece using a 3D printing process.
  • the plate arrangement 2 is subjected to grinding on both sides.
  • the grinding process optionally includes grinding the surfaces of the outer layers 9, 13 of the porous transport layers 7, 11, designated 22, 22'.
  • a third step 42 is followed by laser drilling to form further pores in the outer second layers 9, 13 of the porous transport layers 7, 11.
  • the fourth step 43 comprises subsequent cleaning of the plate arrangement 2.
  • the outer second layers 9, 13 of the porous transport layers 7, 11 can be coated.
  • a PVD process with upstream plasma etching of the surface to be coated can be used.
  • a coating material Platinum has proven to be particularly suitable as a coating material.
  • the seals 30 are introduced into the grooves 27.
  • the cell stack 1 or the electrochemical system 10 is then constructed, with the stack formation process being carried out, for example, according to Figures 13a to 13k. list of reference symbols
  • Half cell porous transport layer anode side first, inner layer of the anode side porous transport layer second, outer layer of the anode side porous transport layer0 electrochemical system, electrolysis system 1 porous transport layer, cathode side first, inner layer of the cathode side porous transport layer3 second, outer layer of the cathode side porous transport layer , 14' opening, pore 5 channel for a cooling medium

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Abstract

The invention relates to production of a plate assembly (2) of a stack (1) of electrochemical cells (3), wherein plates arranged parallel to one another are additively manufactured in planes oriented perpendicularly to the plates. The invention also relates to an electrochemical cell (3), in particular an electrochemical system in the form of an electrolyzer, with a cell stack (1) comprising two end plates (28, 29), between which at least one such plate assembly (2) and at least two polymer electrolyte membranes (34, 34') are arranged.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnunq, Plattenanordnung und elektrochemische Zelle Method for producing a plate arrangement, plate arrangement and electrochemical cell

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung eines Stapels elektrochemischer Zellen unter Nutzung generativer Fertigungsmethoden. Ferner betrifft die Erfindung eine Plattenanordnung für ein elektrochemisches System, welche generativ gefertigte Komponenten umfasst. Schließlich betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle, insbesondere einen Elektrolyseur. The invention relates to a method for producing a plate arrangement of a stack of electrochemical cells using generative manufacturing methods. The invention also relates to a plate arrangement for an electrochemical system, which comprises generatively manufactured components. Finally, the invention relates to an electrochemical cell, in particular an electrolyzer.

Die generative Herstellung von Komponenten eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolyseurs ist grundsätzlich zum Beispiel aus der DE 10 2013 108 413 A1 bekannt. Als Fertigungstechnologien sind hierin Laser-, Elektronenstrahl- und Wasser- dampfstrahlsintern genannt. Generative Verfahren sollen auch geeignet sein, Bauteile eines Zellenstapels miteinander zu verbinden. The generative production of components of a fuel cell stack or electrolyzer is basically known, for example, from DE 10 2013 108 413 A1. Laser, electron beam and water vapor jet sintering are mentioned as production technologies. Generative processes should also be suitable for joining components of a cell stack together.

Die WO 2023/021217 A1 offenbart ein integriertes, auf einem einzigen 3D-Drucksys- tem basiertes Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Festoxidzellen (SOC) - Stapels. Das Verfahren nach der WO 2023/021217 A1 schließt die Herstellung von verschiedenen Elektroden sowie Elektrolyt- und Zwischenschichten ein. Ebenso sollen Gehäusekomponenten, welche isolierendes keramisches Material enthalten, additiv herstellbar sein. WO 2023/021217 A1 discloses an integrated method for producing a monolithic solid oxide cell (SOC) stack based on a single 3D printing system. The method according to WO 2023/021217 A1 includes the production of various electrodes as well as electrolyte and intermediate layers. Housing components containing insulating ceramic material should also be able to be produced additively.

Die US 2015/0290860 A1 befasst sich mit der Geometrie von Düsen, welche für die additive Herstellung von Komponenten elektrochemischer Systeme vorgesehen sind. Vorgeschlagen wird eine von einer kreisrunden Form abweichende Düsengeometrie. Damit soll ein Verbund verschiedener flächiger Komponenten auch baubar sein, welcher unter anderem Kanäle zur Durchleitung von Brennstoff oder Luft aufweist. US 2015/0290860 A1 deals with the geometry of nozzles intended for the additive manufacturing of components of electrochemical systems. A nozzle geometry that deviates from a circular shape is proposed. This should make it possible to build a composite of various flat components that, among other things, has channels for the passage of fuel or air.

Mit der additiven Herstellung von Brennstoffzellenkomponenten befasst sich auch die US 2008/0008826 A1. Hierbei werden Pulverschichten durch Laser-Sintern verfestigt, wobei Bereiche mit unterschiedlichen Porositäten hergestellt werden sollen. Wenigstens zwei Schichten der in der US 2008/0008826 A1 beschriebenen Anordnung weisen eine unterschiedliche Zusammensetzung sowie eine unterschiedliche Dicke auf. US 2008/0008826 A1 also deals with the additive manufacturing of fuel cell components. Powder layers are solidified by laser sintering, whereby areas with different porosities are to be produced. At least two layers of the arrangement described in US 2008/0008826 A1 have a different composition and a different thickness.

Ein in der DE 10 2018 100 772 A1 beschriebenes Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zellenvorrichtung sieht vor, dass auf einem Zellträger eine Funktionsschicht durch direkte Materialauftragung hergestellt wird. Bei dem Zellträger handelt es sich um einen Zellseparator, welcher eine äußere Begrenzung einer elektrochemischen Zelle bildet. Der Zellträger kann aus Edelstahl hergestellt sein und eine Korrosionsschutzschicht aufweisen. Nacheinander auf dem Zellträger aufzubauende Funktionsschichten sind insbesondere als Gasverteilerschicht und Katalysatorschicht ausgebildet. Nach der DE 10 2018 100 772 A1 soll es auch möglich sein, eine elektrochemische Funktionsschicht mit einer Gradierung herzustellen, wobei die Gradierung bezüglich der geometrischen Ausgestaltung und/oder von Materialien erfolgt, und wobei eine Gradierung in Stapelrichtung und/oder quer zur Stapelrichtung hergestellt wird. A method for producing an electrochemical cell device described in DE 10 2018 100 772 A1 provides that a functional layer is produced on a cell carrier by direct material application. The cell carrier is a cell separator which forms an outer boundary of an electrochemical cell. The cell carrier can be made of stainless steel and have a corrosion protection layer. Functional layers to be built up one after the other on the cell carrier are designed in particular as a gas distribution layer and a catalyst layer. According to DE 10 2018 100 772 A1, it should also be possible to produce an electrochemical functional layer with a gradation, wherein the gradation takes place with respect to the geometric design and/or materials, and wherein a gradation is produced in the stacking direction and/or transversely to the stacking direction.

Nach der DE 10 2014 226 567 A1 soll zumindest ein Teilbereich einer Bipolarplatte eines Brennstoffzellensystems im generativen Schichtbauverfahren hergestellt werden. Um ein Strömungsfeld auszubilden, soll Material selektiv lediglich auf Vorsprüngen einer Topologie einer Grundplatte der Bipolarplatte aufgebracht werden. Auf diese Weise sollen Kontaktierungen, beispielsweise aus Titan, Nickel oder Chrom, entstehen. According to DE 10 2014 226 567 A1, at least a portion of a bipolar plate of a fuel cell system is to be manufactured using a generative layer construction process. In order to form a flow field, material is to be selectively applied only to projections of a topology of a base plate of the bipolar plate. In this way, contacts, for example made of titanium, nickel or chromium, are to be created.

Die US 2005/0221150 A1 befasst sich mit der generativen Fertigung wabenförmiger Strukturen für elektrochemische Zellen. Hierbei soll ein Metallpulver, welches die Elemente Nickel und Chrom enthält, durch Laser-Sintern verfestigt werden. Zusätzlich können metallische Schichten Bronze als Binder enthalten. US 2005/0221150 A1 deals with the generative production of honeycomb structures for electrochemical cells. A metal powder containing the elements nickel and chromium is to be solidified by laser sintering. In addition, metallic layers can contain bronze as a binder.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung schichtweise aufgebauter Zellen elektrochemischer Systeme gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei insbesondere eine simultane Fertigung mehrerer Zellkomponenten möglich sein soll. The invention is based on the object of improving the production of layered cells of electrochemical systems compared to the prior art to be further developed, whereby in particular the simultaneous production of several cell components should be possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung eines Stapels elektrochemischer Zellen, insbesondere Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen, gemäß Anspruch 1 . Ebenso wird die Aufgabe gelöst, durch eine Plattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und eine elektrochemische Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Plattenanordnung oder dem gesamten elektrochemischen System erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das anmeldungsgemäße Herstellungsverfahren und umgekehrt. This object is achieved according to the invention by a method for producing a plate arrangement of a stack of electrochemical cells, in particular electrolysis cells or fuel cells, according to claim 1. The object is also achieved by a plate arrangement with the features of claim 7 and an electrochemical cell with the features of claim 14. The embodiments and advantages of the invention explained below in connection with the plate arrangement or the entire electrochemical system also apply mutatis mutandis to the production method according to the application and vice versa.

Das Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung eines Stapels elektrochemischer Zellen zeichnet sich dadurch aus, dass parallel zueinander angeordnete Platten in Ebenen, welche senkrecht zu den Platten ausgerichtet sind, additiv erzeugt werden. The method for producing a plate arrangement of a stack of electrochemical cells is characterized in that plates arranged parallel to each other are additively produced in planes which are aligned perpendicular to the plates.

Dies ist - anschaulich gesprochen - gleichbedeutend damit, dass jede einzelne Platte der Plattenanordnung einer aus einem Baum gesägten Scheibe gleicht, die quer zur Faser geschnitten ist. In herkömmlichen 3D-Druck-Verfahren gefertigte Platten von Zellenstapeln oder sonstigen Stapeln gleichen dagegen - um im Bild zu bleiben - üblichen Brettern, die in Längsrichtung des Baumstammes gesägt wurden. To put it figuratively, this means that each individual panel in the panel arrangement resembles a slice sawn from a tree that is cut across the grain. Panels made from cell stacks or other stacks produced using conventional 3D printing processes, on the other hand, resemble - to stay with the image - normal boards that have been sawn lengthways along the tree trunk.

