JP2024504344A - 水素製造用電解板および電解板の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に、水の電気分解のための電解板（１）に関する。電解板（１）は、２つの長辺（２ａ、２ｂ）および２つの短辺（２ｃ、２ｂ）を有する長方形の輪郭形成された金属シート（２）であって、外側のフレーム状接続領域（３）と、当該接続領域内に位置し、長方形であり、かつ非正方形の基本形状を有し、活性エリアを形成する、輪郭形成された領域（４）と、を有する、金属シート（２）と、輪郭形成された領域（４）の非正方形の形状によって画定された長手方向（ＬＲ）を有し、長辺（２ａ、２ｂ）と平行に伸び、輪郭形成された領域（４）の表面により範囲を定められている流路と、重ならず、または接触せずに、すなわち、離間して、輪郭形成された領域（４）の長手方向（ＬＲ）に少なくとも３回連続して設けられた、輪郭形成された金属シート（２）のエンボスパターン（８）であって、各エンボスパターン（８）は、互いに隣接して位置付けられ、長手方向（ＬＲ）に延在し、ジグザグ形状または波状形状を描く、少なくとも３つの個別のエンボスパターン（８ａ、８ｂ、８ｃ）によって形成されている、エンボスパターン（８）と、を含み、連続するエンボスパターン（８）は、中間輪郭形成部（１０）を有するストリップ状の中間セクション（９）によって互いに分離され、各ストリップ状の中間セクション（９）は短辺（２ｃ、２ｄ）に平行に伸びている。

Description

本発明は、水素製造システムにおける使用に好適な電解板に関する。本発明はさらに、そのような電解板の製造方法に関する。

欧州特許第１５８７７６０号は、複数の電解板を備える電解セルを開示している。電解板は、ハウジング内の溝デバイスに固定されている。既知の電解セルのハウジングは、流体が流れることを可能にする入口および出口を有する。ハウジング内には、複数のディスクが積層形態で配置されている。

独国特許出願公開第１９９５６７８７号に記載されている電解板は、外側の非導電性フレームと、その中に取り付けられた導電性の双極グラファイトプレートとからなる。電解質溶液を電解質供給の領域に強制的に導くために、プラスチックエプロンが提供されている。

欧州特許第３７２５９１６号は、ガスを通過させるための開口部を有し、開口部の縁が非導電性材料で覆われた、水素を発生させるための装置における使用のための電解板を開示している。

双極電気容器は、欧州特許第３５７５４４２号から既知であり、水素の生成のために提供されている。双極電気容器のアノードおよび／またはカソードは多孔質電極として構成されている。双極容器の膜は、無機成分を有する多孔質膜である。欧州特許第３５７５４４２号による装置は、アルカリ電解に好適であると言われている。

独国特許出願公開第１０２０１３２２５１５９号から既知である電気化学セルの配置は、例えば、水または水性電解質を伝導するために提供され、網目構造を有するか、または多孔質材料から形成される平らな構造の形態の基本要素を含む。いくつかの基本要素が互いに上下に配置され、基本要素のエッジ領域が充填複合材を使用して液密な方法で接続されている。

電気化学システムのさらなる構成の選択肢は、国際公開第２０１９／１２１９４７号および国際公開第２０２０／０３０６４４号の明細書に開示されている。電気化学システムは、それぞれ、複数のセパレータプレートを備えている。

本発明は、特に、製造および流体の側面に関して、上記の従来技術と比較して、水素生成に好適な電解板をさらに開発するという目的に基づいている。

この目的は、水の電気分解における使用に好適な請求項１の特徴を有する電解板によって、本発明に従って達成される。この目的は、請求項９に記載のかかる電解板の製造方法によっても達成される。製造方法に関連して以下に説明される本発明の実施形態および利点は、必要な変更を加えてデバイス、すなわち電解板にも適用され、またその逆も同様である。

