WO2026041176A1 - Komponente für eine elektrolysezelle - Google Patents

Abstract

Eine Elektrode weist einen porösen ersten Bereich (1) auf, der aus versinterten Pulverpartikeln besteht, sowie einen daran angrenzenden zweiten Bereich (2) mit einer Trägerstruktur (3) und darin ausgebildeten Durchlässen (4), die im Wesentlichen materialfrei gehalten sind.

Description

_{04101-HauPtPos t-0012} Komponente für eine Elektrolysezelle Die Erfindung ein Bauteil, das Bestandteil einer PEM- Elektrolysezelle Verwendung findet. Dabei steht ,PEM' Kürzel für eine bestimmte Zellenbauart bzw. -technologie, bei der eine für Protonen durchlässige Membran zum Einsatz kommt. An die Membran anschließend und Kontakt zu wird eine Komponente angeordnet, die man funktionsbezogen PTL-Bauteil bezeichnet, Porous Transport Layer. Es handelt sich um eine Elektrode, die porös gestaltet um den Durchtritt von Flüssigkeiten und von Gasen zu ermöglichen. Je nach Einsatzgebiet einer PEM-Elektrolysezelle muß eine Elektrode, die darin Anode eingesetzt wird, teilweise diametralen Anforderungen entsprechen. Bei der Wasserstofferzeugung sind dies eine möglichst große Durchlässigkeit für Richtung auf die Membran hingeführtes Wasser einerseits, gegenüber einer möglichst großen anteiligen Kontaktfläche zwischen der Elektrödenoberfläche und der Membran andererseits. Idealerweise hätte eine solche Elektrode Durchlaßkanäle, die förmig auf die Membran zulaufen, wiese also große Öffnungen für den des auf die Membran hingeführten Wassers aber möglichst kleine Öffnungen an ihrer gegenüberliegenden, der Membran zugewandten Reale Annäherungen an dieses Ideal finden sich im Stand der Technik. Die europäische Patentschrift EP2985096B1 behandelt eine Elektrode zur Verwendung einer Elektrolyse- bzw. Brennstoffzelle, welche aus mehreren, übereinandergeschichteten Streckgitterlagen besteht, die unterschiedliche Maschenweiten aufweisen, wobei die kleinste Maschenweite der Zellenmembran zugewandt Ähnlich dazu zeigt die europäische Offenlegung EP3686318A1 eine Elektrode, die dreischichtig aus versinterten Metallpartikeln abnehmender Größenstufen aufgebaut Die Anmelderin hat für Forschungszwecke eine Elektrode entwickelt, die beide Ansätze miteinander verknüpft, bei zugleich vereinfachtem Aufbau. Dafür hat eine einzige Streckgitterlage mit einer einzigen Metallpulverlage kombiniert, indem Titanpulver auf ein _{18-08-2025-43404101-HauPtPos t-0013} materialgleiches Streckgitter aufgesintert wurde. Nähere Einzelheiten zu diesem Forschungsprojekt sind dem Abschlußbericht mit dem „Porous Transport Layers for Proton Exchange Membrane Electrolysis Under Extreme Conditions of Current Density, Temperature, and Pressure" entnehmbar, der unter der Internetadresse https://doi.org/10.1002/aenm.202100630 veröffentlicht wurde. Die vorliegende Erfindung auf eine Optimierung des Übergangsbereichs einer solchen gattungsbildenden Elektrode gerichtet. Damit jener Bereich gemeint, dem im vorliegenden Beispiel die Metallpulverlage die Streckgitterlage übergeht. Da die Maschenweite der Streckgitterlage die Abmessungen der verwendeten Pulverpartikel um ein Mehrfaches übersteigt, kommt es während der Elektrodenherstellung beim Bedecken des Streckgitters mit Metallpulver regelmäßig zum Eintrag anteiliger Pulvermengen die Maschen- innenräume des Streckgitters. Durch den nachfolgenden Sinterschritt werden diese dort Die Erfindung stützt sich auf die Erkenntnis, daß dieser den Mascheninnenräumen verfestigte Materialanteil keinen bedeutenden Beitrag für das Leistungsvermögen der Elektrode und daher eingespart werden kann. Je nach Bauart bzw. Verwendung einer Zelle ergibt sich daraus ein erhebliches Einsparpotential, etwa die Elektrode aus Titanmaterial hergestellt wird, wie der Wasserstofferzeugung üblich. Eine erfindungsgemäße Elektrode weist einen porösen ersten Bereich dem Pulverpartikel miteinander versintert sind, und einen daran angrenzenden zweiten Bereich, dem sich eine Trägerstruktur Form einer gelochten eines Gitters oder dergleichen befindet. Anders der erste Bereich diese Trägerstruktur volldicht, also porenfrei hergestellt. der Trägerstruktur sind Durchlässe angeordnet, die eine Zufuhr von Flüssigkeit durch den zweiten Bereich hindurchtretend zum ersten porösen Bereich hin ermöglichen. Ebenso wie die Pulverpartikel des ersten Bereichs untereinander, sind der erste und der zweite Bereich miteinander durch Sintern verbunden. _{18-08“202E-43404101-HauPtPos t-OO14} Dem zweiten Bereich läßt eine virtuelle Grenzfläche zuordnen, die an die Trägerstruktur angrenzt und die Durchlässe der Trägerstruktur auf ihrer dem ersten Bereich zugewandten Seite überdeckt. Die nachfolgend erläuterten Figuren dienen zur Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei zu beachten, daß die 1 den Stand der Technik darstellt Bericht zum Forschungsprojekt), wohingegen 2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Elektrode Es handelt sich jeweils um laborgefertigte