Durch die stehende additive Fertigung der Platten, wobei auf einer 3D-Druckplattform jede der Platten ausgehend von einer Plattenschmalkante stehend aufgebaut wird, sind besonders filigrane und komplexe Strukturen ausbildbar, die bei einer Fertigung auf einer 3D-Druckplattform der Platten ausgehend von einer liegenden großen Plattenseite nicht herstellbar wären. So sind beispielsweise Aussparungen zur Ausbildung von Überhängen im 3D-Druck nur mit geringer Qualität ausbildbar, wenn die Platten nacheinander, das heißt liegend, aufgebaut werden, da bei einem Aufschmelzen des pulverförmigen Materials mittels Laser der Laserstrahl in eine unerwünschte Tiefe reicht und eine Struktur ähnlich einer Tropfsteinhöhlendecke über der gebildeten Aussparung gebildet wird. Je größer die gewünschte Überhanglänge und je geringer ein Anstiegswinkel der gebildeten verfestigten Struktur, desto geringer die Druckqualität. The vertical additive manufacturing of the plates, whereby each of the plates is built upright on a 3D printing platform starting from a narrow edge of the plate, makes it possible to create particularly delicate and complex structures that would not be possible if the plates were manufactured on a 3D printing platform starting from a large, lying plate side. For example, recesses for the formation of overhangs can only be created with low quality in 3D printing if the plates are built up one after the other, i.e. lying down, because when the powdered material is melted using a laser, the laser beam reaches to an undesirable depth and a structure similar to a stalactite cave ceiling is created above the formed recess is formed. The larger the desired overhang length and the smaller the rise angle of the solidified structure formed, the lower the print quality.

Würde man die Platten der Plattenanordnung liegend aufeinander generieren, würde die gesamte Unterseite in Richtung der Druckunterlage einen 90° Überhang bilden. Diesen müsste man mit Stützstrukturen abstützen, welche nach dem 3D-Druck mechanisch entfernt werden müssten. Die Oberfläche mit den Resten der Stützstrukturen wäre als Kontaktfläche zu einer Membrane einer elektrochemischen Zelle ungeeignet. Außerdem wären die thermischen Eigenspannungen bei einem 3D-Druck in der Fläche so groß, dass derartige Stützstrukturen mechanisch nicht halten würden. If the plates of the plate arrangement were generated lying on top of each other, the entire underside would form a 90° overhang in the direction of the printing base. This would have to be supported with support structures, which would have to be mechanically removed after 3D printing. The surface with the remains of the support structures would be unsuitable as a contact surface for a membrane of an electrochemical cell. In addition, the thermal residual stresses in the surface during 3D printing would be so great that such support structures would not hold mechanically.

Gleichzeitig mit einer geringeren Druckqualität verschlechtert sich im Bereich der Ausnehmungen die Belastbarkeit einer 3D-gedruckten Struktur unter Druck, was insbesondere bei elektrochemischen Zellen, die unter hohem Betriebsdruck betrieben werden, wie insbesondere Elektrolyseure, auch aus Sicherheits-technischen Gründen nicht akzeptabel ist. Derartige Probleme können bei einem Aufbau einer Plattenanordnung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden und eine hohe Bandbreite an 3D-gedruckten Strukturen in hoher Qualität erzeugt werden. At the same time as the print quality is lower, the load-bearing capacity of a 3D-printed structure under pressure deteriorates in the area of the recesses, which is unacceptable for safety reasons, particularly in the case of electrochemical cells that are operated under high operating pressure, such as electrolyzers. Such problems can be avoided when constructing a plate arrangement according to the method according to the invention and a wide range of 3D-printed structures can be produced in high quality.

Zudem ist eine liegende Positionierung beim 3D-Drucken der Plattenanordnung unwirtschaftlich, weil aufbauend auf einer identisch dimensionierten Druckunterlage im Gegensatz zum stehenden Druckvorgang aus Platzgründen gleichzeitig weitaus weniger oder gar nur eine Plattenanordnung gedruckt werden kann. In addition, a horizontal positioning of the plate arrangement is uneconomical when 3D printing, because, in contrast to the vertical printing process, far fewer or even only one plate arrangement can be printed at the same time due to space constraints based on an identically dimensioned printing base.

Besonders hat es sich bewährt, wenn die Plattenanordnung einstückig aus den parallel zueinander angeordneten Platten ausgebildet wird. Mindestens sollten aber zwei Platten einstückig ausgebildet werden, um Montageaufwand beim Zusammenbau einer elektrochemischen Zelle einsparen zu können und die Kontaktwiderstände zu reduzieren. Die erfindungsgemäße Plattenanordnung ist einteilig ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl additiv gefertigter, zueinander paralleler, nicht notwendigerweise gleichartiger Platten, wobei 3D-Druck-Schichten orthogonal zu diesen Platten ausgerichtet sind. Ein besonderer Vorteil der Plattenanordnung ist, innerhalb dieser ein inniger Materialverbund zwischen den Platten vorhanden ist und keine elektrischen Verluste auftreten, wie es im Bereich von Kontaktstellen aneinander lediglich angedrückter Platten in herkömmlichen elektrochemischen Zellen der Fall ist. Dadurch ist eine elektrochemische Zelle hocheffizient betreibbar. It has proven particularly effective if the plate arrangement is formed as a single piece from the plates arranged parallel to one another. However, at least two plates should be formed as a single piece in order to save assembly effort when assembling an electrochemical cell and to reduce the contact resistance. The plate arrangement according to the invention is formed in one piece and comprises a plurality of additively manufactured, parallel, not necessarily identical plates, with 3D printing layers aligned orthogonally to these plates. A particular advantage of the plate arrangement is that within it there is an intimate material bond between the plates and no electrical losses occur, as is the case in the area of contact points of plates that are merely pressed against one another in conventional electrochemical cells. This means that an electrochemical cell can be operated highly efficiently.

Beispielsweise kann ein erster Typ der Platten als Bipolarplatten ausgebildet sind. Dabei wird hier der Begriff „Bipolarplatte“ analog zu einem Aufbau in herkömmlichen elektrochemischen Zellen verwendet. Allerdings kann hier die komplette Plattenanordnung die elektrischen Eigenschaften einer solchen Bipolarplatte bereitstellen, da diese insgesamt elektrisch leitfähig ist und aus metallischen Werkstoffen gebildet ist. For example, a first type of plate can be designed as a bipolar plate. The term "bipolar plate" is used here in analogy to a structure in conventional electrochemical cells. However, the complete plate arrangement can provide the electrical properties of such a bipolar plate, since it is electrically conductive overall and is made of metallic materials.

Ebenso können in dieser Weise als 3D-Druck-Objekte aufgebaute Platten als poröse Transportlagen in elektrochemischen Zellen fungieren. In einem solchen Fall ist es insbesondere möglich, die Transportlagen mehrschichtig aufzubauen, wobei die einzelnen Schichten eine unterschiedliche Porosität und/oder Dicke haben. Während der generativen Fertigung der porösen Transportlagen erscheinen die verschiedenen Schichten zum Aufbau der Platten einer Plattenanordnung als benachbart angeordnete Streifen innerhalb der aktuell per 3D-Druck aufgebauten Lage. Plates constructed in this way as 3D printed objects can also function as porous transport layers in electrochemical cells. In such a case, it is particularly possible to construct the transport layers in multiple layers, with the individual layers having different porosities and/or thicknesses. During the generative production of the porous transport layers, the various layers for constructing the plates of a plate arrangement appear as adjacently arranged strips within the layer currently constructed by 3D printing.

Besonders rationell ist das erfindungsgemäße additive Herstellungsverfahren gestaltbar, indem auf einer 3D-Druck-Plattform mehrere gleichartige, zueinander parallele Plattengruppen, welche jeweils eine Mehrzahl verschiedener Platten umfassen und senkrecht auf der 3D-Druck-Plattform stehen, simultan aufgebaut werden. Die einzelnen Plattengruppen, die gemeinsam in einem Druckbatch hergestellt werden, können nach der additiven Fertigung entweder in einen einzigen Zellenstapel eingebaut oder auf mehrere Zellenstapel verteilt werden. Jede der Plattenbaugruppen wird auch als Sandwich bezeichnet und kann nach der Trennung von der Bauplattform, das heißt 3D-Druck-Plattform, entpulvert werden. Hieran kann sich eine Wärmebehandlung anschließen. Optional werden äußere Oberflächen der Plattenbaugruppe durch Schleifen bearbeitet. Auch ein zusätzlicher Richtprozess kann erfolgen. Ebenso kann eine elektrisch leitende Beschichtung, beispielsweise aus einem Edelmetall wie Platin, zumindest in einem Teilbereich auf einer oder beiden Seiten der Plattenanordnung aufgebracht werden. Somit kann eine Beschichtung der äußeren zweiten Schichten der porösen Transportlagen erfolgen. Der Auftrag der Beschichtung erfolgt bevorzugt in einem PVD- oder PACVD-Verfahren. Vor dem Beschichtungsprozess kann optional ein Plasmaätzen der zu beschichtenden Oberflächen erfolgen, um vorhandene Oxid- schichten zu entfernen und damit gute Haftung und elektrischen Kontakt der Beschichtung zur Plattenanordnung sicherzustellen. Durch ein Vorsehen einer Beschichtung inklusive eines vorherigen Plasmaätzens vorhandener Oxidschichten kann somit ein elektrischer Widerstand der gesamten Plattenanordnung, das heißt von Polymerelektrolytmembran zu Polymerelektrolytmembran, erreicht werden, als wenn diese insgesamt aus Gold gebildet wäre. The additive manufacturing process according to the invention can be designed particularly efficiently by simultaneously building up several identical, parallel plate groups on a 3D printing platform, each of which comprises a plurality of different plates and is perpendicular to the 3D printing platform. The individual plate groups, which are produced together in a print batch, can be installed in a single cell stack after additive manufacturing or distributed across several cell stacks. Each of the plate assemblies is also referred to as a sandwich and can be depowdered after being separated from the construction platform, i.e. the 3D printing platform. This can be followed by heat treatment. Optionally, the outer surfaces of the plate assembly can be processed by grinding. An additional straightening process can also be carried out. A An electrically conductive coating, for example made of a precious metal such as platinum, can be applied to at least one partial area on one or both sides of the plate arrangement. This allows the outer second layers of the porous transport layers to be coated. The coating is preferably applied using a PVD or PACVD process. Before the coating process, the surfaces to be coated can optionally be plasma etched in order to remove existing oxide layers and thus ensure good adhesion and electrical contact between the coating and the plate arrangement. By providing a coating including prior plasma etching of existing oxide layers, an electrical resistance of the entire plate arrangement, i.e. from polymer electrolyte membrane to polymer electrolyte membrane, can be achieved as if it were made entirely of gold.

Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen sind mehrere Platten, welche der Plattenbaugruppe zuzurechnen sind, als poröse Lagen der sandwichartigen Plattenbaugruppe ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei den porösen Lagen um jeweils mehrschichtige, kathodenseitige beziehungsweise anodenseitige poröse Transportlagen der späteren elektrochemischen Zellen handeln. Hierbei ist eine erste Schicht einer jeden porösen Transportlage insbesondere grobporig aufgebaut, wogegen eine zweite Schicht einer jeden porösen Transportlage bevorzugt vergleichsweise dünn und feinporig aufgebaut ist. Die letztgenannte zweite Schicht einer jeden porösen Transportlage bildet vorzugsweise zumindest in einem Teilbereich der Plattenanordnung eine äußere Oberfläche der Plattenanordnung. Die Poren der feinporigen zweiten Schicht weisen vorzugsweise einen Porendurchmesser < 80 pm, insbesondere im Bereich von 60 bis 80 pm, auf, während die Poren oder auch Kanäle in einer grobporigen ersten Schicht vorzugsweise einen Porendurchmesser > 0,2 mm, insbesondere > 1 mm aufweisen. According to various possible embodiments, several plates which are to be assigned to the plate assembly are designed as porous layers of the sandwich-like plate assembly. In particular, the porous layers can be multilayered, cathode-side or anode-side porous transport layers of the later electrochemical cells. In this case, a first layer of each porous transport layer is constructed in particular with large pores, whereas a second layer of each porous transport layer is preferably constructed comparatively thin and with fine pores. The latter second layer of each porous transport layer preferably forms an outer surface of the plate arrangement, at least in a partial area of the plate arrangement. The pores of the fine-pored second layer preferably have a pore diameter <80 pm, in particular in the range from 60 to 80 pm, while the pores or channels in a coarse-pored first layer preferably have a pore diameter >0.2 mm, in particular >1 mm.

Dabei weisen feinporige zweite Schichten einer jeden porösen Transportlage bevorzugt Schichtdicken von < 0,2 mm und grobporige erste Schichten einer jeden porösen Transportlage bevorzugt Schichtdicken von > 0,5 mm auf. In die poröse Transportlage, insbesondere in deren äußere, feinporige zweite Schicht, werden Öffnungen, welche die Poren der betreffenden zweiten Schicht darstellen, im Zuge der additiven Fertigung, optional zudem nachträglich eingebracht. Im letztgenannten Fall kann eine zusätzliche feine Porosität beispielsweise durch Plasmabohren, Laserbohren oder Ätzen erzeugt werden. Grundsätzlich können Poren in porösen Transportschichten entweder eine geometrisch definierte Form oder geometrisch Undefinierte Formen mit stochastischer Größenverteilung aufweisen, wobei in jedem Fall eine Durchlässigkeit, das heißt eine offene Porosität, der grobporigen ersten Schicht und der feinporösen zweiten Schicht gegeben ist. Fine-pored second layers of each porous transport layer preferably have layer thicknesses of < 0.2 mm and coarse-pored first layers of each porous transport layer preferably have layer thicknesses of > 0.5 mm. Openings representing the pores of the relevant second layer are introduced into the porous transport layer, particularly into its outer, fine-pored second layer, during additive manufacturing, optionally also subsequently. In the latter case, additional fine porosity can be created, for example, by plasma drilling, laser drilling or etching. In principle, pores in porous transport layers can have either a geometrically defined shape or geometrically undefined shapes with stochastic size distribution, whereby in each case there is permeability, i.e. open porosity, of the coarse-pored first layer and the fine-pored second layer.

Im Fall der ersten, grobporigen erste Schicht kommt insbesondere eine definierte Geometrie, beispielsweise in Form eines Gitters, in Betracht. Dieses Gitter überträgt im Betrieb der elektrochemischen Zelle Kräfte zwischen angrenzenden Zellkomponenten und stellt zugleich freie Strömungsquerschnitte für Betriebsmedien bereit. Entsprechendes gilt für die feinporöse zweite Schicht, welche an das Gitter grenzt und insbesondere eine ebene Auflagefläche für ein in einer elektrochemischen Zelle angrenzendes Bauteil, wie beispielsweise eine protonendurchlässige Polymerelektrolytmembran oder eine Gasdiffusionsschicht aus einem Kohlenstoffpapier oder Kohlenstoffvlies der elektrochemischen Zelle, bereitstellt. Die ebene Auflagefläche weist aufgrund des 3D- Druckes eine Rauigkeit auf, die eine Vergrößerung der Oberfläche dieser Auflagefläche mit sich bringt. Rauigkeiten im Bereich von Rz16 haben sich hier bewährt. In the case of the first, coarse-pored layer, a defined geometry, for example in the form of a grid, is particularly suitable. This grid transfers forces between adjacent cell components during operation of the electrochemical cell and at the same time provides free flow cross-sections for operating media. The same applies to the fine-pored second layer, which borders on the grid and in particular provides a flat support surface for a component adjacent to an electrochemical cell, such as a proton-permeable polymer electrolyte membrane or a gas diffusion layer made of carbon paper or carbon fleece of the electrochemical cell. Due to the 3D printing, the flat support surface has a roughness that enlarges the surface area of this support surface. Roughnesses in the range of Rz16 have proven to be effective here.

Die Membran wird nachträglich, vor der Montage oder im Zuge der Montage des gesamten elektrochemischen Zellenstapels, auf die Plattenanordnung aufgebracht. Die feinporöse, im Unterschied zur Membran additiv hergestellte zweite Schicht der Plattenanordnung ist hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften und Korrosionseigenschaften auf die beim Betrieb der elektrochemischen Zellen herrschenden Bedingungen und auf die Beschaffenheit der Membran abgestimmt. Die Membran ist innerhalb des Zellenstapels in einer Ebene angeordnet, welche die im Zuge der additiven Fertigung sukzessive entstehenden 3D-Druck-Ebenen senkrecht schneidet. Im Unterschied zu den porösen Transportlagen der Plattenanordnung kann durch die ebenfalls der Plattenanordnung zuzurechnende Bipolarplatte ein Kanal für ein Kühlmedium gebildet sein, welches von den Betriebsmedien des elektrochemischen Systems getrennt ist. Bei dem Kühlmedium handelt es sich insbesondere um Wasser. Bevorzugt ist demnach mindestens eine der Platten als Bipolarplatte ausgebildet, wobei einander gegenüberliegende Seiten der Bipolarplatte mindestens einen Kanal zur Durchleitung eines Fluids, hier des Kühlmittels, zwischen sich einschließen. The membrane is subsequently applied to the plate arrangement before assembly or during assembly of the entire electrochemical cell stack. The finely porous second layer of the plate arrangement, which is additively manufactured in contrast to the membrane, is tailored to the conditions prevailing during operation of the electrochemical cells and to the properties of the membrane in terms of its electrical properties and corrosion properties. The membrane is arranged within the cell stack in a plane that vertically intersects the 3D printing planes that are gradually created during additive manufacturing. In contrast to the porous transport layers of the plate arrangement, the bipolar plate, which is also part of the plate arrangement, can form a channel for a cooling medium that is separated from the operating media of the electrochemical system. The cooling medium is in particular water. Preferably, at least one of the plates is therefore designed as a bipolar plate, with opposite sides of the bipolar plate enclosing at least one channel for the passage of a fluid, in this case the coolant, between them.

Im Gegensatz zum Kühlmedium ist als Prozesswasser, welches sich durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet, deionisiertes Wasser zu verwenden. Das Prozesswasser wird demnach separat vom Kühlmedium in einem Elektrolyseur geführt. In contrast to the cooling medium, deionized water is used as process water, which is split into hydrogen and oxygen through electrolysis. The process water is therefore fed into an electrolyzer separately from the cooling medium.

Bei jeglicher Art der elektrochemischen Zellen kann mit den Platten ein Rahmen einteilig verbunden sein, welcher ebenfalls im Zuge der additiven Fertigung hergestellt wird. Die Plattenanordnung umfasst demnach die Platten und bevorzugt weiterhin einen die Platten umfassenden Rahmen, wobei der Rahmen umfassend eine Gitterstruktur und mindestens eine Armierung ausgebildet ist. Die Gitterstruktur dient dazu, Eigenspannungen im 3D-Druck abzubauen und so eine Druckbarkeit herzustellen. Weiterhin dient die Gitterstruktur dazu, das Plattenanordnungsgewicht zu reduzieren und einem Innendruck im elektrochemisch aktiven Bereich einer elektrochemischen Zelle wie ein Druckbehälter entgegenzuwirken. For any type of electrochemical cell, a frame can be connected in one piece to the plates, which is also produced in the course of additive manufacturing. The plate arrangement therefore comprises the plates and preferably also a frame that encompasses the plates, the frame being formed to include a lattice structure and at least one reinforcement. The lattice structure serves to reduce residual stresses in 3D printing and thus to make it printable. The lattice structure also serves to reduce the weight of the plate arrangement and to counteract internal pressure in the electrochemically active area of an electrochemical cell such as a pressure vessel.

Auch können sich Öffnungen für die Betriebsmedien und das Kühlmittel sowie Öffnungen für die Montage eines Zellenstapels in diesem Rahmen befinden. Der Rahmen weist bevorzugt an seinem Umfang und die mehreren Öffnungen umschließend jeweils eine Armierung auf. Bei einer solchen Armierung handelt es sich um eine massive und fluiddichte Matenalansammlung aus dem gleichen Material, aus dem die Gitterstruktur gebildet wird. Die Armierung im Bereich der Öffnungen dient dazu, das Kühlmedium und die Betriebsmedien zu kanalisieren und Drücken zu widerstehen.This frame can also contain openings for the operating media and the coolant, as well as openings for mounting a cell stack. The frame preferably has reinforcement around its periphery and around the multiple openings. Such reinforcement is a solid and fluid-tight collection of materials made of the same material from which the grid structure is formed. The reinforcement in the area of the openings serves to channel the coolant and the operating media and to withstand pressure.

Die Armierung im Bereich des Umfangs der Plattenanordnung dient dazu, im zusammengebauten Zustand der elektrochemischen Zelle einen fluiddichten und Druck-beständigen Mantel um die Plattenanordnung bereitzustellen. The reinforcement in the area of the perimeter of the plate arrangement serves to assembled state of the electrochemical cell to provide a fluid-tight and pressure-resistant jacket around the plate assembly.

Unabhängig von der äußeren, entweder rein flächigen oder komplexeren Form der Bipolarplatte kann diese aus mehreren, sich voneinander unterscheidenden Werkstoffen aufgebaut sein. Insbesondere kann dies Titan auf der Anodenseite und nichtrostender Stahl auf der Kathodenseite sein. Alternativ kann die ganze Bipolarplatte oder sogar die Gesamtheit sämtlicher additiv gefertigter Komponenten der elektrochemischen Zelle aus demselben Werkstoff, beispielsweise einem Leichtmetall, insbesondere Titan, aufgebaut sein. Bevorzugt ist hierbei die Titanlegierung Ti6AI4V, die wärmebehandelbar ist und eine dichte Oxidschicht bildet. Dadurch erhöht sich die Kerbschlagzähigkeit, die bei Druck-beaufschlagten Anlagen ein wichtiger Faktor ist, und eine Matenalversprödung durch Wasserstoff wird verringert. Regardless of the external shape of the bipolar plate, which can be either purely flat or more complex, it can be made of several different materials. In particular, this can be titanium on the anode side and stainless steel on the cathode side. Alternatively, the entire bipolar plate or even all of the additively manufactured components of the electrochemical cell can be made of the same material, for example a light metal, in particular titanium. The titanium alloy Ti6AI4V is preferred here, as it is heat-treatable and forms a dense oxide layer. This increases the notch impact strength, which is an important factor in pressurized systems, and reduces material embrittlement due to hydrogen.