「電解板」は、電解セルのアノードまたはカソードとして使用される電極または電極プレートを意味すると理解される。

電解板は、２つの長辺および２つの短辺を有する長方形の輪郭形成された金属シートを備え、金属シートは、外側のフレーム状接続領域と、その中に横たわる長方形で、かつ非正方形の基本形状を有し、活性エリアを形成する輪郭形成された領域と、を有する。特に、電解板は、輪郭形成された金属シートのみから形成することができる。輪郭形成された領域の表面は、完全に組み立てられた電気分解デバイス内の流路の範囲を定め、流路の長手方向ＬＲは、輪郭形成された領域の非正方形であり、かつ長方形の形状によって与えられ、かつ長辺に平行に伸び、輪郭形成された金属シートのエンボスパターンは、重ならず、または接触せずに、すなわち離間して、輪郭形成された領域の長手方向ＬＲに少なくとも３回連続して設けられている。それぞれのエンボスパターンは、互いに隣接して位置付けられ、長手方向ＬＲに延在し、ジグザグ形状または波状形状を描く少なくとも３つの個別のエンボスパターンから形成され、連続するエンボスパターンは、中間輪郭形成部を有するストリップ状の中間セクションによって互いに分離され、各ストリップ状の中間セクションは短辺に平行に伸びている。

長方形の輪郭形成された金属シートの長さＨ_２は、特に次のように：Ｈ_２＞１．３３Ｂ_２の長方形の輪郭形成された金属シートの幅Ｂ_２に関係する。

エンボスパターンおよび中間輪郭形成部を打ち抜く前の、輪郭形成された平らな金属シートの厚さは、好ましくは、０．５～１ｍｍである。

活性エリアの領域（＝輪郭形成された領域）、つまり、化学反応が起こるプレートの領域では、電解板は、長手方向ＬＲに流れる媒体を、互いに離間した既存のエンボスパターンによって均一に分配する。エンボスパターンの流入領域には依然として均一な媒体分布が存在するが、ガス状媒体（ここでは水素または酸素）は、電気分解をするとき、化学反応の結果としてエンボスパターンを通過する媒体（ここでは水）の主な層流中に生成される。したがって、流体混合物には、エンボスパターンからの流出領域に不均一性が存在し、不均一な水－ガス分布、不均一な温度分布、不均一な圧力分布などとして現れる可能性がある。エンボスパターンに隣接するストリップ状の中間セクションは、流動媒体または液体と気体成分の流体混合物を混合し、均質化するのに役立つ。これは、中間輪郭形成部を使用して、乱流と渦を作成することによって実現される。したがって、均質なもしくはほぼ均質化された媒体または流体混合物が、長手方向ＬＲに見られる隣接するエンボスパターンの流入領域に再び存在する。これにより、電気分解プロセスの効率が大幅に向上する。

したがって、長手方向ＬＲにおける中間セクションの長さＨ_９と、長手方向ＬＲにおけるエンボスパターンの長さＨ_８との好ましい比率が、Ｈ_９／Ｈ_８＝１／３０～１／５０の範囲にあることを特徴とする。したがって、エンボスパターンは、中間セクションよりも長手方向ＬＲに著しく長く構成されており、これは、エンボスパターンに沿って流れる媒体を均一化するのに役立つ。

互いに間隔を置いて繰り返しエンボスパターンを形成する形態の電解板の輪郭形成部は、クラスタ化輪郭形成部とも呼ばれる。クラスタ化の利点は、特に、大容量ディスクで発揮される。電気分解、特に、水の電気分解に好適な本発明による電解板の製造は、以下の工程：
－長方形の形状を有する輪郭形成された金属シートを提供する工程であって、輪郭形成された金属シートの外側の枠状領域が、完成した電解セルにおけるその機能に従って接続領域として画定される、工程、
－接続領域によって囲まれた輪郭形成された金属シートの輪郭形成された領域内に、互いに離間した少なくとも３つの同様のエンボスパターンと、ストリップ状の中間セクションと、を製造する工程において実現される。

