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特表2024-504781水素製造用電解プレートおよび電解プレートを製造するための方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-02-01
(54)【発明の名称】水素製造用電解プレートおよび電解プレートを製造するための方法
(51)【国際特許分類】
C25B 13/02 20060101AFI20240125BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240125BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240125BHJP
H01M 8/0206 20160101ALI20240125BHJP
H01M 8/026 20160101ALI20240125BHJP
【ＦＩ】
C25B13/02 302
C25B1/04
C25B9/00 A
H01M8/0206
H01M8/026
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023545816
(86)(22)【出願日】2022-01-20
(85)【翻訳文提出日】2023-07-27
(86)【国際出願番号】 DE2022100058
(87)【国際公開番号】W WO2022184199
(87)【国際公開日】2022-09-09
(31)【優先権主張番号】102021105393.5
(32)【優先日】2021-03-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】515009952
【氏名又は名称】シェフラー テクノロジーズ アー・ゲー ウント コー． カー・ゲー
【氏名又は名称原語表記】Ｓｃｈａｅｆｆｌｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＡＧ ＆ Ｃｏ． ＫＧ
【住所又は居所原語表記】Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓｔｒ． １－３， ９１０７４ Ｈｅｒｚｏｇｅｎａｕｒａｃｈ， Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100098501
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 拓
(74)【代理人】
【識別番号】100116403
【弁理士】
【氏名又は名称】前川 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100134315
【弁理士】
【氏名又は名称】永島 秀郎
(74)【代理人】
【識別番号】100162880
【弁理士】
【氏名又は名称】上島 類
(72)【発明者】
【氏名】ラモン ユアヤンツ
(72)【発明者】
【氏名】アンスガー リングレープ
(72)【発明者】
【氏名】ベネディクト ヴェーナー
(72)【発明者】
【氏名】マルセル エーマン
【テーマコード（参考）】
4K021
5H126
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021CA15
4K021DC03
5H126AA12
5H126AA14
5H126GG02
5H126JJ03
(57)【要約】
本発明は、電解プレート（１）、特に、水素製造用電解プレート（１）、電解プレート（１）を製造するための方法および電解プレート（１）の使用に関し、電解プレート（１）は、少なくとも１つの型押しされた金属プレート（２）を含み、金属プレート（２）は、流路を画定するために形成されており、液滴形状の個別の型押し要素（１０、２４）を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも１つの型押しされた金属プレート（２）を含む電解プレート（１）であって、前記型押しされた金属プレート（２）は、流路を画定するために形成されており、液滴形状の個別の型押し要素（１０、２４）を有する、電解プレート（１）。
【請求項2】
それぞれの前記液滴形状の型押し要素（１０、２４）は、最大型押し深さの領域（１７）を有し、液滴形状である前記型押し要素（１０、２４）の一方の端部（１３）までの前記最大型押し深さの領域（１７）の距離（Ｌ２２）は、前記型押し要素（１０、２４）の他方の端部（１２）までの距離（Ｌ２１）の少なくとも１．２倍、最大で２．４倍であることを特徴とする、請求項１に記載の電解プレート（１）。
【請求項3】
