[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

EP4141145A1 - Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und korrosionsfeste beschichtung - Google Patents

Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und korrosionsfeste beschichtung Download PDF

Info

Publication number
EP4141145A1
EP4141145A1 EP21192595.3A EP21192595A EP4141145A1 EP 4141145 A1 EP4141145 A1 EP 4141145A1 EP 21192595 A EP21192595 A EP 21192595A EP 4141145 A1 EP4141145 A1 EP 4141145A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
corrosion
cell
layer
resistant coating
electrolytic cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21192595.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andre KLINGER
Yashar Musayev
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority to EP21192595.3A priority Critical patent/EP4141145A1/de
Priority to PCT/EP2022/065575 priority patent/WO2023025426A1/de
Priority to EP22734895.0A priority patent/EP4370728A1/de
Priority to CN202280057070.3A priority patent/CN117858979A/zh
Priority to CA3229870A priority patent/CA3229870A1/en
Priority to US18/685,245 priority patent/US20240352601A1/en
Publication of EP4141145A1 publication Critical patent/EP4141145A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/069—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of at least one single element and at least one compound; consisting of two or more compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C25B11/031—Porous electrodes
    • C25B11/032—Gas diffusion electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/036—Bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C25B13/08—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on organic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms

Definitions

  • the invention relates to an electrolytic cell for polymer electrolyte membrane electrolysis, a corrosion-resistant coating and its use.
  • PEM electrolysis polymer electrolyte membrane electrolysis
  • the two partial reactions according to equations (I) and (II) are carried out spatially separately from one another in a respective half-cell for OER and HER.
  • the reaction spaces are separated by means of a proton-conducting membrane, the polymer electrolyte membrane (PEM), also known as the proton exchange membrane.
  • PEM ensures extensive separation of the product gases hydrogen and oxygen, the electrical insulation of the electrodes and the conduction of the hydrogen ions as positively charged particles.
  • a PEM electrolytic plant typically comprises a plurality of PEM electrolytic cells, such as in FIG EP 3 489 394 A1 described.
  • a PEM electrolytic cell is for example in EP 2 957 659 A1 described.
  • the PEM electrolytic cell shown there comprises an electrolyte made of a proton-conducting membrane (proton exchange membrane, PEM), on which the electrodes, a cathode and an anode, are located on both sides.
  • PEM proton-conducting membrane
  • the assembly of membrane and electrodes is referred to as a membrane-electrode assembly (MEA).
  • MEA membrane-electrode assembly
  • a gas diffusion layer lies against each of the electrodes.
  • the gas diffusion layers are contacted by so-called bipolar plates.
  • a respective bipolar plate forms a channel structure that is designed for the media transport of the reactant and product streams involved.
  • the bipolar plates separate the individual electrolysis cells, which are stacked to form an electrolysis stack with a large number of electrolysis cells.
  • the PEM electrolytic cell is fed with water as a starting material, which is electrochemically broken down at the anode into oxygen product gas and protons H + .
  • the protons H + migrate through the electrolyte membrane towards the cathode. On the cathode side they recombine to hydrogen product gas H 2 .
  • a PEM electrolytic cell is also described in Kumar, S, et al., Hydrogen production by PEM water electrolysis - A review, Materials Science for Energy Technologies, 2 (3) 2019, 442-454. https://doi.org/10.1016/j.mset.2019.03.002 . Viewed from the outside in, the PEM electrolytic cell consists of two bipolar plates, gas diffusion layers, catalyst layers and the proton-conducting membrane.
  • the cathodic potential is less oxidative, so that the gas diffusion layers can be made of stainless steel there, for example.
  • these corrode due to the acidic environment of the PEM electrolysis. This corrosion process is called acid corrosion.
  • the presence of elementary oxygen is not necessary here, as this is provided by the dissociation of the surrounding water alone.
  • the metal ions at the interface of the metal surface are oxidized by the hydroxide anion to form the respective hydroxide salt. This leads to degradation of the cell, which manifests itself in increased internal resistance and in foreign ions entering the PEM.
  • a further object of the invention is to specify a corrosion-resistant coating which satisfies these special requirements when operating an electrolytic cell.
  • a first aspect of the invention relates to an electrolytic cell for polymer electrolyte membrane electrolysis with a cathodic half-cell and with an anodic half-cell, the cathodic half-cell and the anodic half-cell being separated from one another by a polymer-electrolyte membrane.
  • the anodic half-cell has a channel structure comprising a base body made of a metallic base material, with a corrosion-resistant coating being applied to the base body.
  • the polymer electrolyte membrane can be formed, for example, from a tetrafluoroethylene-based polymer with sulfonated side groups.
  • the cathodic half-cell forms the reaction space in which the cathode reaction(s), e.g. B. run according to equation (II).
  • the anodic half-cell forms the reaction space in which the anode reaction(s), e.g. B. run according to equation (I).
  • the invention is based on the finding that in an electrolytic cell, in particular on the side of the anodic half-cell, only inadequate solutions have been proposed to avoid or reduce technical problems and limitations due to corrosion-related degradation effects, which do not address the cause itself.
  • metallic components and parts of the anode ie components and parts on the oxygen side
  • oxidative attack which jeopardizes long-term reliable and efficient operation.
  • high-quality metallic materials such as titanium and stainless steel of category 1.4404 or 1.4571 are used, but these materials also form oxides due to massive exposure to oxygen. Corrosion stability is insufficient.
  • the invention addresses the problems described in an advantageous manner in that the channel structure of the anodic half-cell has a corrosion-resistant coating.
  • the corrosion-resistant coating of the channel structure is applied to the metallic base material as a protective layer.
  • the channel structure has a base body of suitable geometry made from a metallic base material, for example titanium or stainless steel, to which the corrosion-resistant coating is applied.
  • the corrosion-resistant coating itself is designed to be electrically conductive, so that electrical contact with simultaneous mass transport for educts and products in the anodic half-cell is still guaranteed.
  • the causes of the various corrosion phenomena in the channel structure can be counteracted for the first time, so that the anodic half-cell can withstand the oxidative environment for longer during water electrolysis.
  • the corrosion-resistant coating is preferably applied to the channel structure, either as a full-surface, closed and corrosion-resistant protective layer or adapted to the local environment with at least one area-specific coating of the surface of the metallic base body at the points particularly at risk of oxidation.
  • the channel structure can also include the adjoining gas diffusion layer or functional parts of the gas diffusion layer, which in any case also enable media transport in the half-cell and delimit the channel wall of the channel structure for this purpose.
  • the corrosion-resistant coating can be applied as required and flexibly to the surface of several functionally interacting components that form the channel structure in the anodic half-cell.
  • other components for which a functional formation of a channel structure of the anodic half-cell from a metallic base material is significant are, such as nonwovens, expanded metal and gas diffusion layers that have a corrosion-resistant coating.
  • the term channel structure is therefore to be understood comprehensively and functionally for the invention.
  • the channel structure therefore includes not only the configuration or realization in the form of a bipolar plate made of a metallic base body, but also other components with a base body made of a metallic base material, depending on the structure of the electrolytic cell, which form the channel structure.
  • the channel structure can therefore generally be formed by the interaction of several components, for example by an interaction of the bipolar plate and a gas diffusion layer arranged immediately adjacent, so that a fluid channel is formed for the transport of the educt and product streams.
  • the corrosion-resistant coating has a coating material with a high oxidation potential.
  • Noble metals or noble metal alloys which are largely resistant to oxygen corrosion, generally have a high oxidation potential. These coating materials can exist in the environment of the high oxygen concentration in the channel structure of the anodic half-cell and are in principle suitable for the corrosion-resistant protective layer.
  • a closed, corrosion-resistant layer on the metallic base body is preferable here in order to shield the anodic oxygen concentration and corresponding oxidative attacks on the metallic base material.
  • the redox potential can serve as a measure of the readiness of the ions to accept the electrons.
  • the ions of noble metals accept electrons more readily than the ions of base metals, which is why the redox potential of the Cu/Cu 2+ pair is significantly more positive at +0.35 V than that of des Zn/Zn 2+ pair with -0.76 V.
  • Zn is one of the baser metals and is a stronger reducing agent, i.e. its reactant is reduced and itself oxidized and emits electrons. This can be adjusted under cost-benefit considerations, process management for the coating process and the achievable quality of the corrosion-resistant coating.
  • the corrosion-resistant coating has iridium and/or iridium carbide as a component.
  • iridium or iridium carbide or alternatively both iridium and iridium carbide can be present together as components in the coating material in the coating material.
  • iridium or iridium carbide are particularly suitable as corrosion protection in an electrolytic cell.
  • Other components in the coating material are not excluded here, so that the material requirement for expensive iridium can be limited to a functionally small amount required in the corrosion-resistant coating for a corrosion protection effect to be achieved. The proportion required for the effect can be set accordingly depending on the requirement. It is therefore generally provided that, in addition to iridium and/or iridium carbide, further components are present in the corrosion-resistant coating.
  • the corrosion-resistant coating preferably has a binary and/or ternary compound containing titanium as a component.
  • a mixture of binary and ternary titanium compounds can also be flexibly used here. It is therefore preferably provided that the corrosion-resistant coating contains a mixture of binary and ternary titanium compounds and proportions of iridium and/or iridium carbide.
  • the coating system can then be present, for example, in a mixed phase or as a mixed crystal with the appropriate number of components.
  • a mixed phase is a homogeneous phase consisting of two or more substances.