エンボスパターンのクラスタ化は、連続的な方法における輪郭形成に特に好適である。これは、例えば、ロールエンボス法である。あるいは、電解板はプレスを使用して個別に製造される。エンボスパターンを形成するための連続製造技術と不連続製造技術との組み合わせも可能である。

いずれの場合も、エンボスパターンのクラスタ化により、電解板のサイズおよび複雑さに関して製造時の労力を適度な範囲内に抑えることができる。エンボスパターンの形状に関する限り、設計の余地がさらにあり、個々のケースにおいて与えられる流れ条件、ならびに複数の電解板で構成されるスタック内で利用可能な空間が重要な境界条件を表す。特に、エンボスパターンは、互いに離間した個々のジグザグ形状または波状形状のエンボスパターン、すなわち、接続された線状の***および／または窪みの形態で存在することができる。電解板の表面を流れる媒体の凝集状態も影響する。したがって、本発明による実施形態によれば、エンボスパターンは、ジグザグ状または波状の基本パターンを表し、全体としてジグザグ形状または波状形状を表す、ギザギザ状または波状の線またはエンボス要素の配置が、輪郭形成された領域の長手方向ＬＲに延在する。

輪郭形成された金属シートのエンボスパターンは、輪郭形成された領域の長手方向ＬＲに少なくとも４回連続して設けられることが好ましい。

本発明による概念によれば、エンボスパターンが形成される輪郭形成された領域のセクション間にストリップ状の中間輪郭形成部が存在する。特に、中間輪郭形成部によって一種のバイパスを形成することができる。中間輪郭形成部の幾何学的デザインに関係なく、輪郭形成された領域の長手方向で２つの隣接するエンボスパターンと重なることができ、これは、１つのエンボスパターンから次のエンボスパターンへ媒体を標的として伝導するという点で有利である。

中間輪郭形成部は、円形、楕円形、長方形、もしくは三角形の個別の立面として構成されるか、またはそのような同一もしくは異なる個別の立面の組み合わせまたはグループから形成されることが好ましい。原理的には、層流が分断され、エンボスパターンから流出する流体混合物が渦を巻く限り、星形、ねじれ、または不規則な形状の離散***などの他の形態の中間輪郭形成部も可能である。したがって、異なる個別の立面をストリップ状の中間セクション内に設けることができる。さらに、１列以上の同一または異なる中間輪郭形成部をストリップ状中間セクションに配置することができる。

さらに好ましい実施形態では、中間輪郭形成部は、輪郭形成された領域の長手方向ＬＲにおいて、２つの隣接するエンボスパターンのうちの少なくとも１つと重なる。重なり合う領域は、長手方向ＬＲにおけるストリップ状の中間セクションの長さＨ_９の２０％未満であることが好ましい。

平坦で変形していないシートの金属表面に対して垂直な、測定した中間輪郭形成部の高さｈは、好ましくはｈ＝２ｓ～６ｓの範囲内にある（式中、ｓ＝０．５～１．０ｍｍ）。各中間輪郭形成部は、長手方向ＬＲから見て、立ち上がり側面および立ち下がり側面を有して、個別の立面を形成する。上昇側面および下降側面は、長手方向ＬＲで測定して、５０°～６２°の範囲の角度αを囲むことが好ましい。これは、チタンまたはステンレス鋼で製造された輪郭形成された金属シートに特に好ましい。

しかしながら、他の金属または金属合金で製造された金属製の輪郭形成された金属シートも使用することができる。さらに、使用する輪郭形成された金属シートは片面または両面をコーティングできる。