最大突出部の前記領域（１７）までより短い前記距離（Ｌ２１）を有する前記型押し要素（１０、２４）の端部（１２）から発する前記型押し要素（１０、２４）の輪郭（１８）は、放物線形を描くことを特徴とする、請求項２に記載の電解プレート（１）。
【請求項4】
前記型押し要素（１０、２４）の行－列の配置は、前記型押し要素（１０、２４）間の重なりが少なくとも一方向に与えられ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プレート（１）。
【請求項5】
前記型押し要素（１０、２４）は、列ごとに互い違いの方向に整列されている、すなわち、前記金属プレート（２）の長手方向（ＬＲ）とその反対方向とにそれぞれ整列されていることを特徴とする、請求項４に記載の電解プレート（１）。
【請求項6】
前記型押し要素（１０、２４）は、列ごとに互い違いに傾斜したパターン（２３）に配置されていることを特徴とする、請求項４または５に記載の電解プレート（１）。
【請求項7】
前記型押し要素（１０）の一方の部分は、突出部として形成され、前記型押し要素（２４）の他方の部分は、同様に形成されたくぼみとして形成されてい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プレート（１）。
【請求項8】
前記型押し要素（１０、２４）の型押し深さ（Ｈ８）は、前記金属プレート（２）の厚さ（ｄ）の少なくとも３倍であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の電解プレート（１）。
【請求項9】
水素を製造するための電解装置における、請求項１から８のいずれか一項に記載の電解プレート（１）の使用。
【請求項10】
金属プレート（２）を成形することを含む、電解プレート（１）を製造するための方法であって、前記金属プレート（２）の内部では、連続したプロセスで、型押しパターン（８）が、相互離間された液滴形状の、個別の型押し要素（１０、２４）の形態で作製される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水素を製造するための電解装置において使用するために適切な電解プレートに関する。さらに、本発明は、電解プレートを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電気分解を使用して水素を製造するための装置は、例えば、欧州特許第２５０７４１０号明細書に記載されている。記載された電解プラントは、塩水源、汽水源、または淡水源から取られた水を用いて運転されるように適合されていなければならない。その場合、水は、搬送用気体流に供給されるので、水の少なくとも一部が気化した形態で搬送用気体流内に取り込まれる。この方法で投入された搬送用気体流は、最終的に電解装置に供給される。
【0003】
国際公開第２０１９／１２１９４７号および国際公開第２０２０／０３０６４４号に記載された様々な電気化学システムは、流体チャンバを画定する複数のセパレータプレートからなるそれぞれの配置を有する。記載された電気化学システムは、燃料電池または電解槽であってもよい。
【0004】
欧州特許出願公開第３７２５９１６号明細書では、水素を発生させるための装置において使用するために設けられた電解プレートが開示されており、その電解プレートは、気体が貫通するための開口部を有し、その開口部の縁部は、非導電材料で被覆されている。
【0005】
欧州特許出願公開第３５７５４４２号明細書によれば、水素を製造するために企図されている、バイポーラ型電解槽が公知である。槽のアノードおよび／またはカソードは、多孔性電極として形成されている。バイポーラ型槽の膜は、無機材料からなる多孔性膜である。欧州特許出願公開第３５７５４４２号明細書に基づく装置は、アルカリ性電気分解に適合されている必要がある。
【0006】
エネルギー流および／または媒体流が起こる、より包括的なシステムに、水素電気分解システムを組み込むための方法は、例えば、国際公開第２０１４／１４４５５６号および独国実用新案第２０２０１１１０２５２５号明細書に記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の課題は、電解プレートの製造を、従来技術と比較して、さらに発展させることであり、この場合、製造技術上の観点を、流体技術上の観点と同様に考慮に入れるべきである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本課題は、本発明により、特に、水素電気分解のために適合された、請求項１に記載の電解プレートによって解決される。同様に、本課題は、請求項１０に記載の、電解プレートを製造するための方法によって解決される。以下で製造方法との関連で説明される本発明の実施形態および利点は、本装置、すなわち、電解プレート、ならびにそのような複数の金属プレートを含む電解プラントにも、本発明の意味に即して当てはまる。