  • Solid mixed phases are also referred to as solid solutions or mixed crystals.
  • the proportions of the individual components of a mixed phase can be specified as partial variables using the mole fraction x.
  • the amount of substance can advantageously be adjusted via the thickness of the corrosion-resistant coating in order to adapt the anti-corrosion effect and to optimize the use of materials.
  • the binary compound includes titanium niobium (TiNb) and the ternary compound includes titanium niobium nitride (TiNbN).
  • TiNb titanium niobium
  • TiNbN titanium niobium nitride
  • a coating system is advantageously created for corrosion protection that allows various adjustments and allows different configurations in terms of proportions and number of layers and applications in the coating of components and surface areas of the electrolytic cell that are particularly susceptible to oxidation, such as the bipolar plate, the gas diffusion layer, nonwovens and in gas diffusion layers and in general for the channel structure designed for mass transport and electrical contacting.
  • the corrosion-resistant coating has a layer thickness of approximately 0.02 to 0.5 microns, in particular approximately 0.08 to 0.3 microns.
  • the layer thickness and layer composition can be selected and adjusted.
  • the components at risk of corrosion and areas with metallic base material can be provided with the coating.
  • several components can have the corrosion-resistant coating with a respective layer thickness, in particular the components forming the channel structure of the anodic half-cell, such as bipolar plates, gas diffusion layers, fleece and expanded metal.
  • the layer thickness range is preferably 0.02 - 0.5 microns and can be adjusted by the selected coating process.
  • the corrosion-resistant coating is implemented in one layer, in multiple layers or in graded layers.
  • the corrosion-resistant coating can therefore be applied as a homogeneous single-layer layer on the substrate, ie, for example, on the metallic base material of the channel structure.
  • the selected layer components are present in the titanium-niobium, titanium-niobium-nitride system with the iridium and any other additives in a homogeneous mixed phase.
  • the corrosion-resistant coating it is also possible for the corrosion-resistant coating to be designed as a graded multi-layer coating, as a graded single-layer coating with a continuous gradient in the chemical composition of the layer, or as a graded multi-layer coating with a continuous gradient in the chemical composition of the layer.
  • the configuration as a nanostructured layer system for the corrosion-resistant coating is also conceivable.
  • Coating processes such as physical vapor deposition (PVD) or plasma-assisted chemical vapor deposition (PACVD) or general coating processes of physical thin-film technology are preferably used for applying the corrosion-resistant coating to the metallic base material of the component.
  • PVD physical vapor deposition
  • PVD plasma-assisted chemical vapor deposition
  • general coating processes of physical thin-film technology are preferably used for applying the corrosion-resistant coating to the metallic base material of the component.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • PECVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • PACVD plasma-assisted chemical vapor deposition
  • the plasma-enhanced chemical vapor deposition PECVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the plasma can burn directly at the substrate to be coated (direct plasma method) or in a separate chamber (remote plasma method).
  • TiNbN coatings can be applied by using these processes.
  • titanium or niobium atoms are released from the target by the energy input of an arc into the target, these are ionized and accelerated by the applied voltage in the direction of the substrate, i.e. the base body made of the metallic base material.
  • the titanium or niobium atoms then combine with the introduced nitrogen atoms to form the desired TiNbN layer. The entry of further components into the coating or layer takes place accordingly.
  • the base material is stainless steel or titanium.
  • titanium can be chosen for the gas diffusion layer and stainless steel for the bipolar plate.
  • the channel structure formed on the anodic half-cell is electrically conductive on the one hand and on the other hand for mass transport during electrolysis with a equipped with effective corrosion protection.
  • the choice of substrate and coating material also enables good process control in the respectively selected coating process and good layer adhesion of the corrosion-resistant coating and thus layer quality, which increases the service life due to the high adhesive strength of the titanium-based coating.
  • a desired layer surface with low surface roughness of, for example, an arithmetic mean roughness value of R a ⁇ 0.05 microns can be achieved, which is of great advantage for good and, above all, uniform electrical contacting in an electrolytic cell. Furthermore, a high level of adhesion of the corrosion-resistant coating and mechanical wear resistance can be achieved.
  • a layer or coating can be understood to mean a flat structure whose dimensions in the plane of the layer, length and width, are significantly larger than the dimension in the third dimension, which characterizes the layer thickness.
  • material in layers for example a corrosion-resistant coating material or other materials, makes it possible in a particularly simple manner to implement a predeterminable distribution of the materials in the anodic half-cell. In addition, the handling of the materials can be facilitated.
  • the gas diffusion layer which is formed from a base body made of a base material, to which a corrosion-resistant coating is applied over the entire surface.
  • the base body with the base material forms a first layer
  • the corrosion-resistant coating forms a second layer of the gas diffusion layer.
  • the second layer can in turn be a layer system with several layers.
  • the other components of the electrolytic cell such as the bipolar plate or all other components forming a channel structure, to which a corrosion-resistant coating is applied.
  • a further aspect of the invention relates to the use of an electrolytic cell for the electrolytic production of hydrogen.
  • a further aspect of the invention relates to a corrosion-resistant coating for application as a protective layer on a metallic component of an electrolytic cell, comprising the components titanium niobium and titanium niobium nitride (TiNbN) and iridium carbide and/or iridium.
  • One of the above-described electrolytic cells for polymer electrolyte membrane electrolysis can be coated with the corrosion-resistant coating according to the invention, or the corrosion-resistant coating is applied to components of an electrolytic cell that are particularly susceptible to corrosion on their base body made of a metallic base material.
  • the corrosion-resistant coating is therefore preferably used on the anodic half-cell to counteract the predominant oxygen-induced corrosion there.
  • the corrosion-resistant coating reference is made to the above explanations and the advantages of these electrolytic cells.
  • the corrosion-resistant coating has titanium niobium and titanium niobium nitride and an admixture of iridium and/or iridium carbide as basic components.
  • the admixture limits the use of expensive iridium material or, compared to a monolayer, one made of an iridium-based protective layer, without impairing the corrosion protection.
  • the corrosion-resistant coating is designed as a homogeneous single-layer coat, a graded single-layer coat or a graded multi-layer coat.
  • the corrosion-resistant coating can therefore be designed as a homogeneous single layer layer.
  • the selected layer components in the system titanium-niobium, titanium-niobium-nitride with iridium and any other additives are present in a homogeneous mixed phase, which preferably forms a closed, corrosion-resistant protective layer or a coating on the base body. This is a particularly cost-effective form of corrosion protection in the oxidative environment.
  • the corrosion-resistant coating it is also possible for the corrosion-resistant coating to be in the form of a graded single-layer coating with a continuous gradient in the chemical composition of the layer or as a graded multi-layer coating with a continuous gradient in the chemical composition of the layer.
  • the configuration as a nanostructured layer system for the corrosion-resistant coating is also conceivable.
  • the corrosion-resistant coating is preferably designed as a multilayer coating with iridium carbide and/or iridium as a component of the top layer.
  • a material saving can advantageously be achieved for the use of expensive iridium and iridium carbide. It is essentially sufficient to provide iridium and/or iridium oxide as components in a sufficient concentration in the top layer of a multilayer coating that is directly exposed to the oxidative environment. Preferably these are the essential components of the top layer, or it is possible for the top layer to comprise essentially iridium or iridium oxide as the main component.
  • cover layer which have further materials such as titanium niobium and titanium niobium nitride, optionally with proportions of iridium and/or iridium oxide as an admixture or in a correspondingly set concentration gradient, preferably decreasing in the direction of the substrate or base body .
  • further materials such as titanium niobium and titanium niobium nitride, optionally with proportions of iridium and/or iridium oxide as an admixture or in a correspondingly set concentration gradient, preferably decreasing in the direction of the substrate or base body .
  • Iridium and/or iridium carbide is preferably used as part of a corrosion-resistant coating of a metallic component of an electrolytic cell.
  • titanium niobium and/or titanium niobium nitride is used as a further component of the corrosion-resistant coating.
  • a particularly preferred use of the corrosion-resistant coating is in a channel structure or in a gas diffusion layer that is used as metallic components of an electrolytic cell, in particular in an anodic half-cell.
  • the channel structure is preferably formed by the immediately adjacent arrangement of a bipolar plate with the fluid-permeable gas diffusion layer. Due to the required electrical conductivity, both the bipolar plate and the gas diffusion layer form metallic components or components of the electrolytic cell and at the same time form the flow channel for the transport of the fluids, i.e. the reactant flow and product flow are guided through the channel structure.
  • the surfaces of the channel structure that delimit the channel structure and that are exposed to the oxygen during operation and are exposed to corrosive attack are provided with the corrosion-resistant coating.
  • the gas diffusion layer of the anodic half-cell has a porous material to ensure adequate gas permeability.
  • the gas diffusion layer can, for example made of titanium as the base material with a porous base body, such as a titanium-based expanded metal or wire mesh, and provided with the corrosion-resistant coating.
  • the corrosion-resistant coating according to the invention as a protective layer on the metallic base body of the gas diffusion layer.
  • the corrosion-resistant coating can be used as corrosion protection on other components of the anodic half-cell with a metallic base body, in particular titanium or stainless steel.
  • the coating concept of the invention also means that the local electrical contacts are significantly improved and the current density over the cell area is therefore more homogeneous.
  • the anodic half-cell preferably has a gas diffusion layer formed from titanium as the base material.
  • a configuration as a fine-meshed titanium material as the base material for the gas diffusion layer for example titanium nonwovens, titanium foams, titanium fabrics, titanium-based expanded gratings or combinations thereof.