Die porösen Transportlagen, welche zu beiden Seiten an die Bipolarplatte grenzen, können aus demselben Werkstoff aufgebaut sein, aus welchem auch die betreffende Oberfläche der Bipolarplatte gebildet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass sämtliche Schichten der anodenseitigen porösen Transportlagen aus Titan und sämtliche Schichten der kathodenseitigen porösen Transportlagen aus nichtrostendem Stahl generativ gefertigt sein können. Alternativ ist es zum Beispiel möglich, die grobporösen, inneren, an die Bipolarplatte grenzenden Schichten der porösen Transportlagen aus Kupfer zu fertigen. Dies verbessert insbesondere eine Wärmeabfuhr von der Bipolarplatte. The porous transport layers, which border the bipolar plate on both sides, can be made of the same material from which the relevant surface of the bipolar plate is made. This means in particular that all layers of the anode-side porous transport layers can be made of titanium and all layers of the cathode-side porous transport layers can be made of stainless steel using additive manufacturing. Alternatively, it is possible, for example, to manufacture the coarsely porous, inner layers of the porous transport layers bordering the bipolar plate from copper. This improves heat dissipation from the bipolar plate in particular.

Ein Vorteil der einteiligen Plattenanordnung liegt, abgesehen von den rationellen, prozesssicheren Fertigungsmethoden und den dadurch erreichbaren niedrigen elektrischen Widerständen, insbesondere darin, dass durch die spezielle Art der additiven Fertigung von Dichtungen zwischen einzelnen Halbzellen der elektrochemischen Zellen, insbesondere Elektrolyse-, Redox-Flow- oder Brennstoffzellen, abgesehen werden kann. Zudem begünstigt die Vorfertigung der kompletten, matenaluneinheitlich aufgebauten sandwichartigen Plattenanordnungen eine sehr rationelle, geometrisch präzise, prozesssichere Montage des gesamten Zellenstapels. Eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle, insbesondere ein elektrochemisches System wie ein Elektrolyseur, umfasst mindestens einen Zellenstapel mit zwei Endplatten, zwischen welchen mindestens eine erfindungsgemäße Plattenanordnung und mindestens zwei Polymerelektrolytmembranen angeordnet sind. Eine derartige Zelle weist aufgrund der wenigen Einzelteile eine hohe Dichtigkeit gegenüber den Betriebsmedien und dem Kühlmittel auf und ist schnell und effizient erstellbar. One advantage of the one-piece plate arrangement, apart from the efficient, process-reliable manufacturing methods and the low electrical resistances that can be achieved as a result, is that the special type of additive manufacturing means that seals between individual half-cells of the electrochemical cells, in particular electrolysis, redox flow or fuel cells, can be dispensed with. In addition, the prefabrication of the complete, non-uniformly constructed sandwich-like plate arrangements facilitates a very efficient, geometrically precise, process-reliable assembly of the entire cell stack. An electrochemical cell according to the invention, in particular an electrochemical system such as an electrolyzer, comprises at least one cell stack with two end plates, between which at least one plate arrangement according to the invention and at least two polymer electrolyte membranes are arranged. Due to the few individual parts, such a cell has a high degree of impermeability to the operating media and the coolant and can be produced quickly and efficiently.

Insbesondere ist eine jede Endplatte einteilig ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl additiv gefertigter, zueinander paralleler Platten, wobei 3D-Druck-Schichten orthogonal zu den Platten ausgerichtet sind und wobei jede Endplatte eine elektrische Kontaktanordnung aufweist. Anstelle einer bei einer Plattenanordnung vorgesehenen Bipolarplatte ist bei jeder Endplatte eine Trägerplatte vorgesehen, die lediglich an einer Seite eine poröse, mehrschichtige Transportlage aufweist. Auch die Trägerplatte kann mit Kühlkanälen durchzogen ausgebildet sein. Damit ist eine Endplatte im Prinzip jedoch genauso aufgebaut wie eine Plattenanordnung, die auf einer Seite keine poröse Transportlage(n) aufweist. Auch eine Endplatte ist vorzugsweise hinsichtlich eines Rahmens aus Gitterstruktur, Öffnungen und Armierung wie eine Plattenanordnung ausbildbar und damit an die Form und Ausgestaltung einer Plattenanordnung anpassbar. In particular, each end plate is formed in one piece and comprises a plurality of additively manufactured plates that are parallel to one another, with 3D printing layers being aligned orthogonally to the plates and with each end plate having an electrical contact arrangement. Instead of a bipolar plate provided in a plate arrangement, a carrier plate is provided in each end plate that has a porous, multi-layer transport layer on only one side. The carrier plate can also be designed with cooling channels running through it. In principle, however, an end plate is constructed in the same way as a plate arrangement that does not have a porous transport layer(s) on one side. An end plate can also preferably be designed like a plate arrangement with regard to a frame made of a lattice structure, openings and reinforcement, and can thus be adapted to the shape and design of a plate arrangement.

Ein schematischer Ablauf der Herstellung eines elektrochemischen Systems kann wie folgt skizziert werden. A schematic process for the fabrication of an electrochemical system can be outlined as follows.

In einem ersten Schritt wird die Plattenanordnung in einem 3D-Druckverfahren, insbesondere Laser-3D-Druckverfahren, hergestellt. Die einteilige Plattenanordnung wird vorzugsweise mit einer Dicke des Rahmens im Bereich von 7 bis 12 mm, insbesondere von 9 mm erzeugt. Die Schichtdicken der grobporigen ersten inneren Schichten der porösen Transportlagen werden insbesondere > 0,5 mm gewählt. Die grobporige Struktur der ersten inneren Schichten der porösen Transportlagen werden im 3D- Druckverfahren gebildet. Die ersten inneren Schichten weisen insbesondere eine filigrane Stäbchenstruktur auf, welche ein langgestrecktes Wabenmuster ausbildet. Aufgrund der langen Überhänge dieser Stäbchenstruktur sichert hier die Aufbaurichtung der Platten ausgehend von der Plattenschmalkante erst die technische Herstellbarkeit Die Schichtdicken der zweiten äußeren Schichten der porösen Transportlagen werden insbesondere < 0,2 mm gewählt. Die feinporige Struktur der zweiten äußeren Schichten der porösen Transportlagen werden im 3D-Druckverfahren, optional weiterhin durch nachgeschaltetes Bearbeiten wie Laserbohren gebildet. Dabei werden die zweiten äußeren Schichten der porösen Transportlagen bevorzugt mit einer regelmäßigen dreidimensionalen Pyramiden-Struktur auf der jeweiligen ersten inneren Schicht erstellt. In a first step, the plate arrangement is produced using a 3D printing process, in particular a laser 3D printing process. The one-piece plate arrangement is preferably produced with a frame thickness in the range of 7 to 12 mm, in particular 9 mm. The layer thicknesses of the coarse-pored first inner layers of the porous transport layers are selected in particular to be > 0.5 mm. The coarse-pored structure of the first inner layers of the porous transport layers are formed using the 3D printing process. The first inner layers in particular have a filigree rod structure, which forms an elongated honeycomb pattern. Due to the long overhangs of this rod structure, the construction direction of the plates starting from the narrow edge of the plate ensures technical manufacturability. The layer thicknesses of the second outer layers of the porous transport layers are selected to be < 0.2 mm. The fine-pored structure of the second outer layers of the porous transport layers is formed using a 3D printing process, optionally by subsequent processing such as laser drilling. The second outer layers of the porous transport layers are preferably created with a regular three-dimensional pyramid structure on the respective first inner layer.

Die Armierung im Bereich des Umfangs des Rahmens oder im Bereich der Kanäle für Betriebsmedien weist insbesondere eine Dicke von mindestens 0,5 mm auf, um zuverlässig fluiddicht und druckbeständig ausgeführt werden zu können. The reinforcement in the area of the circumference of the frame or in the area of the channels for operating media has a thickness of at least 0.5 mm in order to be able to be reliably fluid-tight and pressure-resistant.

In einem zweiten Schritt wird die Plattenanordnung auf beiden Seiten einem Schleifen unterzogen. Die Schleifbearbeitung schließt optional ein Schleifen der Oberflächen der äußeren zweiten Schichten der porösen Transportlagen ein. In a second step, the plate assembly is subjected to grinding on both sides. The grinding process optionally includes grinding of the surfaces of the outer second layers of the porous transport layers.

Optional schließt sich in einem dritten Schritt ein Laserbohren an, um optional weitere Poren in den äußeren zweiten Schichten der porösen Transportschichten auszubilden. Optionally, laser drilling follows in a third step to optionally form additional pores in the outer second layers of the porous transport layers.

Der vierte Schritt umfasst eine nachfolgende Reinigung der Plattenanordnung. The fourth step involves subsequent cleaning of the plate assembly.

In einem fünften optionalen Schritt kann eine Beschichtung einer oder beider der äußeren zweiten Schichten der porösen Transportschichten erfolgen. Dabei kann beispielsweise ein PVD-Verfahren zum Einsatz kommen. Als Beschichtungsmaterialien haben sich katalytisch wirkende Edelmetalle oder Edelmetalllegierungen, wie Platin und/oder Indium, bewährt. In a fifth optional step, one or both of the outer second layers of the porous transport layers can be coated. A PVD process can be used, for example. Catalytically active precious metals or precious metal alloys, such as platinum and/or indium, have proven to be suitable coating materials.

In einem sechsten Schritt werden Dichtungen in die Nuten um die Kanäle für die Betriebsmedien und die äußeren zweiten Schichten der porösen Transportschichten eingebracht. Dies kann durch Einlegen von O-Ringen oder in einem Spritzgussverfahren erfolgen. In a sixth step, seals are inserted into the grooves around the channels for the operating media and the outer second layers of the porous transport layers. This can be done by inserting O-rings or using an injection molding process.