Schnittbilder vergrößerter Ansicht. Beide Figuren weisen ihrem jeweils oberen einen porösen ersten Bereich der aus miteinander versinterten Pulverpartikeln besteht. Ungefähr mittig eine horizontal verlaufende erkennbar, die nachträglich die lichtmikroskopischen Aufnahmen eingefügt wurde, um den Verlauf der virtuellen Grenzfläche zu verdeutlichen. Darunter, also im unteren beider Figuren, eine Trägerstruktur Form eines Streckgitters erkennbar, die einem zweiten Bereich Zwischen den sich zusammenhängende helle Flächen abzeichnenden Streckgitter-Schnittflächen des Laborpräparats liegen die Durchlässe der Trägerstruktur. den vorliegenden Bildern jeweils ein Durchlaß vollständig gezeigt, an den sich und rechtsseitig das volldichte Material der Trägerstruktur anschließt. Entsprechend dem Stand der Technik gemäß 1 dieser Durchlaß erkennbar überwiegend von versinterten Pulverpartikeln 2 der Durchlaß im Gegensatz dazu nahezu vollständig von Pulverpartikeln: das geometrisch unregelmäßige Fleckmuster, das den porösen ersten Bereich setzt sich nicht den zweiten, unterhalb der Grenzfläche liegenden Bereich sondern endet dort, wo verläuft. Erzielbar diese Materialfreiheit, also die Abwesenheit von Material den Durchlässen der Trägerstruktur einer erfindungsgemäßen Elektrode, dadurch, daß noch vor dem Schritt des Beschichtens der Trägerstruktur mit Pulverpartikeln (etwa durch Aufstreuen der zunächst die Durchlässe der Trägerstruktur mit einem Fremdstoff aufgefüllt werden, der sich beim späteren Versintern von Pulver- _{18-08-2025-43404101-HauPtPos t-0015} Partikeln und der Trägerstruktur nicht verändert. Dafür kommt beispielsweise Yttriumoxid Füllmaterial infrage. einem vorbereitenden Schritt werden so zunächst die Durchlässe einer horizontal auf eine Sinterunterlage, wie einer Graphitplatte, aufliegenden Trägerstruktur (etwa eines Streckgitters) mit dem Fremdstoff danach wird bei Bedarf die Oberfläche der Trägerstruktur mit einem Abstreifer überstrichen, um eine bündige Fläche zu erzeugen, auf die sodann die Titanpulverpartikel zu einer gewünschten Schichtdicke aufgestreut werden. Diese können dann jedoch nicht mehr die Durchlässe gelangen, wie es bisher der war, weil diese Durchlässe bereits mit dem Fremdstoff aufgefüllt sind. Im nächsten Fertigungsschritt erfolgt das Versintern. Da der Fremdstoff dabei nicht mitsintert, also keine Bindungen ausbildet, kann er hinterher aus den Durchlässen der Elektrode entfernt werden, etwa durch Rütteln. Die Durchlässe der fertiggestellten Elektrode sind damit erfindungsgemäß im Wesentlichen materialfrei; mindestens sind erheblich weniger Pulverpartikel dort verfestigt worden und somit dort angeordnet, es aus dem Stand der Technik bekannt Für eine quantitative Betrachtung bzw. Bewertung kann das Mengenverhältnis der Materialmengen innerhalb zweier Teilvolumina der Elektrode herangezogen werden. erstes Teilvolumen setzt dabei zusammen aus einer Auswahl von zumindest 10%, bevorzugt 20%, besonders bevorzugt 50% oder mehr der Trägerstruktur vorhandenen Durchlässe. zweites Teilvolumen setzt sich zusammen aus allen dazu existierenden Spiegelpartnern. Als Spiegelpartner dabei das Volumenelement zu verstehen, welches durch die jeweilige Spiegelung der räumlichen Erstreckung eines ausgewählten Durchlasses an der virtuellen Grenzfläche definiert sich also jenseits der Grenzfläche den ersten Bereich hinein erstreckt. Erfindungsgemäß ergibt sich Vergleich der Materialmengen von erstem zu zweitem Teilvolumen ein Wert von maximal 20% im schlechtesten Bei höherer Genauigkeit der Fertigung das Mengenverhältnis auf Werte zwischen 10% und 15%, oder sogar noch geringer, nämlich hinunter zu 2%, reduzierbar. Dabei kann man die erzielte Materialersparnis und den steigenden Aufwand bei höherer 18-08-2025-43404101-HauP-tPost-0016 Fertigungsgenauigkeit gegeneinander aufrechnen, um das wirtschaftliche Optimum zu ermitteln.

Claims

_{18-08-2025-43404101-HauPiPos t-0018} Patentansprüche Elektrode mit einem porösen ersten Bereich dem Pulverpartikel miteinander versintert sowie einem daran angrenzenden zweiten Bereich der eine nicht poröse Trägerstruktur beinhaltet, die mit dem ersten Bereich versintert der Durchlässe für den Durchtritt von Flüssigkeit durch den zweiten Bereich hindurch zum ersten Bereich hin ausgebildet sind, wobei der Trägerstruktur eine daran angrenzende, ihre Durchlässe überdeckende virtuelle Grenzfläche zugeordnet dadurch gekennzeichnet, daß die' Durchlässe der Trägerstruktur im Wesentlichen materialfrei gehalten Elektrode nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß ein Mengenverhältnis von Materialmengen zweier Teilvolumina der Elektrode bei 20 % oder weniger wobei das erste Teilvolumen sich aus zumindest 10% der Durchlässe der Trägerstruktur zusammensetzt und das zweite Teilvolumen sich aus den Volumenelementen zusammensetzt, die durch Spiegelung der räumlichen Erstreckung dieser Durchlässe an der virtuellen Grenzfläche definiert sind.