【0009】
電解プレートは、少なくとも１つの型押しされた金属プレートを含み、この金属プレートは、流路を画定するために形成されており、液滴形状の個別の型押し要素を有する。
【0010】
プレート面の平面図における液滴形状の、すなわち、実質的に流線形の型押し要素は、成形方法によって合理的に作製可能であり、電解プレートの機械的安定性に実質的に貢献する。これは、特に、水素を製造するための大規模な電解プラントの場合に重要である。同様に、電解プレートは、燃料電池またはレドックスフローセルにおいて使用することができる。
【0011】
可能な様々な実施形態によれば、液滴形状の各型押し要素は、最大型押し深さとなる点を有し、液滴形状の一方の端部までのその点の距離は、液滴形状の他方の端部までの距離の少なくとも１．２倍、最大で２．４倍となる。最大型押し深さが与えられている局在的領域の代わりに、この場合、型押し深さが連続して最大である、平面の領域もまた存在してもよい。この場合、様々な距離の間で示される関係は、一方では、液滴形状の型押し要素の先端と型押し要素の最大幅の箇所との間で、他方では、この最大幅の箇所と型押し要素の後端部との間で、長手方向に測定されることとなる距離に関係する。型押し要素を、落下する液滴とみなすと、いわゆる液滴の後端部は、上側にくるであろう。全体としては、いずれにせよ、三次元の、流線形デザインが型押し要素に付与されている。電解プレートの型押し構造の内部では、すべての型押し要素が、画一的な形態を有してもよい。同様に、型押し構造の内部で様々な型押し要素が存在する電解プレートの実施形態が実現可能である。
【0012】
それにより、特に、流体がアクティブフィールドに導入されるか、またはそのアクティブフィールドから排出される箇所で、適切な流線が可能になる。電解プレートの形成された様々な型押し要素が存在する場合には、これらの型押し要素は、幾何学上の意味で類似していてもよい、すなわち、同じ寸法比で拡大縮小されているのみであってもよい。同様に、同一の電解プレートの型押し要素は、基本的に異なる特徴、特に、長さと幅の比を有してもよい。両方の場合、最大突出部の点までより短い距離を有する型押し要素の端部、すなわち、いわゆる前端部から発する型押し要素の輪郭は、例えば、放物線形を描いてもよい。鋭角的な構造は、流体技術的だけではなく製造技術的にも有利な実施形態において、型押し要素と、型押し要素全面を取り囲む電解プレートの平坦な領域との間の移行部と同様に、型押し要素の内部では回避される。型押し要素は、行－列の配置を形成してもよく、型押し要素間の重なりが少なくとも一方向に与えられている。特に、型押し要素が配置されている行が重なることも、それぞれ列ごとに型押し要素に接して形成されている列が重なることもあり得る。このような方法で、電解プレートが特に屈曲負荷に対して抵抗力を有する型押し構造が提供可能である。
【0013】
電解プレート上での液滴形状の個別の型押し要素の整列に関しては、多数の可能な変形形態が存在する。最も単純な場合、すべての型押し要素が、同一の方向に、典型的には、流体の所望の流れ方向に整列されている。同様に、型押し要素が、列ごとに互い違いの方向に整列されている、すなわち、製造されている電解プレートが由来する金属プレートの長手方向またはその反対方向に整列されている変形形態が実現可能である。この変形形態によって、型押し要素の特に密なパッキングが、所定の平面上で達成可能であり、これが、その底面と比較して電解プレートの特に大きな全表面積である。あるいは、型押し要素は、電解プレートの長手方向に対して傾斜してもよい。特に、型押し要素によって、少なくともわずかに細長い個別の要素の、列ごとに互い違いに傾斜したパターンが、形成されていてもよい。特に、列の傾斜して置かれた型押し要素が、型押し要素の互い違いの方向に傾斜して置かれた隣接した列に、ジッパー状にはまり合う、そのようなパターンによって、明白な液流作用が実現可能である。
【0014】
電解プレートのすでに記載されたすべての幾何学的特徴と組み合せることができる、可能な発展形態によれば、型押し要素の一方の部分は、突出部として形成されており、これに対して、型押し要素の他方の部分は、同様に形成されたくぼみとして形成されている。それにより、電解プレートの両側で、同一の流体技術上の条件が確立可能である。金属プレートのそれぞれの側、すなわち、例えば、水平構造の場合の上側および下側に対する、型押し要素の個別に測定することとなる型押し深さは、一般的な実施形態では、金属プレートの型押しされていない領域に引き延ばされた金属プレート厚さの少なくとも３倍であるが、１０倍以上ではない。それにより、一方では、電解プレートの外側寸法に対して大きく構造化された、すなわち、型押しされた表面が提供され、他方では、電解プレートの成形領域において材料強度の著しい低下が回避される。