可能な展開によれば、輪郭形成された領域は、同様のエンボスパターンの少なくとも１つのサブクラスタ、ならびに長手方向の上流または下流にあり、それとは異なる少なくとも１つのエンボスパターンを含む。流れ方向におけるサブクラスタの上流または下流の領域においてサブクラスタから逸脱したエンボスパターンは、例えば、対応する領域の流れを静止させるという目的を果たすことができる。これは、例えば、サブクラスタ内で輪郭形成された領域の長手方向に対してサブクラスタの外側よりも大きな角度でエンボスパターンを形成する、細長い個々のエンボスパターンを斜めにすることによって行うことができる。

エンボスパターン間のストリップ状の中間セクションが、それらの中間輪郭形成部に関して同一であるか、または少なくとも部分的に異なることも可能である。したがって、異なる個別の立面をストリップ状の中間セクション内に設けることができる。

輪郭形成された領域を取り囲むフレーム状の接続領域には、媒体の通過および／または接続要素、特に支持アンカーの挿入のための多数の開口部が存在し得る。または、通常、接続領域には、封止部が存在する。この目的のために、封止部を挿入するために設けられる溝形状の凹部が接続領域に任意に存在する。同様に、封止部は、接続領域の平面セクションに接触することができる。接続領域はまた、例えば、プラスチックまたはカーボンプラスチック複合材で製造されている別個のフレームによって保持されてもよい。このような場合、封止部をこのフレームの領域に配置することもできる。

以下に、本発明のいくつかの例示的な実施形態を、図面を用いてより詳細に説明する。図では、一部簡略化している。

水の電気分解のための電解板の第１の実施形態を示す図である。 電解板の第２の実施形態を示す図である。 さらなる電解板の特徴を示す概略図である。 さらなる電解板の特徴を示す概略図である。 さらなる電解板の特徴を示す概略図である。

特に明記しない限り、以下の説明はすべての例示的な実施形態に関する。互いに対応する、または基本的に同じ効果を有する部分または輪郭形には、すべての図において同じ参照符号が付される。

全体として参照番号１で示される電解板は、水素電解システムにおける使用のために提供される。電解板１の基本的な機能に関しては、冒頭で引用した従来技術を参照されたい。

すべての実施形態において、電解板１は、フレーム状接続領域３と、この領域３内に位置する長方形の輪郭形成された領域４と、を有する輪郭形成された金属シート２として構成される。輪郭形成された金属シート２は、ここでは具体的には、片面または両面をコーティングされ得る鋼板である。

媒体、特に、酸性またはアルカリ性の水性液体は、輪郭形成された領域４の表面上を輪郭形成された金属シート２の本質的に長手方向ＬＲに流れる。輪郭形成された金属シート２の幅はＢ_２で示され、輪郭形成された金属シート２の高さはＨ_２で示される。輪郭形成された領域４は、幅Ｂ_４および高さＨ_４を有する。

接続領域３内には、媒体の通過を可能にする開口部６があり、円形の開口部６と比較して、より小さな穴５があり、そこに支持アンカー（図示せず）を挿入して、スタック内の多数の電解板１を機械的に接続することができる。

クラスタ７の形態の輪郭形成部が輪郭形成された領域４において形成される。クラスタ７として構成された輪郭形成部は、空気力学的機能を有し、また、平坦なプレートと比較して電解板１の機械的安定性を高める。クラスタ７内には、互いに分離されたいくつかのエンボスパターン８が見られ、それぞれが、互いに隣り合って配置された３つ以上の個別のエンボスパターン８ａ、８ｂ、８ｃを含み、長手方向ＬＲに延在し、ジグザグ形状または波状形状を描き、各エンボスパターン８は、全体として、長方形の形状を有する。エンボスパターン８が位置するクラスタ７の２つのセクションはそれぞれ、ストリップ状の中間セクション９によって互いに分離されている。