In einem siebten Schritt erfolgt nun der Aufbau des Zellenstapels beziehungsweise des elektrochemischen Systems, wobei zwischen zwei Verspannplatten und elektrisch von diesen getrennt mehrere elektrochemische Zellen gestapelt und miteinander verspannt werden. Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierin zeigen: In a seventh step, the cell stack or the electrochemical system is constructed, whereby several electrochemical cells are stacked and clamped together between two clamping plates and electrically separated from them. Various embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Fig. 1 eine Plattenanordnung eines Stapels elektrochemischer Zellen,Fig. 1 a plate arrangement of a stack of electrochemical cells,

Fig. 2 ausschnittsweise eine Fertigungsanlage zur Simultanherstellung mehrerer Plattenanordnungen nach Fig. 1 , Fig. 2 shows a detail of a production plant for the simultaneous production of several plate arrangements according to Fig. 1,

Fig. 3 eine Plattenanordnungen mit einer schematisch dargestellten Medienverteilerstruktur, Fig. 3 a plate arrangement with a schematically shown media distribution structure,

Fig. 4 eine Plattenanordnung mit einem Rahmen, Fig. 4 a plate arrangement with a frame,

Fig. 5 eine dreidimensionale Darstellung der Plattenanordnung gemäß Figur 4 im Teilschnitt, Fig. 5 is a three-dimensional representation of the plate arrangement according to Figure 4 in partial section,

Fig. 6 eine weitere Plattenanordnung in dreidimensionaler Darstellung im Teilschnitt mit einer Ausschnittvergrößerung, Fig. 6 another plate arrangement in three-dimensional representation in partial section with a detail enlargement,

Fig. 7 eine weitere vergrößerte Darstellung der Plattenanordnung gemäß Figur 6 auf der Anodenseite, Fig. 7 is a further enlarged view of the plate arrangement according to Figure 6 on the anode side,

Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung der Plattenanordnung gemäß Figur 6 auf der Kathodenseite, Fig. 8 is an enlarged view of the plate arrangement according to Figure 6 on the cathode side,

Fig. 9 eine weitere vergrößerte Darstellung der Plattenanordnung gemäß Figur 6 auf der Anodenseite, Fig. 9 is a further enlarged view of the plate arrangement according to Figure 6 on the anode side,

Fig. 10 eine weitere vergrößerte Darstellung der Plattenanordnung gemäß Figur 9 auf der Anodenseite, Fig. 10 is a further enlarged view of the plate arrangement according to Figure 9 on the anode side,

Fig. 11 eine weitere vergrößerte Darstellung der Plattenanordnung gemäß Figur 6 auf der Anodenseite, Fig. 11 is a further enlarged view of the plate arrangement according to Figure 6 on the anode side,

Fig. 12 eine weitere vergrößerte Darstellung der Plattenanordnung gemäß Figur 6 auf der Anodenseite, Fig. 12 is a further enlarged view of the plate arrangement according to Figure 6 on the anode side,

Fig. 13a - 13k die Schritte beim Aufbau einer elektrochemischen Zelle,Fig. 13a - 13k the steps in the construction of an electrochemical cell,

Fig. 14 schematisch den Aufbau eines Elektrolyseurs umfassend zwei elektrochemische Zellen, und Fig. 15 ein schematisches Ablaufdiagramm bei der Herstellung einer Plattenanordnung. Fig. 14 schematically shows the structure of an electrolyzer comprising two electrochemical cells, and Fig. 15 is a schematic flow diagram for the production of a plate assembly.

Die in den Figuren verwendeten gleichen Bezugszeichen kennzeichnen durchgängig gleiche Bauteile. The same reference symbols used in the figures indicate identical components throughout.

Figur 1 zeigt eine Plattenanordnung 2 für einen Stapel elektrochemischer Zellen 3 (vergleiche Figur 14. Die Plattenanordnung 2 ist einteilig ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl additiv gefertigter, zueinander paralleler Platten 4, 7, 11 , wobei 3D-Druck- Schichten orthogonal zu den Platten 4, 7, 11 ausgerichtet sind. Ausgehend von einer Bipolarplatte 4, welche Kanäle 15 für ein Kühlmedium aufweist, sind beidseitig poröse Transportlagen 7, 11 vorhanden. An jede Bipolarplatte 4 grenzt einerseits eine anodenseitige poröse Transportlage 7 und andererseits eine kathodenseitige poröse Transportlage 11 . Jede poröse Transportlage 7, 11 ist, wie aus den Fig. 1 bis 3 hervorgeht, zweischichtig aufgebaut. Die poröse Transportlage 7 auf der späteren Anodenseite einer elektrochemischen Zelle 3 weist eine grobporige erste, innere Schicht 8 auf, die mit der Bipolarplatte 4 verbunden ist. Darauf befindet sich eine feinporigere zweite äußere Schicht 8, die mit der ersten inneren Schicht 8 verbunden ist und deren Oberfläche 22' in der späteren elektrochemischen Zelle 3 zur Anodenseite einer Polymerelektrolytmembran 34, 34' (vergleiche Figur 14) zeigt. Die poröse Transportlage 11 auf der späteren Kathodenseite einer elektrochemischen Zelle 3 weist eine grobporige erste, innere Schicht 12 auf, die mit der Bipolarplatte 4 verbunden ist. Darauf befindet sich eine feinporigere zweite äußere Schicht 13, die mit der ersten inneren Schicht 12 verbunden ist und deren Oberfläche 22 in der späteren elektrochemischen Zelle 3 zur Kathodenseite einer Polymerelektrolytmembran 34, 34' (vergleiche Figur 14) zeigt. Es sind feine Poren 14, 14' in den zweiten äußeren Schichten 9, 13 der porösen Transportlagen 7, 11 erkennbar. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Poren 14, 14' ca. 60 pm. Die Poren 14, 14' sind nicht notwendigerweise in dem regelmäßigen, in den Figuren 1 bis 3 erkennbaren Muster angeordnet. Vielmehr können die Poren 14, 14' stochastisch angeordnet und geformt sein. Die beiden ka- thodenseitigen Schichten 12, 13 der porösen Transportlage 11 sind hier aus nicht rostendem Stahl gefertigt. Im vorliegenden Fall sind die beiden anodenseitigen Schichten 8, 9 der porösen Transportlage 7 aus Titan gefertigt. Die Bipolarplatte 4 ist hier anodenseitig aus Titan und kathodenseitig aus nicht rostendem Stahl hergestellt. Figur 2 zeigt ausschnittsweise eine Fertigungsanlage zur Simultanherstellung mehrerer Plattenanordnungen 2 nach Fig. 1 mittels additiver Fertigung. Die parallel zueinander angeordneten Platten 4, 7, 11 werden dabei in Ebenen, welche senkrecht zu den Platten 4, 7, 11 ausgerichtet sind, additiv erzeugt. Figure 1 shows a plate arrangement 2 for a stack of electrochemical cells 3 (see Figure 14). The plate arrangement 2 is formed in one piece and comprises a plurality of additively manufactured, mutually parallel plates 4, 7, 11, with 3D printing layers being aligned orthogonally to the plates 4, 7, 11. Starting from a bipolar plate 4, which has channels 15 for a cooling medium, porous transport layers 7, 11 are present on both sides. Each bipolar plate 4 is bordered on the one hand by an anode-side porous transport layer 7 and on the other hand by a cathode-side porous transport layer 11. Each porous transport layer 7, 11 is constructed in two layers, as can be seen from Figures 1 to 3. The porous transport layer 7 on the later anode side of an electrochemical cell 3 has a coarse-pored first, inner layer 8, which is connected to the bipolar plate 4. On top of this there is a finer-pored second outer layer 8 which is connected to the first inner layer 8 and whose surface 22' in the later electrochemical cell 3 faces the anode side of a polymer electrolyte membrane 34, 34' (see Figure 14). The porous transport layer 11 on the later cathode side of an electrochemical cell 3 has a coarse-pored first, inner layer 12 which is connected to the bipolar plate 4. On top of this there is a finer-pored second outer layer 13 which is connected to the first inner layer 12 and whose surface 22 in the later electrochemical cell 3 faces the cathode side of a polymer electrolyte membrane 34, 34' (see Figure 14). Fine pores 14, 14' can be seen in the second outer layers 9, 13 of the porous transport layers 7, 11. In the exemplary embodiment, the diameter of the pores 14, 14' is approximately 60 pm. The pores 14, 14' are not necessarily arranged in the regular pattern that can be seen in Figures 1 to 3. Rather, the pores 14, 14' can be arranged and shaped stochastically. The two cathode-side layers 12, 13 of the porous transport layer 11 are made of stainless steel here. In the present case, the two anode-side layers 8, 9 of the porous transport layer 7 are made of titanium. The bipolar plate 4 is made of titanium on the anode side and of stainless steel on the cathode side. Figure 2 shows a detail of a production system for the simultaneous production of several plate arrangements 2 according to Fig. 1 by means of additive manufacturing. The plates 4, 7, 11 arranged parallel to one another are additively produced in planes which are aligned perpendicular to the plates 4, 7, 11.

Dabei wird von einer 3D-Druck-Plattform 21 ausgegangen, auf welcher mehrere Plattenanordnungen 2 simultan in einer Aufbaurichtung AR aufgebaut werden. Hierzu wird eine 3D-Druck-Apparatur verwendet, welche verschiedene Materialien in ein und derselben Schicht aufbringen und per Laser verfestigen kann. Diese Schichten werden allgemein als 3D-Druck-Schichten bezeichnet und sind parallel zur Oberfläche der 3D- Druck-Plattform 21 und damit orthogonal zu den plattenförmigen Komponenten 4, 7,This is based on a 3D printing platform 21 on which several plate arrangements 2 are built simultaneously in a construction direction AR. For this purpose, a 3D printing device is used which can apply different materials in one and the same layer and solidify them by laser. These layers are generally referred to as 3D printing layers and are parallel to the surface of the 3D printing platform 21 and thus orthogonal to the plate-shaped components 4, 7,

11 der Plattenanordnungen 2 ausgerichtet. Demnach erfolgt ein Aufbau einer jeden Platte 4, 7, 11 der Plattenanordnung 2 ausgehend von einer Plattenschmalkante in der Aufbaurichtung AR. Dabei lassen sich auch die grobporigen ersten Schichten 8,11 of the plate arrangements 2. Accordingly, each plate 4, 7, 11 of the plate arrangement 2 is built up starting from a narrow plate edge in the construction direction AR. The coarse-pored first layers 8,

12 der porösen Transportlagen 7, 11 in hoher Qualität herstellen, was bei einem liegenden Aufbau der Platten 4, 7, 11 , das heißt bei einem Aufbau einer Platte nach der anderen in Aufbaurichtung AR, so nicht möglich wäre. 12 of the porous transport layers 7, 11 can be produced in high quality, which would not be possible if the plates 4, 7, 11 were constructed horizontally, i.e. if one plate was constructed after the other in the construction direction AR.

Im Beispiel nach Fig. 2 werden fünf Plattenanordnungen 2 gleichzeitig generiert. Hierbei werden unter anderem Kanäle 15 für ein Kühlmedium sowie Kanäle 16, 17, 18 für Betriebsmedien des elektrochemischen Systems 10 gebildet. Bei den Betriebsmedien handelt es sich im vorliegenden Fall um ein sauerstoffhaltiges Gas, ein wasserstoffhaltiges Gas, sowie Prozesswasser. In the example according to Fig. 2, five plate arrangements 2 are generated simultaneously. Among other things, channels 15 for a cooling medium and channels 16, 17, 18 for operating media of the electrochemical system 10 are formed. In this case, the operating media are an oxygen-containing gas, a hydrogen-containing gas, and process water.