  • the local contact points to the electrode are also increased and the electrical resistance in the contact area is particularly uniform.
  • the term “grid” designates a fine-meshed network.
  • the carrier materials mentioned are characterized by high corrosion resistance.
  • the terms "grid” and “fabric” describe a directional structure, the term “fleece” a non-directional structure.
  • a channel structure can preferably be arranged adjacent, in particular directly adjacent, to the gas diffusion layer or a channel structure is functional due to the adjacent arrangement of gas diffusion layer and a component, in particular a bipolar plate.
  • the channel structure is used to collect and discharge the gaseous reaction product of the electrolysis in the anodic half-cell, ie z.
  • the channel structure can, for example, comprise a bipolar plate or be designed as such. Bipolar plates allow several electrolytic cells to be stacked to form an electrolytic cell module by electrically conductively connecting the anode of one electrolytic cell to the cathode of an adjacent electrolytic cell. In addition, the bipolar plate enables gas separation between adjacent electrolytic cells.
  • FIG 1 shows an electrolytic cell 1 for polymer electrolyte membrane electrolysis according to the prior art in a schematic representation.
  • the electrolytic cell 1 is used for the electrolytic generation of hydrogen.
  • the electrolytic cell 1 has a polymer electrolyte membrane 3 .
  • the cathodic half-cell 5 of the electrolytic cell 1 is arranged on the other side of the polymer electrolyte membrane 3, in the illustration according to figure 1 , right, the anodic half-cell 7 of the electrolytic cell 1 is arranged.
  • the anodic half cell 7 comprises an anodic catalyst layer 9 arranged directly adjacent to the polymer electrolyte membrane 3, a gas diffusion layer 11a arranged directly adjacent to the anodic catalyst layer 9 and a bipolar plate 21a arranged directly adjacent to the gas diffusion layer 11a, so that a channel structure 13a is formed for fluid transport is.
  • the anodic catalyst layer 9 has an anodic catalyst material 15 and catalyzes the anode reaction according to equation (I).
  • Iridium or iridium oxide is selected as the catalytically active species as the anodic catalyst material 15 and is introduced into the anodic catalyst layer 9 .
  • Iridium or iridium oxide have a high oxidation and solution stability and are therefore well suited to be used as anodic catalyst material 9 .
  • the gas diffusion layer 11a is made of a material on the surface of which a passivation layer is readily formed, e.g. B. made of titanium. Titanium dioxide is formed as a result of the passivation of the titanium, although this has a lower electrical conductivity than titanium.
  • the channel structure 13a is formed by the bipolar plate 21a, so that a stacking of several electrolytic cells 1 is made possible.
  • the cathodic half cell 5 comprises a cathodic catalyst layer 17 with a cathodic catalyst material 19 which is arranged directly adjacent to the polymer electrolyte membrane 3 .
  • the cathodic catalyst material 19 is designed to catalyze a reduction of hydrogen ions (protons), in particular according to equation (II) to form molecular hydrogen.
  • a gas diffusion layer 11b is also arranged on the cathodic catalyst layer 19 .
  • the gas diffusion layer 11b of the cathodic half-cell 5 is made of stainless steel. This is possible due to the lower oxidation potential in the cathodic half-cell 5 compared to the anodic half-cell 7 and reduces the costs of the electrolytic cell 1.
  • a channel structure 13b is also arranged immediately adjacent to the gas diffusion layer 11b, which, analogously to the anodic half-cell 7, is designed as a bipolar plate 21b is.
  • the gas diffusion layers 11a, 11b in cooperation with the respective bipolar plates 21a, 21b arranged immediately adjacent, functionally form a respective channel structure 13a, 13b, ie a fluid-tight flow channel for the mass transport of the reactants and the products during the electrolysis.
  • a disadvantage of this electrolytic cell 1 known from the prior art, as explained at the outset, is generally the susceptibility to corrosion of the materials. Especially in the anodic half-cell 7 there are significant degradation effects which have a very disadvantageous effect on the service life of the electrolytic cell 1 .
  • anodic half-cell 7 To eliminate the disadvantages of the anodic half-cell 7, it is proposed to provide the channel structure 13a in the anodic half-cell 7 with a corrosion-resistant coating 29, so that the disadvantageous and ongoing oxidative attack during operation is inhibited or at best even largely prevented.
  • Such an advantageously modified and further developed electrolytic cell 1 is exemplified in FIG 2 shown schematically, but in a opposite FIG 1 greater detailing of the essential components.
  • the anodic half-cell 7 of the in FIG 2 shown embodiment of an electrolytic cell 1 is analogous to the electrolytic cell 1 according to the basic structure FIG 1 composed, so that reference can be made to the relevant statements.
  • the anodic half-cell 7 has, also in analogy to the electrolytic cell according to FIG 1 , a gas diffusion layer 11a and a bipolar plate 21a.
  • the gas diffusion layer 11a has a base body 23 made of a metallic base material 27, which is titanium in the present case.
  • the gas diffusion layer 11a is in this case designed as a titanium-based expanded metal, so that fluid transport is made possible.
  • the bipolar plate 21a has a base body 23 made of a metallic base material 25, which is stainless steel in the present case. A large number of grooves or channels are milled into the base body 23 of the bipolar plate 21a in order to promote fluid transport and at the same time uniform electrical contacting and voltage supply of the anodic half-cell 7.
  • the gas diffusion layer 11a and the bipolar plate 21a are configured and arranged adjacent to one another in such a way that a channel structure 13a is formed, which comprises the metallic base body 23 made of the metallic base material 25, 27.
  • the channel structure 13a of the anodic half-cell 7 is designed for effective protection against corrosion.
  • the channel structure 13a has a corrosion-resistant coating 29 made of a coating material 31 .
  • the coating material 31 is selected in such a way that it has a high oxidation potential and is electrically conductive at the same time.
  • the coating material 31 has a binary and a ternary titanium compound, in this case titanium niobium (TiNb) and titanium niobium nitride in a mixed phase, with iridium and/or iridium carbide being added to the mixed phase as further components in a flexibly adjustable amount.
  • TiNb titanium niobium
  • TiNb titanium niobium
  • iridium and/or iridium carbide being added to the mixed phase as further components in a flexibly adjustable amount.
  • the need for iridium required can be limited to a minimum or significantly reduced compared to an iridium layer or iridium carbide layer.
  • the interaction of the binary and ternary titanium components in the coating material 31 achieves effective and long-term stable corrosion protection and promotes good layer adhesion on the metallic base material 25, 27.
  • the corrosion-resistant coating 29 is applied to the base body 23 over the entire surface of the bipolar plate 21a in the form of a closed protective layer.
  • the coating measure can also be locally limited to the particularly critical surface areas of the bipolar plate 21a with regard to oxidation.
  • the gas diffusion layer 11a is also provided with the corrosion-resistant coating 31 over its entire surface, at least on its side facing the bipolar plate 21a, so that a closed and effective corrosion protection is applied overall to the channel structure 13a. It is of great advantage that essentially the same coating material 31 with regard to the components can be used for the corrosion-resistant coating 31 for the gas diffusion layer 11a as well as for the bipolar plate 21a. However, adjustments with regard to the specific composition, such as the concentration of the respective component of the coating material 31 in the mixed phase, are possible and sensible. Furthermore, adaptations can be made with a view to the specific layer structure of the corrosion-resistant coating 29, taking into account the respective component, its geometry and the oxidative environment, in particular with regard to the selection of the surface areas of the metallic base body 23 of the component to be coated.
  • the gas diffusion layer 11a for a functional formation of a channel structure 13a of the anodic half-cell made of a titanium base material is typically formed from a porous structure with a relatively large surface, for example from a fleece, an expanded metal and/or from several layered gas diffusion layers or combinations thereof.
  • a porous structure with a large surface of the gas diffusion layer 11a is then preferably provided over the entire surface with a closed protective layer of coating material 31 containing iridium and/or iridium carbide. Consequently, the corrosion-resistant coating 29 is also on components or parts with very complex surface structures 29 applied in order to achieve the most complete possible protection against corrosion. This then also influences the use of the coating process.
  • the corrosion-resistant coating 31 is optionally applied using methods of physical thin-film technology, preferably coating methods such as physical vapor deposition (PVD) or plasma-assisted chemical vapor deposition.
  • PVD physical vapor deposition
  • the corrosion-resistant coating 29 can be used flexibly for different components of an electrolytic cell 1, typically fleece, bipolar plates or gas diffusion layers. Depending on the respective component, the layer thickness range is set at 0.02-0.5 microns, for example also between 0.08 and 0.3 microns.
  • the metallic base material 25 of the bipolar plate 21a is a high-grade steel, for example material number 1.4404 or 1.4571, and the metallic base material 27 of the gas diffusion layer 11b is titanium.
  • a schematic representation of a corrosion-resistant coating 29 is shown in an embodiment as a homogeneous single layer layer.
  • the base body 23 forms the substrate made of a metallic base material 25, here a high-grade steel.
  • a corrosion-resistant coating 29 is applied to the base body 23 in a single layer 37a—as a so-called monolayer—with a layer thickness D.
  • the coating material 31 is present in a homogeneous mixed phase and has iridium as a layer component in a mixture with other components comprising titanium niobium and titanium niobium nitride.
  • the concentrations of the components in the homogeneous single-layer layer are approximately constant over the layer thickness D.
  • FIG 4 shows FIG 4 an alternative embodiment of the corrosion-resistant coating 29 as a graded single layer layer.