エンボスパターン８および中間セクション９の幅、ひいては、エンボスパターンクラスタ７全体の幅は、輪郭形成された領域４の幅Ｂ_４と同一である。（長手方向ＬＲに見て）各エンボスパターン８の長さは、Ｈ_８で示され、各中間セクション９の長さは、Ｈ_９で示される。長さＨ_８は、長さＨ_９の３０倍以上５０倍以下であることが好ましい。長手方向ＬＲ、すなわち、流れの方向に互いに続くエンボスパターン８の間に重なり合う箇所はまったく存在しない。中間輪郭形成部１０は、ストリップ形状の中間セクション９内に存在する。円形の中間輪郭形成部１４を有する中間セクション９の構成が図１に示され、三角形の中間輪郭形成部１２を有する中間セクション９の構成が図２に示される。同一の電解板１内の異なる中間セクション９の異なる構成も可能である。

図１による実施形態および図２による実施形態の両方において、エンボスパターン８は、個別のジグザグ形状または波状形状のエンボス要素８ａ、８ｂ、８ｃの形態であり、これらは互いに隣り合って配置され、長手方向ＬＲに全体的に延在している。

このような円形の中間輪郭形成部１４は、図３によるストリップ形状の中間セクション９の図にも存在する。この場合、中間セクション９は、楕円形の中間輪郭形成部１３および円形の中間輪郭形成部１４から形成される。この構成の特定の利点は、成形技術の実現可能性が高いことにある。

図１および図２による実施形態だけでなく図４による変形例にも示されるジグザグ形状のエンボスパターン８は、成形技術を使用して製造することもでき、ジグザグパターン内の鋭いエッジの移行部は、図では理想化して示されている。これは、本明細書における中間輪郭形成部１０を形成する図４に見られ得る長方形、特に、菱形の中間輪郭形成部１５にも当てはまる。図４の場合、エンボスパターン８と中間セクション９との間に重なり領域１６が形成される。長方形の中間輪郭形成部１５の一部は、長手方向ＬＲに見て、２つの隣接するエンボスパターン８の２つの個別のエンボスパターン８ａ、８ｂ、８ｃ（図１と比較されたい）の間の領域に突き出ている。

図５によれば、異なる中間輪郭形成部１０がストリップ状の中間セクション９に示されている。図示の例示的な実施形態では、画像の左側に楕円形の中間輪郭形成部１３があり、これらは長手方向ＬＲに対して傾斜するように構成されている。ここでは、楕円形の中間輪郭形成部１３の配列が交互になり、全体としてジグザグの配列となる。図５からさらに分かるように、円形の中間輪郭形成部１４と、さらに傾斜した楕円形の中間輪郭形成部１３と、が右側に続く。また、２つのグループに配置された円形の中間輪郭形成部１４’と、その右側に長手方向ＬＲに対して傾斜していない楕円形の中間輪郭形成部１３と、が示されている。

図１から図５に示す中間輪郭形成部１０、１２、１３、１４、１４’、１５の形状は、例としてのみ示されており、ストリップ状の中間セクション９内で所望に応じて変更および／または互いに組み合わせることができる。

１ 電解板
２ 輪郭形成された金属シート ２ａ、２ｂ 長辺
２ｃ、２ｄ 短辺
３ 接続領域
４ 輪郭形成された領域
５ 穴
６ 開口部
７ クラスタ
８ エンボスパターン
８ａ、８ｂ、８ｃ 個別のエンボスパターン
９ 中間セクション
１０ 中間輪郭形成部
１１ サブクラスタ
１２ 三角形の中間輪郭形成部
１３ 楕円形の中間輪郭形成部
１４ 円形の中間輪郭形成部
１４’ 円形の２重配置でグループ化された中間輪郭形成部
１５ 長方形の中間輪郭形成部
１６ 重複領域
Ｂ_２ 輪郭形成された金属シートの幅
Ｂ_４ 輪郭形成された領域の幅
Ｈ_２ 輪郭形成された金属シートの長さ
Ｈ_４ 輪郭形成された領域の長手方向ＬＲの長さ
Ｈ_８ エンボスパターンの長手方向ＬＲの長さ
Ｈ_９ 中間セクションの長手方向の長さＬＲ
ＬＲ 長手方向

Claims (10)