Die Aufbaurichtung AR schließt mit einer Stapelrichtung ST der Plattenanordnungen 2 einen rechten Winkel ein. Nachdem die Plattenanordnungen 2 aus der insgesamt mit 23 bezeichneten Fertigungsanlage, die in Fig. 2 nur ansatzweise dargestellt ist, entnommen wurden, kann eine mechanische Endbearbeitung der Plattenanordnungen 2 erfolgen. Die genannten Kanäle 15, 16, 17, 18 durchziehen unter anderem einen Rahmen 19, der in Figur 3 lediglich schematisch dargestellt ist und ebenfalls im Zuge der generativen Fertigung entsteht. Die kathodenseitige poröse Transportlage 11 und die an diese angrenzende Seite der Bipolarplatte 4 werden einer Halbzelle 5 einer späteren elektrochemischen Zelle 3 zugeordnet. Die anodenseitige poröse Transportlage 7 und die an diese angrenzende Seite der Bipolarplatte 4 werden einer Halbzelle 6 einer späteren elektrochemischen Zelle 3 zugeordnet. Die Betriebsmedien werden durch die Kanäle 15, 16, 17, 18 im Rahmen 19 jeder Plattenanordnung 2 zugeführt, wobei durch die Kanäle 15 Kühlmittel zur Bipolarplatte 4 geführt wird, im Fall eines Elektrolyseurs die Kanäle 16 das Prozesswasser zuführen, und die Kanäle 17, 18 die aus dem Prozesswasser gebildeten Reaktionsprodukte abführen. The assembly direction AR forms a right angle with a stacking direction ST of the plate arrangements 2. After the plate arrangements 2 have been removed from the production plant designated overall by 23, which is only partially shown in Fig. 2, the plate arrangements 2 can be mechanically finished. The aforementioned channels 15, 16, 17, 18 pass through, among other things, a frame 19, which is only shown schematically in Figure 3 and is also created during generative manufacturing. The porous transport layer 11 on the cathode side and the side of the bipolar plate 4 adjacent to it are assigned to a half-cell 5 of a later electrochemical cell 3. The porous transport layer 7 on the anode side and the side of the bipolar plate 4 adjacent to it are assigned to a half-cell 6 of a later electrochemical cell 3. The operating media are supplied through the channels 15, 16, 17, 18 in the frame 19 of each plate arrangement 2, with coolant being supplied to the bipolar plate 4 through the channels 15, in the case of an electrolyzer the channels 16 supply the process water, and the channels 17, 18 discharge the reaction products formed from the process water.

Figur 4 zeigt nun eine Plattenanordnung 2 mit einem Rahmen 19 in der Draufsicht auf die Seite, auf der sich die zweite äußere Schicht 9 der porösen Transportlage 7 befindet. Der Rahmen 19 umfasst eine Gitterstruktur 20 und mindestens eine Armierung 24. Die Gitterstruktur 20 dient dazu, Eigenspannungen im 3D-Druck abzubauen und so eine Druckbarkeit herzustellen. Weiterhin dient die Gitterstruktur dazu, das Plattenanordnungsgewicht zu reduzieren und einem Innendruck im elektrochemisch aktiven Bereich einer elektrochemischen Zelle 3 wie ein Druckbehälter entgegenzuwirken. Die Armierung 24 umschließt einen Umfang am und mehrere Öffnungen in Form der Kanäle 15, 16, 17, 18 und von Führungsöffnungen 26 im Rahmen 19. Die Armierung 24 bildet damit eine druckfeste Barriere für die Betriebsmedien und im Bereich der Führungsöffnungen 26 eine glatte Führung für Bolzenschrauben 33, die zum Verspannen der Bauteile einer elektrochemischer Zelle 3 verwendet werden, vergleiche Figuren 13a - 13k. Weiterhin ist ein Sensorik-Aufnahmeraum 25 vorhanden, welcher in einer elektrochemischen Zelle 3 zur Aufnahme von Messanordnungen oder von elektrischen Leitungen zum Anschluss derartiger Messanordnungen dienen kann. Die Kanäle 15, 16, 17, 18 wie auch die poröse T ransportlage 7 sind jeweils von einer beim 3D-Druck erzeugten Nut 27 umgeben, die zur Aufnahme von elastomeren Dichtungen 30 (vergleiche Figur 5) dienen sollen. Figur 5 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der einstückigen Plattenanordnung 2 gemäß Figur 4 im Teilschnitt und verdeutlich t so deren inneren Aufbau. Hier sind nun die Bipolarplatte 4 mit den Kühlkanälen 15 für Kühlmittel, die erste innere Schicht 12 und die zweite äußere Schicht 13 der kathodenseitigen porösen Transportschicht 11 erkennbar. Weiterhin sind erste innere Schicht 8 und die zweite äußere Schicht 9 der anodenseitigen porösen Transportschicht 7 und die Struktur der zweiten äußeren Schicht 9 erkennbar. Figure 4 now shows a plate arrangement 2 with a frame 19 in a top view of the side on which the second outer layer 9 of the porous transport layer 7 is located. The frame 19 comprises a lattice structure 20 and at least one reinforcement 24. The lattice structure 20 serves to reduce residual stresses in 3D printing and thus to create printability. Furthermore, the lattice structure serves to reduce the weight of the plate arrangement and to counteract internal pressure in the electrochemically active area of an electrochemical cell 3 like a pressure vessel. The reinforcement 24 encloses a circumference and several openings in the form of the channels 15, 16, 17, 18 and guide openings 26 in the frame 19. The reinforcement 24 thus forms a pressure-resistant barrier for the operating media and, in the area of the guide openings 26, a smooth guide for bolts 33, which are used to clamp the components of an electrochemical cell 3, compare Figures 13a - 13k. Furthermore, a sensor receiving space 25 is present, which can be used in an electrochemical cell 3 to accommodate measuring arrangements or electrical lines for connecting such measuring arrangements. The channels 15, 16, 17, 18 as well as the porous transport layer 7 are each surrounded by a groove 27 created during 3D printing, which is intended to accommodate elastomer seals 30 (compare Figure 5). Figure 5 shows a three-dimensional representation of the one-piece plate arrangement 2 according to Figure 4 in partial section and thus illustrates its internal structure. Here, the bipolar plate 4 with the cooling channels 15 for coolant, the first inner layer 12 and the second outer layer 13 of the cathode-side porous transport layer 11 can be seen. Furthermore, the first inner layer 8 and the second outer layer 9 of the anode-side porous transport layer 7 and the structure of the second outer layer 9 can be seen.

Figur 6 zeigt eine weitere Plattenanordnung 2 in dreidimensionaler Darstellung im Teilschnitt in der Ebene der Kanäle 15 in der Bipolarplatte 4. In der rechts dargestellten Ausschnittvergrößerung ist ein Teil der anodenseitigen porösen Transportlage 7 erkennbar. Deren erste innere Schicht 8 (hier angedeutet, aber in Wirklichkeit nicht sichtbar) weist eine filigrane Stäbchenstruktur auf, die ein langgestrecktes Wabenmuster ausbildet. Die darauf ausgebildete zweite äußere Schicht 9 weist eine Pyrami- den-Struktur auf. Figure 6 shows a further plate arrangement 2 in a three-dimensional representation in partial section in the plane of the channels 15 in the bipolar plate 4. In the enlarged detail shown on the right, part of the anode-side porous transport layer 7 can be seen. Its first inner layer 8 (indicated here, but not actually visible) has a filigree rod structure that forms an elongated honeycomb pattern. The second outer layer 9 formed on top of this has a pyramid structure.

Figur 7 zeigt eine weitere vergrößerte Darstellung der Plattenanordnung 2 gemäß Figur 6 auf der Anodenseite mit einem Stück des Rahmens 19 und der äußeren zweiten Schicht 9 in Pyramiden-Struktur auf der ersten inneren Schicht 8 (hier angedeutet, aber in Wirklichkeit nicht sichtbar), die die filigrane Stäbchenstruktur aufweist, welche ein langgestrecktes Wabenmuster ausbildet. Figure 7 shows a further enlarged view of the plate arrangement 2 according to Figure 6 on the anode side with a piece of the frame 19 and the outer second layer 9 in pyramid structure on the first inner layer 8 (indicated here, but not visible in reality), which has the filigree rod structure which forms an elongated honeycomb pattern.

Fig. 8 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Plattenanordnung 2 gemäß Figur 6 auf der Kathodenseite und damit der Rückseite der in Figur 6 gezeigten Plattenanordnung 2, mit einem Stück des Rahmens 19 und der äußeren Schicht 13, die ebenfalls eine Pyramiden-Struktur aufweist und auf einer ersten innerer Schicht 12 (hier angedeutet, aber in Wirklichkeit nicht sichtbar) in Form einer filigranen Stäbchenstruktur angeordnet ist, welche ein langgestrecktes Wabenmuster ausbildet. Fig. 8 shows an enlarged view of the plate arrangement 2 according to Figure 6 on the cathode side and thus the back of the plate arrangement 2 shown in Figure 6, with a piece of the frame 19 and the outer layer 13, which also has a pyramid structure and is arranged on a first inner layer 12 (indicated here, but not visible in reality) in the form of a filigree rod structure, which forms an elongated honeycomb pattern.

Die Figuren 9 und 10 zeigen eine vergrößerte Darstellung der Plattenanordnung 2 gemäß Figur 6 auf der Anodenseite ohne eine zweite äußere Schicht 9, das heißt mit Blick auf die erste innere Schicht 8 in einer realen Ansicht der im 3D-Druckverfahren gebildeten durchlässigen Wabenstruktur. Figures 9 and 10 show an enlarged view of the plate arrangement 2 according to Figure 6 on the anode side without a second outer layer 9, that is, with View of the first inner layer 8 in a real view of the permeable honeycomb structure formed by 3D printing.

Die Figuren 11 und 12 zeigen eine weitere vergrößerte Darstellung der Plattenanordnung 2 gemäß Figur 6 auf der Kathodenseite ohne die zweite äußere Schicht 13, das heißt mit Blick auf die erste innere Schicht 12 in einer realen Ansicht der im 3D-Druck- verfahren gebildeten durchlässigen Wabenstruktur. Figures 11 and 12 show a further enlarged view of the plate arrangement 2 according to Figure 6 on the cathode side without the second outer layer 13, that is, with a view of the first inner layer 12 in a real view of the permeable honeycomb structure formed in the 3D printing process.

Die Figuren 13a bis 13k zeigen die Schritte beim Aufbau zweier elektrochemischer Zellen 3 mit Hilfe der Plattenanordnung 2 gemäß den Figuren 4 und 5. Selbstverständlich können hier aber beliebig mehr elektrochemische Zellen 3 eingebaut werden. Figures 13a to 13k show the steps in the construction of two electrochemical cells 3 using the plate arrangement 2 according to Figures 4 and 5. Of course, any number of electrochemical cells 3 can be installed here.