  • the graded single-layer layer is applied as a monolayer in a single layer 37a to the metallic base body 23 made of titanium 27 as the substrate. Due to the grading, the concentration of the components of the layer material changes in a targeted manner over the layer thickness D, so that a concentration gradient is formed.
  • the concentration of iridium or optionally also iridium carbide in layer 37a increases towards the surface.
  • the concentration of iridium or iridium carbide on the surface of the corrosion-resistant coating 29 can be up to 100%, so that a closed protective layer of iridium or iridium carbide is formed on the surface.
  • the concentration of titanium niobium and titanium niobium nitride decreases towards the surface accordingly.
  • concentration of iridium or iridium carbide at the interface between the monolayer 37a and the substrate is negligibly small or equal to zero.
  • a corrosion-resistant coating 29 is shown, which is designed as a multilayer coating comprising two layered monolayers 37a, 37b. It has a first layer 37a, which is applied to the substrate, and a second layer 37b, the second layer being applied to the first layer.
  • the substrate is formed from a metallic base body 23 with a metallic base material 27, in this case titanium.
  • the second layer 37b forms the cover layer 33 and thus the surface of the corrosion-resistant coating 29.
  • the first layer is designed as a thin homogeneous monolayer with iridium or iridium carbide as the essential coating material 31. Admixtures of titanium niobium and/or titanium niobium nitride are possible.
  • the first layer 37a forms an intermediate layer 35 between the base body 23 made of titanium and the cover layer 33.
  • the intermediate layer 35 promotes adhesion and ensures good adhesion and permanent connection of the corrosion-resistant coating 29 on the base body 23, which is formed by the binary and/or ternary titanium-based layer material 31 in the intermediate layer is favoured. It is also possible that according to the embodiment in FIG 4 both layers 37a, 37b or one of the layers 37a, 37b is designed as a graded monolayer.
  • a corrosion-resistant coating 29 designed as a complex multi-layer system.
  • This layer system is applied to the base body 23 from a metallic base material 35, in this case a stainless steel substrate.
  • the three stacked layers 37a, 37b, 37c form an intermediate layer 35 to which layer 37d is applied as cover layer 33.
  • the coating is a graded multilayer coating of layer thickness D, so that at least within the layers 27a, 37b, 37c forming the intermediate layer 35, the concentration of the components titanium niobium, titanium niobium nitride and iridium and/or iridium carbide in the Growth direction of the layers 37a to 37d varies and is specifically set with regard to the requirements for corrosion protection.
  • the cover layer 33 is designed as a homogeneous single-layer layer in the layer 37d with a high proportion of iridium and/or iridium carbide of up to 100%. However, it is also possible for the cover layer 33 to be designed as a graded single layer, or for individual layers 37a, 37b, 37c of the intermediate layer 35 to be designed as a homogeneous single layer.
  • the surface of the cover layer 33 is directly exposed to the corrosive attack due to the high oxygen concentration in an anodic half-cell 7
  • the corrosion-resistant coating 29 is particularly advantageous use for coating metallic components or functional parts of an electrolytic cell 1, preferably in the anodic half-cell 7.
  • use of the corrosion-resistant coating 29 is provided for a bipolar plate 13a or a gas diffusion layer 11a.
  • all components, parts or functional parts that form a channel structure 13a in the anodic half-cell 7 and whose surfaces are exposed to damaging, corrosive exposure to oxygen during operation are suitable for applying the corrosion-resistant coating 29 .
  • the term "and/or" when used in a set of two or more items means that each of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Abstract

Es wird eine Elektrolysezelle (1) zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse mit einer kathodischen Halbzelle (5) und einer anodischen Halbzelle (7) vorgeschlagen. Die kathodische Halbzelle (5) und die anodische Halbzelle (7) sind mittels einer Polymerelektrolytmembran (4) voneinander getrennt. Die anodische Halbzelle (7) weist eine Kanalstruktur (13a), umfassend einen Grundkörper (23) aus einem metallischen Grundmaterial (25, 27) auf, wobei auf den Grundkörper (23) eine korrosionsfeste Beschichtung (29) aufgebracht ist.
Weiterhin wird eine korrosionsfeste Beschichtung (29) zum Aufbringen als Schutzschicht auf ein metallisches Bauteil einer Elektrolysezelle (1) angegeben. Diese weist die Bestandteile Titan-Niob (TiNb) und Titan-Niob-Nitrid (TiNbN) sowie Iridiumcarbid (IrC) und/oder (Ir) auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse, eine korrosionsfeste Beschichtung sowie deren Verwendung.
  • Wasserstoff kann mittels Elektrolyse aus deionisiertem Wasser gewonnen werden. Dabei laufen die elektrochemischen Zellreaktionen der Wasserstoffbildungsreaktion (HER) und Sauerstoffbildungsreaktion (OER) ab. Im Fall der sauren Elektrolyse können die genannten Reaktionen an Anode und Kathode wie folgt definiert werden:
    • Anode

               2 H2O → 4 H+ + O2 + 4 e-     (I)

    • Kathode

               H+ + 2 e- → H2     (II)

  • Bei der sogenannten Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse) werden die zwei Teilreaktionen gemäß den Gleichungen (I) und (II) räumlich getrennt voneinander in einer jeweiligen Halbzelle für OER und HER durchgeführt. Die Trennung der Reaktionsräume erfolgt mittels einer protonenleitfähigen Membran, der Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), auch unter dem Begriff Protonenaustauschmembran bekannt. Die PEM sorgt für eine weitgehende Trennung der Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff, die elektrische Isolierung der Elektroden sowie die Leitung der Wasserstoffionen als positiv geladene Teilchen. Eine PEM-Elektrolyseanlage umfassend typischerweise eine Mehrzahl von PEM-Elektrolysezellen, wie etwa in der EP 3 489 394 A1 beschrieben.
  • Eine PEM-Elektrolysezelle ist beispielsweise in der EP 2 957 659 A1 beschrieben. Die dort gezeigte PEM-Elektrolysezelle umfasst einen Elektrolyten aus einer protonenleitenden Membran (Proton-Exchange-Membrane, PEM), auf welcher sich beidseitig die Elektroden, eine Kathode und eine Anode, befinden.
  • Die Einheit aus Membran und Elektroden wird als Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bezeichnet. An den Elektroden liegt jeweils eine Gasdiffusionsschicht an. Die Gasdiffusionsschichten werden von sogenannten Bipolarplatten kontaktiert. Eine jeweilige Bipolarplatte bildet eine Kanalstruktur, die für den Medientransport der beteiligten Edukt- und Produktströme ausgestaltet ist. Zugleich trennen die Bipolarplatten die einzelnen Elektrolysezellen voneinander, die zu einem Elektrolyse-Stack mit einer Vielzahl von Elektrolysezellen gestapelt sind. Die PEM-Elektrolysezelle wird mit Wasser als Edukt gespeist, welches an der Anode elektrochemisch in Sauerstoff-Produktgas und Protonen H+ zerlegt wird. Die Protonen H+ wandern durch die Elektrolytmembran in Richtung der Kathode. Auf der Kathodenseite rekombinieren sie zu Wasserstoff-Produktgas H2.
  • Die genannten Zellreaktionen gemäß den Gleichungen (I) und (II) befinden sich unter Berücksichtigung des Entropiezuwachses bei Wechsel des flüssigen Wassers zum gasförmigen Wasserstoff bzw. Sauerstoff bei einer Zellspannung von 1,48 V mit ihren Rückreaktionen im Gleichgewicht. Um entsprechend hohe Produktströme in angemessener Zeit (Produktionsleistung) und damit einen Stromfluss zu erreichen, ist eine höhere Spannung, die Überspannung, notwendig. Die PEM-Elektrolyse wird deshalb bei einer Zellspannung von ca. 1,8 - 2,1 V durchgeführt.
  • Eine PEM-Elektrolysezelle ist auch beschrieben in Kumar, S, et al., Hydrogen production by PEM water electrolysis - A review, Materials Science for Energy Technologies, 2 (3) 2019, 442-454. https://doi.org/10.1016/j.mset.2019.03.002 . Die PEM-Elektrolysezelle besteht von außen nach innen betrachtet, aus zwei Bipolarplatten, Gasdiffusionsschichten, Katalysatorschichten und der protonenleitfähigen Membran.
  • An der Anode ergeben sich auf Grund der Bildungsreaktion des Sauerstoffs hohe oxidative Potentiale, weshalb an der Anode im allgemeinen hochwertige Werkstoffe mit einer schnellen Passivierungskinetik, z. B. Titan, insbesondere für die Gasdiffusionsschicht eingesetzt werden. Hohe Anforderungen gelten aber auch für die Materialwahl des anodenseitigen Katalysatormaterials sowie für die Bipolarplatte, die an der Gasdiffusionsschicht anliegt und diese elektrisch kontaktiert. Hierdurch ist eine jeweilige Kanalstruktur gebildet für den Medientransport der Beteiligten Edukt- und Produktströme. Allerdings lassen sich aufgrund des hohen Sauerstoffanteils an der Anode selbst dadurch an der Anode die Degradationseffekte und Korrosion nicht gänzlich vermeiden, sondern allenfalls hinauszögern.