【0015】
製造された電気化学セルの内部では、型押し要素によって形成された電解プレートの型押し構造上に、気体拡散コーティングが存在してもよい。個別の型押し要素が相互に切り離された配置に関わらず、気体拡散コーティングは、その場合、実際上は、型押し構造上に平面状に載っており、液滴形状の実施形態によって、所望の流れは、型押し領域全体において気体拡散コーティングの方向にもたらされる。個別事例に適合されるべき型押し要素の形態および配置に関しては、特に、動圧が重要であり、電気化学セルの構造は、その動圧により決定されている。電解プレートによって、特に、電気化学装置のバイポーラプレートを提供することができる。
【0016】
電解プレートは、金属プレートを成形することによって合理的に製造することができ、金属プレートの内部では、相互離間された液滴形状の、個別の型押し要素の形態で、型押し構造が作製される。この成形は、特に、連続したプロセス、例えば、圧延プロセスで行うことができる。
【0017】
以下で図面を参照して本発明の複数の実施例をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】水電気分解用電解プレートの第１の実施例の図である。
【図8】電解プレートの型押し構造の型押し要素の代替構成図である。
【図9】電解プレートの型押し構造の型押し要素の可能な更なる構成図である。
【図10】突出型押し要素および陥凹型押し要素からなる型押し構造の図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下の説明は、ほかに異なる記載のない限り、すべての実施例に関連する。相互に対応する、または原則的に等しく作用する部分および輪郭は、すべての図において、同じ参照符号が付けられている。
【0020】
すべての実施形態において、電解プレート１は、枠形状の接続領域３と、この領域３の中に位置する矩形の成形領域４と、を有する成形金属プレート２として形成されている。成形金属プレート２は、コーティングされていてもよいスチールプレートである。
【0021】
成形領域４の表面では、媒体、特に、酸性またはアルカリ性の水性液体が、実質的に成形金属プレート２の長手方向ＬＲに流れる。成形金属プレート２の幅は、Ｂ２で表され、成形金属プレート２の高さは、Ｈ２で表されている。成形領域４は、幅Ｂ４および高さＨ４を有する。
【0022】
接続領域３の内部には、媒体の貫通を可能にする開口部６と、円形の開口部６と比較してより小さい穴５と、があり、穴５を通して図示されていないクランプアンカを挿入することによって、多数の電解プレート１をスタックの内部で機械的に相互接続することができる。
【0023】
成形領域４には、型押しパターン８の形態の形状加工が形成されている。型押しパターン８として形成された形状加工は、一方では流体技術上の機能を有し、他方では平坦な金属プレートと比較して電解プレート１の機械的安定性を高める。型押しパターン８は、行７および列９を形成する個別の型押し要素１０、２４の形態である。その場合、各行７は、成形領域４の長手方向ＬＲに対して横向きに配置され、それに対して、列９は、長手方向ＬＲに整列されている。成形領域４を通って流れる気体媒体または液体媒体は、実質的に長手方向ＬＲに流れる。図２および図４では、長手方向ＬＲは、ｘ方向と一致する。
【0024】
型押し要素１０、２４は、液滴形状に形成されており、流動性媒体が、型押しパターン８によって形成されているアクティブフィールド内で優勢に積層して流れ、かつキャビテーションを発生させることなく流れることに大いに貢献する。成形金属プレート２上に載っている気体拡散コーティングは、１１で示されている。
【0025】
各型押し要素１０、２４の長手方向ＬＲへの伸長は、Ｂ１０で表されている。これに対して横方向には、型押し要素１０、２４の伸長Ｈ１０が付与されている。型押し要素１０、２４の型押し深さは、突出型押し要素１０であるか、陥凹型押し要素２４であるかに関係なく、Ｈ８で表される。型押し深さＨ８は、成形金属プレート２の金属プレート厚さｄの少なくとも３倍であり、金属プレート厚さｄは、金属プレート２の１４で示された平坦な領域内で測定する必要がある。
【0026】