1. 電解板（１）であって、２つの長辺（２ａ、２ｂ）および２つの短辺（２ｃ、２ｂ）を有する長方形の輪郭形成された金属シート（２）であって、外側のフレーム状接続領域（３）と、この領域にある輪郭形成された領域（４）であって、活性エリアを形成する、長方形であり、かつ非正方形の基本形状を有する、領域（４）と、を有する、金属シート（２）と、前記輪郭形成された領域（４）の表面により範囲を定められている流路であって、前記流路の長手方向（ＬＲ）が、前記輪郭形成された領域（４）の前記非正方形の形状によって付与され、かつ前記長辺（２ａ、２ｂ）に平行に伸びる、流路と、重ならず、または接触せずに、すなわち、離間して、前記輪郭形成された領域（４）の前記長手方向（ＬＲ）に少なくとも３回連続して設けられた、前記輪郭形成された金属シート（２）のエンボスパターン（８）であって、それぞれの前記エンボスパターン（８）が、互いに隣接して位置付けられ、前記長手方向（ＬＲ）に延在し、ジグザグ形状または波状形状を描く、少なくとも３つの個別のエンボスパターン（８ａ、８ｂ、８ｃ）によって形成されている、エンボスパターン（８）と、を含み、連続するエンボスパターン（８）が、中間輪郭形成部（１０）を有するストリップ状の中間セクション（９）によって互いに分離され、各ストリップ状の前記中間セクション（９）が、前記短辺（２ｃ、２ｂ）に平行に伸びるように配置されている、電解板（１）。
2. 前記輪郭形成された金属シート（２）の前記エンボスパターン（８）が、前記輪郭形成された領域（４）の前記長手方向（ＬＲ）に少なくとも４回連続して設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の電解板。
3. 前記中間輪郭形成部（１０）が、円形、楕円形、長方形、もしくは三角形の個別の立面として構成されるか、またはそのような同一もしくは異なる立面の組み合わせもしくは群から形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の電解板。
4. 前記中間輪郭形成部（１０）が、２つの隣接する前記エンボスパターン（８）のうちの少なくとも１つを有する前記輪郭形成された領域（４）の前記長手方向（ＬＲ）において重なっていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の電解板。
5. 前記長手方向（ＬＲ）における中間セクション（９）の長さ（Ｈ_９）と、前記長手方向（ＬＲ）におけるエンボスパターン（８）の長さ（Ｈ_８）との比率が、Ｈ_９／Ｈ_８＝１／３０～１／５０の範囲にあることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の電解板。
6. 前記輪郭形成された領域（４）が、類似のエンボスパターン（８）の少なくとも１つのサブクラスタ（１１）と、前記少なくとも１つのサブクラスタ（１１）とは異なり、かつ／または前記エンボスパターン（８）間の前記中間セクション（９）が、それらの中間輪郭形成部（１０）に関して少なくとも部分的に異なる、前記長手方向（ＬＲ）の上流もしくは下流における少なくとも１つのエンボスパターン（８）と、を含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の電解板。
7. 媒体の通過および／または接続要素の挿入のために、フレーム状接続領域（３）に多数の開口部（５、６）が存在することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の電解板。
8. 水素を生成するための電気分解システムにおける、請求項１に記載の電解板（１）の使用。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の電解板（１）を製造する方法であって、以下の工程：
   －長方形の形状を有する輪郭形成された金属シート（２）であって、前記輪郭形成された金属シート（２）の外側の枠状領域が前記接続領域（３）として画定されている、輪郭形成された金属シート（２）を提供する工程と、
   －前記接続領域（３）によって囲まれた前記輪郭形成された金属シート（２）の前記輪郭形成された領域（４）内に、互いに離間した少なくとも３つの前記エンボスパターン（８）と、前記ストリップ状の中間セクション（９）と、を製造する工程と、による方法。
10. 前記エンボスパターン（８）が、連続的な方法において製造されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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