  • Kathodisch ist das Potential hingegen weniger oxidativ, so dass dort beispielsweise die Gasdiffusionsschichten aus Edelstahl gefertigt werden können. Allerdings korrodieren diese unter anderem durch das saure Milieu der PEM-Elektrolyse. Dieser Korrosionsprozess wird als Säurekorrosion bezeichnet. Hierbei ist ein Vorliegen von elementarem Sauerstoff nicht notwendig, da dieser allein schon durch die Dissoziation des umliegenden Wassers bereitgestellt wird. Die Metallionen an der Grenzfläche der Metalloberfläche werden durch das Hydroxidanion zum jeweiligen Hydroxidsalz oxidiert. Dies führt zu einer Degradation der Zelle, welche sich durch einen erhöhten Innenwiderstand und durch Fremdeintrag von Ionen in die PEM äußert.
  • Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze beschrieben, um den vorstehend erläuterten Degradationseffekten an der Anode und an der Kathode zu begegnen. So wurde beispielsweise für den anodenseitigen Katalysator vorgeschlagen, in der Katalysatorschicht eine größere Menge an katalytisch aktiver Spezies in die anodische Katalysatorschicht einzubringen, d.h. eine höhere Konzentration an katalytisch aktiver Spezies vorzuhalten. Hierdurch lassen sich insbesondere Degradationseffekte der Anode hinsichtlich der katalytischen Aktivität zumindest temporär ausgleichen. Um anodenseitig Degradationseffekte durch lokale elektrische Kontaktwiderstände und eine damit einhergehende inhomogene Stromverteilung in dem Verbundsystem Gasdiffusionsschicht und Katalysatorschicht zu vermindern, wurde unter anderem die Optimierung des Anpressdrucks der Gasdiffusionsschicht an die Katalysatorschicht vorgeschlagen. Dies birgt jedoch stets die Gefahr einer Perforation der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) durch einen übermäßig hohen Anpressdruck beim Zusammenfügen und der axialen Stapelung der Elektrolysezellen zu einem Elektrolyse-Stack und dessen mechanischer Verspannung mit einer hohen Axialkraft. Dies führt zu Kurzschlüssen, wodurch die Elektrolysezelle unbrauchbar und der Betrieb des Elektrolyseurs erheblich gefährdet oder sogar ausgeschlossen ist.
  • Im Zusammenhang beispielsweise mit der Kanalstruktur, die eine Elektrolysezelle räumlich begrenzt und zugleich für die Kontaktierung und den Stofftransport sorgt, sind bislang kaum Maßnahmen im Hinblick auf eine Verbesserung des Korrosionsschutzes vorgeschlagen. Auch für die weiteren metallischen Komponenten der Elektrolysezelle, beispielsweise die Gasdiffusionsschicht, besteht hier ein erheblicher Verbesserungsbedarf für einen Korrosionsschutz, vor allem auf der Anodenseite.
  • Die vorstehend genannten Ansätze lösen somit nicht die eigentlichen Probleme der korrosionsbedingten Degradation, insbesondere an der Anode, hinreichend dauerhaft und zuverlässig für dem Betrieb der Elektrolysezelle. Sie stellen allenfalls temporär wirkende Maßnahmen dar, um korrosionsbedingte Degradationseffekte teilweise zu verringern und zeitlich für einen längeren Betrieb zu strecken, setzen aber nicht an der Ursache an.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Elektrolysezelle zur Verfügung zu stellen, mit der die vorstehend genannten Korrosionsprobleme verringert oder möglichst gänzlich vermieden werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine korrosionsfeste Beschichtung anzugeben, die diesen besonderen Anforderungen im Betrieb einer Elektrolysezelle genügt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse mit einer kathodischen Halbzelle und mit einer anodischen Halbzelle, wobei die kathodische Halbzelle und die anodische Halbzelle mittels einer Polymer-Elektrolyt-Membran voneinander getrennt sind. Die anodische Halbzelle weist eine Kanalstruktur umfassend einen Grundkörper aus einem metallischen Grundmaterial auf, wobei auf den Grundkörper eine korrosionsfeste Beschichtung aufgebracht ist.
  • Zu den Begriffen Elektrolyse und Polymer-Elektrolyt-Membran sowie den ablaufenden Reaktionen und (Korrosions)prozessen wird auf die einleitenden Erläuterungen verwiesen. Die Polymer-Elektrolyt-Membran kann beispielsweise aus einem tetrafluorethylen-basierten Polymer mit sulfonierten Seitengruppen gebildet sein. Die kathodische Halbzelle bildet den Reaktionsraum, in dem die Kathodenreaktion(en), z. B. gemäß Gleichung (II) ablaufen. Die anodische Halbzelle bildet den Reaktionsraum, in dem die Anodenreaktion(en), z. B. gemäß Gleichung (I) ablaufen.
  • Die Erfindung geht hierbei bereits von der Erkenntnis aus, dass bei einer Elektrolysezelle insbesondere auf der Seite der anodischen Halbzelle zur Vermeidung oder Verminderung von technischen Problemen und Einschränkungen aufgrund von korrosionsbedingten Degradationseffekten bisher nur unzureichende Lösungsansätze vorgeschlagen wurden, die nicht an der Ursache selbst ansetzen. So sind beispielsweise bei der Wasserelektrolyse bei einer Elektrolysezelle insbesondere metallische Komponenten und Bauteile der Anode, d.h. Komponenten und Bauteile auf der Sauerstoffseite, in hohem Maße oxidativen Angriffen ausgesetzt, was einen dauerhaft zuverlässigen und effizienten Betrieb gefährdet. Zwar kommen aufgrund des hohen Sauerstoffanteils im Anodenraum der Elektrolysezelle hochwertige metallische Werkstoffe wie beispielsweise Titan und Edelstähle der Kategorie 1.4404 oder 1.4571, zum Einsatz, doch bilden auch diese Werkstoffe durch die massive Exposition mit Sauerstoff Oxide. Korrosionsstabilität ist nicht hinreichend gegeben.
  • Diese oxidativen Verschleiß- bzw. Degradationserscheinungen führen zu Materialabtrag und überdies zu einer nachteiligen Erhöhung der Kontakt- und Übergangswiderstände in der Elektrolysezelle. Hiervon sind anodenseitig in besonderem Maße die Gasdiffusionsschicht sowie die Bipolarplatte betroffen, letztere bildet neben der elektrischen Kontaktierung zugleich eine Kanalstruktur für den Medientransport von Eduktstrom und Produktstrom. Hierdurch verschlechtert sich einerseits die Zellspannung; andererseits besteht das Problem durch die begrenzte Korrosionsstabilität des verwendeten Edelstahls, dass ein Eintrag von Metallkationen, etwa Fe3+ - oder Fe2+ Kationen, in die Polymer-Elektrolyt-Membran erfolgt sowie nachfolgende schädigende Reaktionen. Dies führt ebenfalls zu einer Zellspannungsverschlechterung durch eine erniedrigte ionische Leitfähigkeit der Membran.
  • Die Erhöhung des lokalen elektrischen Kontaktwiderstandes zu beobachten hat eine wesentliche Ursache in einer sich rasch zeigenden Oxidation (Passivierung) des Materials im Betrieb der Gasdiffusionsschicht. Die Oxidation ist vorwiegend an der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht und angrenzenden stromführenden elektrischen Kontaktflächen zu verzeichnen. Diese dann aufgrund der Oxidation elektrisch schlecht leitenden lokalen Kontaktflächen führen zu hohen ohmschen Verlusten in der Elektrolysezelle und zu einer notwendigen Erhöhung der Zellspannung bei konstanter Stromdichte. Effizienzeinbußen und Degradation der Anode sind hier die Folge von inhomogener Stromverteilung mit nachteiligen lokalen Stromspitzen.
  • Diese nachteiligen Effekte werden mit der Erfindung weitgehend vermieden oder sogar überwunden.
  • Die Erfindung begegnet den geschilderten Problemen in vorteilhafter Weise dadurch, dass die Kanalstruktur der anodischen Halbzelle eine korrosionsfeste Beschichtung aufweist. Die korrosionsfeste Beschichtung der Kanalstruktur ist hierbei auf dem metallischen Grundmaterial als Schutzschicht aufgebracht. Die Kanalstruktur weist einen Grundkörper geeigneter Geometrie aus einem metallischen Grundwerkstoff auf, beispielsweise Titan oder Edelstahl, auf den die korrosionsfeste Beschichtung aufgebracht ist. Die korrosionsfeste Beschichtung selbst ist elektrisch leitfähig ausgeführt, so dass eine elektrische Kontaktierung der bei gleichzeitigem Stofftransport für Edukte und Produkte in der anodischen Halbzelle weiterhin gewährleistet ist.
  • Durch diese durch die Erfindung vorgesehene Konfiguration kann erstmals den verschiedenen Korrosionserscheinungen in der Kanalstruktur ursächlich entgegengewirkt werden, so dass die anodische Halbzelle bei der Wasserelektrolyse der oxidativen Umgebung länger standhält. In dem Beschichtungskonzept ist die korrosionsfeste Beschichtung bevorzugt auf der Kanalstruktur aufgebracht, entweder als vollflächige geschlossene und korrosionsstabile Schutzschicht oder angepasst an die lokale Umgebung mit zumindest einer bereichsweisen Beschichtung der Oberfläche des metallischen Grundkörpers an den besonders oxidationsgefährdeten Stellen.