Gemäß Figur 13a wird eine Verspannplatte 31 bereitgestellt und diese mit Bolzenschrauben 33 bestückt. Die Bolzenschrauben 33 sind mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung, insbesondere aus Kunststoff, ummantelt. Gemäß Figur 13b wird nun eine Isolierplatte 32, bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitenden Kunststoff, auf die Bolzenschrauben 33 geschoben und in Kontakt mit der Verspannplatte 31 gebracht.According to Figure 13a, a bracing plate 31 is provided and fitted with bolt screws 33. The bolt screws 33 are coated with an electrically insulating coating, in particular made of plastic. According to Figure 13b, an insulating plate 32, preferably made of an electrically non-conductive plastic, is then pushed onto the bolt screws 33 and brought into contact with the bracing plate 31.

Nun folgt gemäß Figur 13c eine Endplatte 28, die einteilig ausgebildet ist und additiv gefertigte, zueinander parallele Platten umfasst, wobei 3D-Druck-Schichten orthogonal zu diesen Platten ausgerichtet sind. Die Platten der Endplatte 28 sind in Form einer Trägerplatte 4' und einer porösen Transportschicht 7 (zweischichtig) ausgebildet. Die Endplatte 28 weist weiterhin einen elektrischen Anschlusskontakt 28' auf. Die Trägerplatte 4' ist aus nicht rostendem Stahl gebildet, während die poröse Transportschicht 7 aus Titan gebildet ist. Now, according to Figure 13c, an end plate 28 follows, which is formed in one piece and comprises additively manufactured plates that are parallel to one another, with 3D printing layers aligned orthogonally to these plates. The plates of the end plate 28 are designed in the form of a carrier plate 4' and a porous transport layer 7 (two-layered). The end plate 28 also has an electrical connection contact 28'. The carrier plate 4' is made of stainless steel, while the porous transport layer 7 is made of titanium.

Gemäß Figur 13d wird auf die poröse Transportschicht 7 eine Gasdiffusionslage 36 aufgebracht beziehungsweise aufgelegt, die aus einem fluiddurchlässigen komprimierbaren Kohlepapier oder Kohlenstoffvlies gebildet ist. Diese ist optional vorhanden und dient zum Toleranzausgleich beim Verschrauben der Zellbestandteile miteinander.According to Figure 13d, a gas diffusion layer 36 is applied or placed on the porous transport layer 7, which is made of a fluid-permeable, compressible carbon paper or carbon fleece. This is optionally present and serves to compensate for tolerances when screwing the cell components together.

Gemäß Figur 13e folgt eine Polymerelektrolytmembran 34 und gemäß Figur 13f eine Plattenanordnung 2. Die der Polymerelektrolytmembran 34 abgewandte Anodenseite der Plattenanordnung 2 wird gemäß Figur 13g im Bereich der zweiten äußeren Schicht 9 der porösen Transportlage 7 mit einer Gasdiffusionslage 36' bedeckt und gemäß Figur 13h eine weitere Polymerelektrolytmembrane 34' aufgebracht. According to Figure 13e, a polymer electrolyte membrane 34 follows and according to Figure 13f, a plate arrangement 2. The anode side of the plate arrangement 2 facing away from the polymer electrolyte membrane 34 is, according to Figure 13g, in the region of the second outer Layer 9 of the porous transport layer 7 is covered with a gas diffusion layer 36' and a further polymer electrolyte membrane 34' is applied as shown in Figure 13h.

Es können nun zum Aufbau einer beliebigen Anzahl von elektrochemischen Zellen 3 in Folge optional weitere Plattenanordnungen 2, Gasdiffusionslagen 36 und Polymerelektrolytmembranen 34 eingebaut werden. To construct any number of electrochemical cells 3 in succession, additional plate arrangements 2, gas diffusion layers 36 and polymer electrolyte membranes 34 can now optionally be installed.

Es folgt gemäß Figur 13i eine weitere Endplatte 29, die einteilig ausgebildet ist und additiv gefertigte, zueinander parallele Platten umfasst, wobei 3D-Druck-Schichten orthogonal zu diesen Platten ausgerichtet sind. Die Platten der Endplatte 29 sind in Form einer weiteren Trägerplatte 4' und einer hier nicht sichtbaren porösen Transportschicht 11 ausgebildet. Die Endplatte 29 weist weiterhin einen elektrischen Anschlusskontakt 29' auf. Die Trägerplatte 4' und die poröse Transportschicht 11 sind aus nicht rostendem Stahl gebildet. According to Figure 13i, there follows a further end plate 29, which is formed in one piece and comprises additively manufactured plates that are parallel to one another, with 3D printing layers aligned orthogonally to these plates. The plates of the end plate 29 are designed in the form of a further carrier plate 4' and a porous transport layer 11 that is not visible here. The end plate 29 also has an electrical connection contact 29'. The carrier plate 4' and the porous transport layer 11 are made of stainless steel.

An dieser Stelle sei hinzugefügt, dass die Endplatten 28, 29 beispielsweise jeweils einer halben Plattenanordnung 2 entsprechen, wobei anstelle der Bipolarplatte 4 die Trägerplatte 4' vorgesehen wird, die ebenfalls von Kanälen 15 für Kühlmittel durchzogen sein kann. Dabei können auch die Endplatten 28, 29 jeweils einen Rahmen 19 aufweisen, der die Gitterstruktur 20, die Öffnungen für die Kanäle 15, 16, 17, 18 zur Zu- und Abfuhr von Fluiden, die Führungsöffnungen 26 sowie die Armierungen 24 aufweist. At this point, it should be added that the end plates 28, 29 each correspond, for example, to half a plate arrangement 2, with the carrier plate 4' being provided instead of the bipolar plate 4, which can also be traversed by channels 15 for coolant. The end plates 28, 29 can also each have a frame 19 which has the grid structure 20, the openings for the channels 15, 16, 17, 18 for the supply and removal of fluids, the guide openings 26 and the reinforcements 24.

Nun werden gemäß Figur 13k eine weitere Isolierplatte 32' und eine weitere Verspannplatte 31 ' angebracht und an den Bolzenschrauben 33 die Schraubmuttem 35 befestigt. Die Bestandteile des gebildeten Zellenstapels 1 werden mittels der Bolzenschrauben 33 miteinander verspannt, so dass ein guter mechanischer und wo erforderlich elektrischer Kontakt der Bauteile zueinander ausgebildet wird. An den Verspannplatten 31 , 31 ' werden endseitig weiterhin Fluidanschlüsse 37 zur Zu- und Abfuhr von Betriebsmedien zu den elektrochemischen Zellen 3 beziehungsweise Reaktionsprodukten aus den elektrochemischen Zellen 3 angebracht. Der Zellenstapel 1 umfasst hier demnach zwei elektrochemische Zellen 3, vergleiche Figur 14. Now, according to Figure 13k, another insulating plate 32' and another bracing plate 31' are attached and the screw nuts 35 are fastened to the bolts 33. The components of the cell stack 1 formed are braced together using the bolts 33 so that good mechanical and, where necessary, electrical contact between the components is formed. Fluid connections 37 for supplying and removing operating media to the electrochemical cells 3 or reaction products from the electrochemical cells 3 are also attached to the ends of the bracing plates 31, 31'. The cell stack 1 here therefore comprises two electrochemical cells 3, see Figure 14.

Figur 14 zeigt ein mit 10 bezeichnetes elektrochemisches System in Form eines Elektrolysesystems zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser in einer Explosionsdarstellung. Kernkomponente des Elektrolysesystems ist der Zellenstapel 1 gemäß Figur 13k, das heißt hier ein Stapel umfassend mindestens zwei elektrochemische Zellen 3. Es folgen in der Reihenfolge: eine erste elektrochemische Zelle 3 umfassend die Endplatte 29, die Polymerelektrolytmembrane 34', die Gasdiffusionslage 36', die Plattenanordnung 2 (anodenseitige Halbzelle 6); und eine zweite elektrochemische Zelle 3 umfassend die Plattenanordnung 2 (kathoden- seitige Halbzelle 5), die Polymerelektrolytmembrane 34, die Gasdiffusionslage 36, die Endplatte 28. Figure 14 shows an electrochemical system designated 10 in the form of an electrolysis system for producing hydrogen from water in an exploded view. The core component of the electrolysis system is the cell stack 1 according to Figure 13k, that is to say a stack comprising at least two electrochemical cells 3. The following follow in order: a first electrochemical cell 3 comprising the end plate 29, the polymer electrolyte membrane 34', the gas diffusion layer 36', the plate arrangement 2 (anode-side half cell 6); and a second electrochemical cell 3 comprising the plate arrangement 2 (cathode-side half cell 5), the polymer electrolyte membrane 34, the gas diffusion layer 36, the end plate 28.

Der Rahmen 19 der Plattenanordnung 2 weist eine Rahmendicke d auf, die der Gesamtdicke der Platten, umfassend die Bipolarplatte 4 und die porösen Transportschichten 7, 11 , vergleiche Figur 1 , entspricht. The frame 19 of the plate arrangement 2 has a frame thickness d which corresponds to the total thickness of the plates, comprising the bipolar plate 4 and the porous transport layers 7, 11, see Figure 1.

Fig. 15 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm bei der Herstellung eines elektrochemischen Systems 10. In einem ersten Schritt 40 wird die Plattenanordnung 2 in einem 3D-Druckverfahren einteilig hergestellt. In einem zweiten Schritt 41 wird die Plattenanordnung 2 auf beiden Seiten einem Schleifen unterzogen. Die Schleifbearbeitung schließt optional ein Schleifen der mit 22, 22' bezeichneten Oberflächen der äußeren Schichten 9, 13 der porösen Transportlagen 7, 11 ein. Optional schließt sich in einem dritten Schritt 42 ein Laserbohren an, um weitere Poren in den äußeren zweiten Schichten 9, 13 der porösen Transportschichten 7, 11 auszubilden. Der vierte Schritt 43 umfasst eine nachfolgende Reinigung der Plattenanordnung 2. In einem fünften optionalen Schritt 44 kann eine Beschichtung der äußeren zweiten Schichten 9, 13 der porösen Transportschichten 7, 11 erfolgen. Dabei kann beispielsweise ein PVD- Verfahren mit vorgeschaltetem Plasmaätzen der zu beschichtenden Oberfläche zum Einsatz kommen. Als Beschichtungsmaterial hat sich insbesondere Platin bewährt. In einem sechsten Schritt 45 werden die Dichtungen 30 in die Nuten 27 eingebracht. In einem siebten Schritt 46 erfolgt nun der Aufbau des Zellenstapels 1 beziehungsweise des elektrochemische Systems 10, wobei beispielsweise der Ablauf der Stapelbildung gemäß den Figuren 13a bis 13k durchgeführt wird. Bezuqszeichenliste Fig. 15 shows a schematic flow diagram for the production of an electrochemical system 10. In a first step 40, the plate arrangement 2 is produced in one piece using a 3D printing process. In a second step 41, the plate arrangement 2 is subjected to grinding on both sides. The grinding process optionally includes grinding the surfaces of the outer layers 9, 13 of the porous transport layers 7, 11, designated 22, 22'. Optionally, a third step 42 is followed by laser drilling to form further pores in the outer second layers 9, 13 of the porous transport layers 7, 11. The fourth step 43 comprises subsequent cleaning of the plate arrangement 2. In a fifth optional step 44, the outer second layers 9, 13 of the porous transport layers 7, 11 can be coated. For example, a PVD process with upstream plasma etching of the surface to be coated can be used. Platinum has proven to be particularly suitable as a coating material. In a sixth step 45, the seals 30 are introduced into the grooves 27. In a seventh step 46, the cell stack 1 or the electrochemical system 10 is then constructed, with the stack formation process being carried out, for example, according to Figures 13a to 13k. list of reference symbols