型押し要素１０、２４は、液滴形状とも称される流線形を有する。各型押し要素１０、２４の先端は、１２で示され、型押し要素１０、２４の後端部は、１３で示されている。先端１２から発する、型押し要素１０、２４の前部領域２１は、端部１３まで延在する後部領域２２内に延在する。１７で示された最大型押し深さの点は、前部領域２１と後部領域２２との間の境界にある。実施形態によっては、比較的伸びた領域にわたって画一的な型押し深さが付与されていてもよいため、概して、最大型押し深さの領域１７という言い方がされる。前部領域２１の長さは、Ｌ２１で示され、領域２２の長さは、Ｌ２２で示されている。領域２１、２２の長さＬ２１、Ｌ２２の合計は、型押し要素１０、２４の伸長Ｂ１０と一致する。先端１２と点状の領域１７との間で測定される前部領域２１の長さＬ２１は、長手方向ＬＲの型押し要素１０、２４の合計伸長Ｂ１０の３０～４５％である。
【0027】
先端１２からは、少なくとも部分的に放物線形であるか、または放物線の形態に近似した前部輪郭１８が発する。型押し要素１０、２４の外側輪郭の部分である、後部領域２２内にある側部１９は、端部１３に向かって湾曲した後部輪郭２０に合流する。後部輪郭２０の各点で有限の曲率半径が与えられ、型押し要素１０、２４が先端で途切れることが、あらゆる場合に回避される。
【0028】
型押し要素１０、２４の行－列の配置によって、行７間の重なり領域１５と、列９間の重なり領域１６と、が付与される。重なり領域１５の幅は、Ｕ１５で表され、重なり領域１６の幅は、Ｕ１６で表される。図１～図７に記載の実施例では、すべての型押し要素１０が等しく整列されている。
【0029】
図８に記載の実施例は、最初の列９の型押し要素１０が第１の方向に整列され、次の列９の型押し要素１０がその反対方向に整列されていることによって、図１～図７に記載の実施例と区別される。それによって、互い違いに整列された型押し要素１０が、隣接配置された列９内にある。型押し要素１０のこの整列には、成形領域４の特に大きな部分が型押し要素１０によって満たされ得る、すなわち、型押しパターン８の内部の平坦な領域１４が最小限に抑えられているという利点がある。これは特に、成形金属プレート２の機械的安定性に役立ち、同時に、好都合な流体技術上の特性が提供され、電解プレート１の全表面が最大化されており、これがまた、電気的特性に関する利点である。
【0030】
図９に記載の実施例では、全体として型押し要素１０が列ごとに互い違いに傾斜位置となるパターン２３が形成されているように、すべての型押し要素１０が長手方向ＬＲに対して傾斜している。この形態の利点は、特に、気体拡散コーティングに対して特別に大きな接触面が占めていることにある。
【0031】
図１０に記載の実施例は、行７が互い違いにあることによって、図１に記載の実施例とは異なり、その行７内では型押し要素１０が突出部として形成されているが、次の行７では、型押し要素２４がくぼみである。平坦な領域１４から正反対の方向に突出する型押し要素１０、２４の形態は、同一である。図１０の場合でも、隣接した行７間にも、隣接した列９間にも重なりが付与されている。
【符号の説明】
【0032】
１ 電解プレート
２ 成形金属プレート
３ 接続領域
４ 成形領域
５ 穴
６ 開口部
７ 行
８ 型押しパターン
９ 列
１０ 型押し要素、突出部
１１ 気体拡散コーティング
１２ 型押し要素の先端
１３ 型押し要素の後端
１４ 成形金属プレートの平坦な領域
１５ 行間の重なり領域
１６ 列間の重なり領域
１７ 最大型押し深さの領域
１８ 放物線形の前部輪郭
１９ 側部
２０ 湾曲した後部輪郭
２１ 前部領域
２２ 後部領域
２３ 型押し要素が傾斜位置にあるパターン
２４ 型押し要素、くぼみ
Ｂ２ 成形金属プレートの幅
Ｂ４ 成形領域の幅
Ｂ１０ 型押し要素の長手方向への伸長
ｄ 金属プレート厚さ
Ｈ２ 成形金属プレートの高さ
Ｈ４ 成形領域の高さ
Ｈ８ 型押しパターンの型押し深さ
Ｈ１０ 型押し要素の横方向への伸長
Ｌ２１ 前部領域の長さ
Ｌ２２ 後部領域の長さ
ＬＲ 長手方向
Ｕ１５ 行間の重なり領域の幅
Ｕ１６ 列間の重なり領域の幅
２ 成形金属プレート
３ 接続領域
４ 成形領域
５ 穴
６ 開口部
７ 行
８ 型押しパターン
９ 列
１０ 型押し要素、突出部
１１ 気体拡散コーティング
１２ 型押し要素の先端
１３ 型押し要素の後端
１４ 成形金属プレートの平坦な領域
１５ 行間の重なり領域
１６ 列間の重なり領域
１７ 最大型押し深さの領域
１８ 放物線形の前部輪郭
１９ 側部
２０ 湾曲した後部輪郭
２１ 前部領域
２２ 後部領域
２３ 型押し要素が傾斜位置にあるパターン
２４ 型押し要素、くぼみ
Ｂ２ 成形金属プレートの幅
Ｂ４ 成形領域の幅
Ｂ１０ 型押し要素の長手方向への伸長
ｄ 金属プレート厚さ
Ｈ２ 成形金属プレートの高さ
Ｈ４ 成形領域の高さ
Ｈ８ 型押しパターンの型押し深さ
Ｈ１０ 型押し要素の横方向への伸長
Ｌ２１ 前部領域の長さ
Ｌ２２ 後部領域の長さ
ＬＲ 長手方向
Ｕ１５ 行間の重なり領域の幅
Ｕ１６ 列間の重なり領域の幅
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【国際調査報告】