  • Funktional kann die Kanalstruktur je nach Ausgestaltung der anodischen Halbzelle auch die angrenzende Gasdiffusionsschicht oder Funktionsteile der Gasdiffusionsschicht umfassen, die jedenfalls auch den Medientransport in der Halbzelle ermöglichen und die Kanalwand der Kanalstruktur hierfür begrenzen. Somit kann die korrosionsfeste Beschichtung bedarfsweise und flexibel auf die Oberfläche mehrerer funktional zusammenwirkender Komponenten aufgebracht sein, die die Kanalstruktur in der anodischen Halbzelle bilden. Somit können neben der Bipolarplatte selbst auch weitere Komponenten, für die eine funktionsfähige Ausbildung einer Kanalstruktur der anodischen Halbzelle aus einem metallischem Grundmaterial bedeutsam sind, wie beispielsweise Vliese, Streckgitter und Gasdiffusionslagen, die korrosionsfeste Beschichtung aufweisen. Der Begriff Kanalstruktur ist für die Erfindung daher umfassend und funktional aufzufassen. Insbesondere umfasst die Kanalstruktur mithin nicht nur die Ausgestaltung bzw. Realisierung in Form einer Bipolarplatte aus einem metallischen Grundkörper, sondern je nach Aufbau der Elektrolysezelle auch weitere Komponenten mit einem Grundkörper aus einem metallischen Grundmaterial, die die Kanalstruktur bilden. Die Kanalstruktur kann daher im Allgemeinen durch das Zusammenwirken mehrerer Komponenten ausgebildet sein, beispielsweise durch ein Zusammenwirken der Bipolarplatte und einer unmittelbar benachbart angeordneten Gasdiffusionsschicht, so dass ein Fluidkanal gebildet ist für den Transport der Edukt- und Produktströme.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die korrosionsfeste Beschichtung ein Beschichtungsmaterial mit einem hohen Oxidationspotenzial auf.
  • Ein hohes Oxidationspotenzial weisen allgemein Edelmetalle oder Edelmetalllegierungen auf, die gegenüber Sauerstoffkorrosion weitgehend resistent sind. In der Umgebung der hohen Sauerstoffkonzentration in der Kanalstruktur der anodischen Halbzelle können diese Beschichtungsmaterialien bestehen und bieten sich für die korrosionsfeste Schutzschicht prinzipiell an. Hierbei ist eine geschlossene korrosionsfeste Schicht auf dem metallischen Grundkörper zu bevorzugen, um die anodische Sauerstoffkonzentration und entsprechende oxidative Angriffe auf das metallische Grundmaterial abzuschirmen.
  • Für eine erste Auswahl von Beschichtungsmaterial für die korrosionsfeste Beschichtung der Kanalstruktur kann das Redoxpotential als Maß für die Bereitschaft der Ionen dienen, die Elektronen aufzunehmen. Die Ionen der Edelmetalle nehmen bereitwilliger Elektronen auf als die Ionen unedler Metalle, weshalb unter Standardbedingungen das Redoxpotential des Cu/Cu2+-Paares mit +0,35 V deutlich positiver ist als das des Zn/Zn2+-Paares mit -0,76 V. Und das heißt wiederum, dass Zn zu den unedleren Metallen gehört und ein stärkeres Reduktionsmittel ist, also seinen Reaktionsteilnehmer reduziert und selbst oxidiert wird und Elektronen abgibt. Unter Kosten-Nutzenerwägungen, Prozessführung für die Beschichtungsprozess und erzielbarer Qualität der korrosionsfesten Beschichtung ist dies anpassbar.
  • In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die korrosionsfeste Beschichtung Iridium und/oder Iridiumcarbid als Bestandteil auf. Dabei können in dem Beschichtungsmaterial wahlweise Iridium oder Iridumcarbid oder alternativ sowohl Iridium als auch Iridiumcarbid gemeinsam als Bestandteile in dem Beschichtungsmaterial vorhanden sein. Es hat sich gezeigt, dass besonders Iridium oder Iridiumcarbid sich als Korrosionsschutz in einer Elektrolysezelle besonders eignen. Hierbei sind weitere Bestandteile in dem Beschichtungsmaterial nicht ausgeschlossen, so dass der Materialbedarf an teurem Iridium auf eine funktional für eine zu erzielende Korrosionsschutzwirkung geringe benötigte Menge in der korrosionsfesten Beschichtung beschränkt werden kann. Der für die Wirkung erforderliche Anteil kann je nach Anforderung entsprechend eingestellt werden. Es ist also im Allgemeinen vorgesehen, dass neben Iridium und/oder Iridiumcarbid weitere Bestandteile in der korrosionsfesten Beschichtung vorhanden sind.
  • Bevorzugt weist die korrosionsfeste Beschichtung als Bestandteil eine binäre und/oder ternäre Verbindung enthaltend Titan auf. Hierbei kann flexibel auch ein Gemisch aus binärer und ternärer Titanverbindung zur Anwendung kommen. Somit ist es bevorzugt vorgesehen, dass die korrosionsfeste Beschichtung ein Gemisch aus binärer und ternärer Titanverbindung enthält sowie Anteile von Iridium und/oder Iridiumcarbid. Das Beschichtungssystem kann dann beispielsweise in einer Mischphase oder als Mischkristall vorliegen mit der entsprechenden Anzahl von Bestandteilen. Unter einer Mischphase versteht man in der Thermodynamik eine homogene Phase, welche aus zwei oder mehr Stoffen besteht. Feste Mischphasen bezeichnet man auch als feste Lösungen oder Mischkristalle. Die Anteile der einzelnen Komponenten einer Mischphase können mit Hilfe des Stoffmengenanteils x als partielle Größen angegeben werden. Der Stoffmengenanteil ist dabei über die Dicke der korrosionsfesten Beschichtung vorteilhaft einstellbar, um die Korrosionsschutzwirkung anzupassen und den Materialeinsatz zu optimieren.
  • Vorzugsweise weist die binäre Verbindung Titan-Niob (TiNb) und die ternäre Verbindung Titan-Niob-Nitrid (TiNbN) auf. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass diese Titan-Niob basierte Materialklasse sich unter den gegebenen Anforderungen für die Beschichtung der Kanalstruktur besonders wirksam für den Korrosionsschutz in Verbindung mit dem Iridium bzw. Iridiumcarbid erweist. Somit ist vorteilhafterweise zum Korrosionsschutz ein Beschichtungssystem geschaffen, dass verschiedene Anpassungen zulässt und hinsichtlich Stoffmengenanteilen und Anzahl der Schichten verschiedene Ausgestaltungen zulässt und Anwendungen bei der Beschichtung von Komponenten und oxidativ besonders gefährdeten Oberflächenbereichen der Elektrolysezelle, wie etwa bei der Bipolarplatte, der Gasdiffusionsschicht, bei Vliesen und bei Gasdiffusionslagen und allgemein der für den Stofftransport und die elektrische Kontaktierung ausgebildeten Kanalstruktur.
  • In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist die korrosionsfeste Beschichtung eine Schichtdicke von etwa 0,02 bis 0,5 Mikrometer, insbesondere von etwa 0,08 bis 0,3 Mikrometer, auf. Abhängig von der zu beschichtenden Komponente für einen Korrosionsschutz ist die Schichtdicke und Schichtzusammensetzung wählbar und anpassbar. Somit können in der Elektrolysezelle die korrosionsgefährdeten Komponenten und Bereiche mit metallischem Grundmaterial mit der Beschichtung versehen sein. Dabei können mehrere Komponenten die korrosionsfeste Beschichtung aufweisen mit einer jeweiligen Schichtdicke, insbesondere die die Kanalstruktur der anodischen Halbzelle bildenden Komponenten wie Bipolarplatten, Gasdiffusionslagen, Vliese und Streckgitter. Der Schichtdickenbereich liegt abhängig von der Komponente bevorzugt bei 0.02 - 0.5 Mikrometer und ist durch den gewählten Beschichtungsprozess jeweils einstellbar.
  • In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung ist die korrosionsfeste Beschichtung einlagig, mehrlagig oder in gradierten Schichten ausgeführt.
  • Die korrosionsfeste Beschichtung kann mithin im einfachsten Fall als homogene Einlagenschicht auf dem Substrat, also etwa dem metallischen Grundmaterial der Kanalstruktur, aufgebracht sein. Hierbei liegen beispielsweise die gewählten Schichtbestandteile in dem System Titan-Niob, Titan-Niob-Nitrid mit dem Iridium und eventuellen weiteren Zusatzstoffen in einer homogenen Mischphase vor. Es ist auch möglich, dass die korrosionsfeste Beschichtung als gradierte Mehrlagenschicht, als gradierte Einlagenschicht mit kontinuierlichem Gradienten der chemischen Schichtzusammensetzung oder als gradierte Mehrlagenschichten mit kontinuierlichem Gradienten der chemischen Schichtzusammensetzung ausgeführt ist. Auch ist die Ausgestaltung als nanostrukturiertes Schichtsystem für die korrosionsfeste Beschichtung denkbar.
  • Bevorzugt kommen für das Aufbringen der korrosionsfesten Beschichtung auf dem metallischen Grundmaterial der Komponente Beschichtungsprozesse zum Einsatz wie Physical-Vapor-Deposition (PVD) oder Plasma-Assisted-Chemical-Vapor-Deposition (PACVD) oder allgemein Beschichtungsverfahren der physikalische Dünnschichttechnologie.
  • Beim PVD (Physical-Vapor-Deposition)-Verfahren wird ein ionisierter Metalldampf erzeugt, der mit verschiedenen Gasen im Plasma reagiert und auf Werkstückoberflächen eine Dünnschicht abscheidet. Die heutzutage am weitesten verbreiteten PVD-Methoden sind Arc-Deposition und Sputtering. Beide Methoden werden unter Hochvakuumbedingungen in einer Beschichtungskammer durchgeführt.