Zellenstapel, Stapel elektrochemischer Zellencell stack, stack of electrochemical cells

Plattenanordnung elektrochemische Zelle plate arrangement electrochemical cell

Bipolarplatte ' Trägerplatte bipolar plate ' carrier plate

Halbzelle half-cell

Halbzelle poröse Transportlage, anodenseitig erste, innere Schicht der anodenseitigen porösen Transportlage zweite, äußere Schicht der anodenseitigen porösen Transportlage0 elektrochemisches System, Elektrolysesystem 1 poröse Transportlage, kathodenseitig erste, innere Schicht der kathodenseitigen porösen Transportlage3 zweite, äußere Schicht der kathodenseitigen porösen Transportlage , 14' Öffnung, Pore 5 Kanal für ein Kühlmedium Half cell porous transport layer, anode side first, inner layer of the anode side porous transport layer second, outer layer of the anode side porous transport layer0 electrochemical system, electrolysis system 1 porous transport layer, cathode side first, inner layer of the cathode side porous transport layer3 second, outer layer of the cathode side porous transport layer , 14' opening, pore 5 channel for a cooling medium

Kanal für ein Betriebsmedium 7 Kanal für ein Betriebsmedium 8 Kanal für ein Betriebsmedium 9, 19' Rahmen 0 Gitterstruktur 1 3D-Druck-Plattform , 22' Oberfläche der äußeren Schicht der porösen Transportlage 3 Fertigungsanlage Channel for an operating medium 7 Channel for an operating medium 8 Channel for an operating medium 9, 19' Frame 0 Grid structure 1 3D printing platform , 22' Surface of the outer layer of the porous transport layer 3 Manufacturing plant

Armierung 5 Sensorik-Aufnahmeraum Armature 5 Sensory Recording Room

Führungsöffnung 7 Nut 8 Endplatte 8' elektrischer Anschlusskontakt 9 Endplatte 29' elektrischer Anschlusskontakt 30 Dichtung Guide opening 7 Groove 8 End plate 8' electrical connection contact 9 End plate 29' electrical connection contact 30 seal

31 , 31 ' Verspannplatte 31 , 31 ' bracing plate

32, 32' Isolationsplatte 32, 32' insulation plate

33 Bolzenschraube (mit elektrisch isolierender Beschichtung)33 Bolt screw (with electrically insulating coating)

34, 34' Polymerelektrolytmembran 34, 34' polymer electrolyte membrane

35 Schraubenmutter 35 screw nut

36, 36' Gasdiffusionsschicht 36, 36' gas diffusion layer

37 Fluidanschluss 37 fluid connection

40 erster Schritt: 3D-Drucken 40 first step: 3D printing

41 zweiter Schritt: Schleifbearbeitung 41 second step: grinding

42 optionaler dritter Schritt: Laserbohren 42 optional third step: laser drilling

43 vierter Schritt: Reinigen 43 fourth step: cleaning

44 optionaler fünfter Schritt: Beschichten 44 optional fifth step: coating

45 sechster Schritt: Anbringen der Dichtungen 30 45 sixth step: attaching the seals 30

46 siebenter Schritt: Stapelbildung 46 seventh step: stacking

AR Aufbaurichtung AR construction direction

ST Stapelrichtung d Rahmendicke ST stacking direction d frame thickness

Claims

Patentansprüche patent claims 1. Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung (2) eines Stapels (1 ) elektrochemischer Zellen (3), wobei parallel zueinander angeordnete Platten in Ebenen, welche senkrecht zu den Platten ausgerichtet sind, additiv erzeugt werden. 1. Method for producing a plate arrangement (2) of a stack (1) of electrochemical cells (3), wherein plates arranged parallel to one another are additively produced in planes which are aligned perpendicular to the plates. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf einer 3D-Druck- Plattform (21 ) mehrere gleichartige, zueinander parallele Plattenanordnungen (2), welche jeweils eine Mehrzahl verschiedener Platten umfassen und senkrecht auf der 3D- Druck-Plattform (21 ) stehen, aufgebaut werden. 2. Method according to claim 1, characterized in that a plurality of identical, mutually parallel plate arrangements (2), each comprising a plurality of different plates and standing perpendicular to the 3D printing platform (21), are constructed on a 3D printing platform (21). 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche auf der 3D-Druck-Plattform (21 ) additiv entstehende Platten aus verschiedenen Werkstoffen, welche in derselben 3D-Druck-Schicht aufgetragen werden, erzeugt werden.3. Method according to claim 2, characterized in that different plates made of different materials, which are additively produced on the 3D printing platform (21), are produced and applied in the same 3D printing layer. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Platten als poröse, mehrschichtige Lage (7, 11 ) erzeugt wird, wobei sich die verschiedenen Schichten (8, 9, 12, 13) der porösen Lage (7, 11 ) hinsichtlich mindestens eines der Parameter Schichtdicke und Porosität voneinander unterscheiden. 4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the plates is produced as a porous, multi-layer layer (7, 11), wherein the different layers (8, 9, 12, 13) of the porous layer (7, 11) differ from one another with respect to at least one of the parameters layer thickness and porosity. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eine der Platten nachträglich Öffnungen (14) zur Erzeugung einer Porosität eingebracht werden. 5. Method according to claim 4, characterized in that openings (14) are subsequently introduced into at least one of the plates in order to produce porosity. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenanordnung (2) einstückig aus den parallel zueinander angeordneten ausgebildet wird. 6. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the plate arrangement (2) is formed in one piece from the plates arranged parallel to one another. 7. Plattenanordnung (2) für ein elektrochemisches System (10), welches einteilig ausgebildet ist und umfassend eine Mehrzahl additiv gefertigter, zueinander paralleler Platten, wobei 3D-Druck-Schichten orthogonal zu den Platten ausgerichtet sind. 7. Plate arrangement (2) for an electrochemical system (10), which is formed in one piece and comprises a plurality of additively manufactured plates parallel to one another, wherein 3D printing layers are aligned orthogonal to the plates. 8. Plattenanordnung (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese die Platten und einen die Platten umfassenden Rahmen (19) aufweist, wobei der Rahmen (19) umfassend eine Gitterstruktur (20) und mindestens eine Armierung (24) ausgebildet ist. 8. Plate arrangement (2) according to claim 7, characterized in that it comprises the plates and a frame (19) comprising the plates, wherein the frame (19) is formed comprising a grid structure (20) and at least one reinforcement (24). 9. Plattenanordnung (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Platten als Bipolarplatte (4) ausgebildet ist, wobei einander gegenüberliegende Seiten der Bipolarplatte (4) mindestens einen Kanal (15) zur Durchleitung eines Fluids zwischen sich einschließen. 9. Plate arrangement (2) according to claim 7 or 8, characterized in that at least one of the plates is designed as a bipolar plate (4), wherein opposite sides of the bipolar plate (4) enclose at least one channel (15) for the passage of a fluid between them. 10. Plattenanordnung (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte (4) aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sind. 10. Plate arrangement (2) according to claim 9, characterized in that the opposite sides of the bipolar plate (4) are made of different materials. 11 . Plattenanordnung (2) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass an die Bipolarplatte (4) grenzende Platten jeweils als poröse, mehrschichtige Transportlagen (7, 11 ) ausgebildet sind, wobei sich die einzelnen Schichten (8, 9, 12, 13) einer jeden Transportlage (7, 11 ) sowohl hinsichtlich der Schichtdicke als auch hinsichtlich der Porosität voneinander unterscheiden. 11. Plate arrangement (2) according to claim 9 or 10, characterized in that plates bordering the bipolar plate (4) are each designed as porous, multi-layer transport layers (7, 11), wherein the individual layers (8, 9, 12, 13) of each transport layer (7, 11) differ from one another both in terms of layer thickness and in terms of porosity. 12. Plattenanordnung (2) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass an die Bipolarplatte (4) einerseits eine poröse Transportlage (11 ) aus Stahl und andererseits eine poröse Transportlage (7) aus Titan grenzt. 12. Plate arrangement (2) according to claim 11, characterized in that the bipolar plate (4) is bordered on the one hand by a porous transport layer (11) made of steel and on the other hand by a porous transport layer (7) made of titanium. 13. Plattenanordnung (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (19) einen Umfang und mehrere Öffnungen aufweist, wobei am Umfang und die Öffnungen umschließend jeweils eine Armierung (24) angeordnet ist. 13. Plate arrangement (2) according to one of claims 8 to 12, characterized in that the frame (19) has a circumference and a plurality of openings, wherein a reinforcement (24) is arranged on the circumference and enclosing the openings. 14. Elektrochemische Zelle (3), insbesondere elektrochemisches System in Form eines Elektrolyseurs, mit einem Zellenstapel (1 ) umfassend zwei Endplatten (28, 29), zwischen welchen mindestens eine Plattenanordnung (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 13 und mindestens zwei Polymerelektrolytmembranen (34, 34') angeordneten sind. 14. Electrochemical cell (3), in particular electrochemical system in the form of an electrolyzer, with a cell stack (1) comprising two end plates (28, 29), between which at least one plate arrangement (2) according to one of claims 7 to 13 and at least two polymer electrolyte membranes (34, 34') are arranged. 15. Elektrochemische Zelle (3) nach Anspruch 14, wobei eine jede Endplatte (28, 29) einteilig ausgebildet ist und umfassend eine Mehrzahl additiv gefertigter, zueinander paralleler Platten umfasst, wobei 3D-Druck-Schichten orthogonal zu den Platten ausgerichtet sind, und wobei jede Endplatte (28, 29) eine elektrische Kontaktanordnung (28', 29') aufweist. 15. Electrochemical cell (3) according to claim 14, wherein each end plate (28, 29) is formed in one piece and comprises a plurality of additively manufactured, mutually parallel plates, wherein 3D printed layers are aligned orthogonal to the plates, and wherein each end plate (28, 29) has an electrical contact arrangement (28', 29'). 16. Elektrochemische Zelle (3) nach Anspruch 14 oder 15, wobei jede Endplatte (31 , 31 ') eine Trägerplatte (4') umfasst, die lediglich an einer Seite eine poröse, mehrschichtige Transportlage (7, 11 ) aufweist. 16. Electrochemical cell (3) according to claim 14 or 15, wherein each end plate (31, 31') comprises a carrier plate (4') which has a porous, multi-layer transport layer (7, 11) on only one side.
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