  • Anders als bei Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung wird mithilfe physikalischer Verfahren das Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt. Das gasförmige Material wird anschließend zum zu beschichtenden Substrat geführt, wo es kondensiert und die Zielschicht bildet.
  • Die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung PECVD (plasma-enhanced chemical vapour deposition) oder auch PACVD genannt (plasma-assisted chemical vapour deposition) ist eine Sonderform der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), bei der die chemische Abscheidung durch ein Plasma unterstützt wird. Das Plasma kann direkt beim zu beschichtenden Substrat (Direktplasma-Methode) oder in einer getrennten Kammer (Remote-Plasma-Methode) brennen.
  • Durch die Anwendung dieser Verfahren sind komplexe Beschichtungen unterschiedlicher Zusammensetzung und mit hoher Qualität aufbringbar. Beispielsweise werden zum Aufbringen einer TiNbN-Beschichtung mittels Plasmatechnologie durch den Energieeintrag eines Lichtbogens in das Target Titan- bzw. Niobatome herausgelöst, diese ionisiert und durch die angelegte Spannung in Richtung des Substrats, d.h. des Grundkörpers, aus dem metallischen Grundmaterial, beschleunigt. Anschließend verbinden sich die Titan- bzw. Niobatome mit den eingeleiteten Stickstoffatomen zur gewünschten TiNbN-Schicht. Der Eintrag weiterer Bestandteile in die Beschichtung oder Schicht erfolgt entsprechend.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist das Grundmaterial Edelstahl oder Titan. Dies ist eine besonders vorteilhafte Materialwahl bei Gasdiffusionsschichten, Vliesen, Bipolarplatten und weiteren Komponenten der Elektrolysezelle, insbesondere bei der anodischen Halbzelle. Beispielsweise kann für die Gasdiffusionsschicht Titan gewählt werden und für die Bipolarplatte Edelstahl. Somit ist die auf der anodischen Halbzelle gebildete Kanalstruktur einerseits elektrisch leitfähig und andererseits für den Stofftransport bei der Elektrolyse mit einem wirksamen Korrosionsschutz ausgestattet. Durch die Materialwahl von Substrat und Beschichtungsmaterial ist eine zudem gute Prozessführung im jeweils gewählten Beschichtungsprozess und auch eine gute Schichthaftung der korrosionsfesten Beschichtung und damit Schichtqualität erzielbar, was aufgrund der hohen Haftfestigkeit der titanbasierten Beschichtung die Standzeit erhöht.
  • Insbesondere ist eine gewünschte Schichtoberfläche mit geringer Oberflächenrauheit von beispielsweise einem arithmetischen Mittenrauhwert von Ra < 0,05 Mikrometer erzielbar, was für eine gute und vor allem in der Fläche gleichmäßige elektrische Kontaktierung in einer Elektrolysezelle von großem Vorteil ist. Weiterhin ist eine hohe Haftfestigkeit der korrosionsfesten Beschichtung sowie mechanische Verschleißfestigkeit erzielbar.
  • Unter einer Schicht oder Beschichtung kann im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein flächiges Gebilde verstanden werden, dessen Abmessungen in der Schichtebene, Länge und Breite, deutlich größer sind als die Abmessung in der dritten Dimension, die die Schichtdicke kennzeichnet.
  • Das Einbringen von Material in Schichten, beispielsweise ein korrosionsfestes Beschichtungsmaterial oder andere Materialien, ermöglicht auf besonders einfache Art und Weise die Realisierung einer vorgebbaren Verteilung der Materialien in der anodischen Halbzelle. Zudem kann die Handhabung der Materialien erleichtert sein.
  • Somit ist es vorzugsweise möglich, dass die Gasdiffusionsschicht, die aus einem Grundkörper aus einem Grundmaterial ausgebildet ist, auf den eine korrosionsfeste Beschichtung flächig aufgebracht ist. Somit bildet in diesem Sinne bei der Gasdiffusionsschicht der Grundkörper mit dem Grundmaterial eine erste Schicht und die korrosionsfeste Beschichtung eine zweite Schicht der Gasdiffusionsschicht. Hierbei kann die zweite Schicht wiederum ein Schichtsystem sein mit mehreren Lagen. Entsprechendes gilt für die anderen Komponenten der Elektrolysezelle, wie etwa die Bipolarplatte oder alle weiteren eine Kanalstruktur ausbildenden Komponenten, auf die eine korrosionsfeste Beschichtung aufgebracht ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer Elektrolysezelle zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff.
  • Somit können vorteilhafterweise in der kathodischen bzw. anodischen Halbzelle die Reaktionen gemäß den Gleichungen (I) und (II) ausgeführt werden, wenn die Elektrolysezelle von elektrischem Strom durchflossen wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine korrosionsfeste Beschichtung zum Aufbringen als Schutzschicht auf einer metallischen Komponente einer Elektrolysezelle, aufweisend die Bestandteile Titan-Niob und Titan-Niob-Nitrid (TiNbN) sowie Iridiumcarbid und/oder Iridium.
  • Mittels der korrosionsfesten Beschichtung gemäß der Erfindung kann eine der vorstehend beschriebenen Elektrolysezellen zur Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse beschichtet werden bzw. die korrosionsfeste Beschichtung wird auf besonders korrosionsgefährdete Komponenten einer Elektrolysezelle auf deren Grundkörper aus einem metallischen Grundmaterial aufgebracht. Die korrosionsfeste Beschichtung kommt daher bevorzugt bei der anodischen Halbzelle zur Anwendung, um der dort überwiegenden sauerstoffinduzierten Korrosion entgegenzuwirken. Entsprechend wird bei der korrosionsfesten Beschichtung auf die vorstehenden Erläuterungen und die Vorteile dieser Elektrolysezellen verwiesen.
  • Hierbei ist es bevorzugt, dass die korrosionsfeste Beschichtung als Grundbestandteile Titan-Niob und Titan-Niob-Nitrid und eine Beimischung von Iridium und/oder Iridiumcarbid aufweist. Durch die Beimischung wird der Materialeinsatz von teurem Iridium begrenzt bzw. gegenüber einer Monolage einer aus Iridium basierten Schutzschicht deutlich verringert, ohne den Korrosionsschutz zu beeinträchtigen.
  • In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die korrosionsfeste Beschichtung dabei als homogene Einlagenschicht, gradierte Einlagenschicht oder gradierte Mehrlagenschicht ausgeführt.
  • Die korrosionsfeste Beschichtung kann mithin im einfachsten Fall als homogene Einlagenschicht ausgestaltet sein. Hierbei liegen etwa die gewählten Schichtbestandteile in dem System Titan-Niob, Titan-Niob-Nitrid mit dem Iridium und eventuellen weiteren Zusatzstoffen in einer homogenen Mischphase vor, die bevorzugt eine geschlossene korrosionsstabile Schutzschicht oder einen Überzug auf dem Grundkörper bildet. Dies ist eine besonders kosteneffiziente Ausgestaltung des Korrosionsschutzes in der oxidativen Einsatzumgebung.
  • Es ist aber auch möglich, dass die korrosionsfeste Beschichtung als gradierte Einlagenschicht mit kontinuierlichem Gradienten der chemischen Schichtzusammensetzung oder als gradierte Mehrlagenschichten mit kontinuierlichem Gradienten der chemischen Schichtzusammensetzung ausgeführt ist. Auch ist die Ausgestaltung als nanostrukturiertes Schichtsystem für die korrosionsfeste Beschichtung denkbar.
  • Bevorzugt ist die korrosionsfeste Beschichtung ausgeführt als Mehrlagenschicht mit Iridiumcarbid und/oder Iridium als Schichtbestandteil in der Deckschicht.
  • Hierdurch ist vorteilhafterweise eine Materialersparnis für den Einsatz von teurem Iridium und Iridiumcarbid erzielbar. Es genügt im Wesentlichen in der dem oxidativen Milieu unmittelbar exponierten Deckschicht einer Mehrlagenschicht Iridium und/oder Iridiumoxid als Bestandteile in ausreichender Konzentration vorzusehen. Vorzugsweise sind dies die wesentlichen Bestandteile der Deckschicht, oder es ist möglich, dass die Deckschicht wahlweise im wesentlichen Iridium oder Iridiumoxid als Hauptbestandteil aufweist. In einer Mehrlagenschicht sind dann weitere Lagen unterhalb der Deckschicht vorgesehen, die weitere Materialien wie Titan-Niob und Titan-Niob-Nitrid aufweisen, wahlweise mit Anteilen von Iridium und/oder Iridiumoxid als Beimischung oder in einem entsprechend eingestellten vorzugsweise in Richtung des Substrats bzw. Grundkörpers abnehmenden Konzentrationsgradienten. Hierdurch sind wahlweise entsprechende gradierte mehrlagige Mischphasen in der korrosionsfesten Beschichtung gebildet.
  • Bevorzugt wird Iridium und/oder Iridiumcarbid als Bestandteil einer korrosionsfesten Beschichtung einer metallischen Komponente einer Elektrolysezelle verwendet.
  • Weiter bevorzugt wird als weiterer Bestandteil der korrosionsfesten Beschichtung Titan-Niob und/oder Titan-Niob-Nitrid verwendet.
  • Eine besonders bevorzugte Verwendung der korrosionsfesten Beschichtung ist bei einer Kanalstruktur gegeben oder bei einer Gasdiffusionsschicht, die als metallische Komponenten einer Elektrolysezelle, insbesondere bei einer anodischen Halbzelle eingesetzt sind. Dabei ist bevorzugt die Kanalstruktur durch die unmittelbar benachbarte Anordnung einer Bipolarplatte mit der fluiddurchlässigen Gasdiffusionsschicht gebildet. Sowohl die Bipolarplatte als auch die Gasdiffusionsschicht bilden aufgrund der erforderlichen elektrischen Leitfähigkeit metallische Komponenten oder Bauteile der Elektrolysezelle und bilden zugleich den Strömungskanal für den Transport der Fluide aus, d.h. Eduktstrom und Produktstrom sind durch die Kanalstruktur geführt. Vorteilhafterweise sind daher die die Kanalstruktur begrenzenden Oberflächen der Kanalstruktur, die im Betrieb mit dem Sauerstoff beaufschlagt und Korrosionsangriffen ausgesetzt sind, mit der korrosionsfesten Beschichtung versehen.
  • Die Gasdiffusionsschicht der anodischen Halbzelle weist zur Gewährleistung einer hinreichenden Gasdurchlässigkeit ein poröses Material auf. Die Gasdiffusionsschicht kann beispielsweise aus Titan als Grundwerkstoff mit einem porös ausgestalteten Grundkörper, etwa einem titanbasierten Streckmetall oder Drahtgeflecht, gefertigt und mit der korrosionsfesten Beschichtung versehen sein. Hierdurch kann die Nutzungsdauer bzw. Lebensdauer der Gasdiffusionsschicht erhöht werden, die beschriebenen nachteiligen, oxidativ bedingten Degradationseffekte sind reduziert. Von Vorteil ist es daher, die korrosionsfeste Beschichtung gemäß der Erfindung als Schutzschicht auf dem metallischen Grundkörper der Gasdiffusionsschicht aufzubringen. Die korrosionsfeste Beschichtung kann auf weiteren Komponenten der anodischen Halbzelle mit einem metallischen Grundkörper, insbesondere Titan oder Edelstahl, als Korrosionsschutz angewendet werden.
  • Das Beschichtungskonzept der Erfindung führt überdies dazu, dass die lokalen elektrischen Kontakte erheblich verbessert werden und damit die Stromdichte über die Zellfläche homogener wird.
  • Weiterhin bevorzugt weist die anodische Halbzelle eine aus Titan als Grundmaterial gebildete Gasdiffusionsschicht auf. Man verwendet hier bevorzugt eine Ausgestaltung als feinmaschiges Titanmaterial als Grundmaterial für die Gasdiffusionsschicht, beispielsweise Titanvliese, Titanschäume, Titangewebe, titanbasierte Streckgitter oder Kombinationen daraus. Hierdurch werden auch die lokalen Kontaktpunkte zur Elektrode erhöht und der elektrische Widerstand in der Kontaktfläche besonders gleichmäßig. Der Begriff "Gitter" bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang ein feinmaschiges Netz. Die genannten Trägermaterialien zeichnen sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Die Begriffe "Gitter" und "Gewebe" beschreiben eine gerichtete Struktur, der Begriff "Vlies" eine ungerichtete Struktur.
  • Bevorzugt kann benachbart, insbesondere direkt benachbart, zur Gasdiffusionsschicht eine Kanalstruktur angeordnet sein oder eine Kanalstruktur ist funktional durch die benachbarte Anordnung von Gasdiffusionsschicht und einer Komponente, insbesondere einer Bipolarplatte, gebildet. Die Kanalstruktur dient dem Sammeln und Austragen des gasförmigen Reaktionsprodukts der Elektrolyse in der anodischen Halbzelle, also z. B. Sauerstoff gemäß Gleichung (I). Die Kanalstruktur kann beispielsweise eine Bipolarplatte umfassen oder als diese ausgebildet sein. Bipolarplatten ermöglichen das Stapeln mehrerer Elektrolysezellen zu einem Elektrolysezellenmodul, indem sie die Anode einer Elektrolysezelle mit der Kathode einer benachbarten Elektrolysezelle elektrisch leitend verbindet. Zudem ermöglicht die Bipolarplatte eine Gastrennung zwischen aneinander angrenzenden Elektrolysezellen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
    • FIG 1
    eine schematische Darstellung einer Elektrolysezel-le zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse gemäß dem Stand der Technik;
    FIG 2
    eine beispielhafte anodische Halbzelle mit Kanal- struktur und korrosionsfester Beschichtung gemäß der Erfindung;
    FIG 3
    eine korrosionsfeste Beschichtung in einer Ausgestaltung als homogene Einlagenschicht;
    FIG 4
    eine korrosionsfeste Beschichtung in einer Ausgestaltung als gradierte Einlagenschicht;
    FIG 5
    eine korrosionsfeste Beschichtung in einer Ausgestaltung als Mehrlagenschicht;
    FIG 6
    eine korrosionsfeste Beschichtung in einer Ausgestaltung als gradierte Mehrlagenschicht.
  • FIG 1 zeigt eine Elektrolysezelle 1 zur Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Darstellung. Die Elektrolysezelle 1 dient der elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff.
  • Die Elektrolysezelle 1 weist eine Polymer-Elektrolyt-Membran 3 auf. Auf der einen Seite der Polymer-Elektrolyt-Membran 3, in der Darstellung gemäß Figur 1, links, ist die kathodische Halbzelle 5 der Elektrolysezelle 1 angeordnet, auf der anderen Seite der Polymerelektrolytmembran 3, in der Darstellung gemäß Figur 1, rechts, ist die anodische Halbzelle 7 der Elektrolysezelle 1 angeordnet.
  • Die anodische Halbzelle 7 umfasst eine direkt benachbart zur Polymer-Elektrolyt-Membran 3 angeordnete anodische Katalysatorschicht 9, eine direkt benachbart zur anodischen Katalysatorschicht 9 angeordnete Gasdiffusionsschicht 11a und eine direkt benachbart zur Gasdiffusionsschicht 11a angeordnete Bipolarplatte 21a, so dass eine Kanalstruktur 13a für einen Fluidtransport ausgebildet ist. Die anodische Katalysatorschicht 9 weist ein anodisches Katalysatormaterial 15 auf und katalysiert die Anodenreaktion gemäß Gleichung (I). Als anodisches Katalysatormaterial 15 ist Iridium bzw. Iridiumoxid als katalytisch aktive Spezies gewählt, welche in die anodische Katalysatorschicht 9 eingebracht ist. Iridium bzw. Iridiumoxid weisen eine hohe Oxidations- und Lösungsstabilität auf und sind daher gut geeignet als anodisches Katalysatormaterial 9 verwendet zu werden. Zur Verringerung der Korrosion ist die Gasdiffusionsschicht 11a aus einem Material hergestellt, auf dessen Oberfläche sich schnell eine Passivierungsschicht ausbildet, z. B. aus Titan. Durch die Passivierung des Titans ist Titandioxid gebildet, das allerdings eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als das Titan. Die Kanalstruktur 13a ist von der Bipolarplatte 21a ausgebildet, so dass eine Stapelung mehrerer Elektrolysezellen 1 ermöglicht wird.
  • Die kathodische Halbzelle 5 umfasst eine kathodische Katalysatorschicht 17 mit einem kathodischen Katalysatormaterial 19, die direkt benachbart zur Polymer-Elektrolyt-Membran 3 angeordnet ist. Das kathodische Katalysatormaterial 19 ist zur Katalyse einer Reduktion von Wasserstoffionen (Protonen), insbesondere gemäß Gleichung (II) zu molekularem Wasserstoff, ausgebildet. Auf der kathodischen Katalysatorschicht 19 ist ebenfalls eine Gasdiffusionsschicht 11b angeordnet. Im Unterschied zur Gasdiffusionsschicht 11a der anodischen Halbzelle 7 ist die Gasdiffusionsschicht 11b der kathodischen Halbzelle 5 aus Edelstahl gefertigt. Diese ist aufgrund des niedrigeren Oxidationspotentials in der kathodischen Halbzelle 5 im Vergleich zur anodischen Halbzelle 7 möglich und verringert die Kosten der Elektrolysezelle 1. Unmittelbar benachbart zur Gasdiffusionsschicht 11b ist ebenfalls eine Kanalstruktur 13b angeordnet, die, analog zur anodischen Halbzelle 7, als Bipolarplatte 21b ausgebildet ist. Die Gasdiffusionsschichten 11a, 11b bilden im Zusammenwirken mit der unmittelbar benachbart angeordneten jeweiligen Bipolarplatte 21a, 21b funktional eine jeweilige Kanalstruktur 13a, 13b, also einen fluiddichten Strömungskanal für den Stofftransport der Edukte und der Produkte bei der Elektrolyse.
  • Nachteilig an dieser aus dem Stand der Technik bekannten Elektrolysezelle 1 ist wie eingangs erläutert, generell die Korrosionsanfälligkeit der Materialien. Vor allem in der anodischen Halbzelle 7 sind erhebliche Degradationseffekte zu verzeichnen, die die Standzeit der Elektrolysezelle 1 sehr nachteilig beinträchtigen.
  • Hier ist einerseits aufgrund der hohen Sauerstoffkonzentration in der anodenseitigen Halbzelle 7 und des hohen oxidativen Potentials während des Betriebs eine schädigende Korrosion der verwendeten Materialien zu verzeichnen. Dies trifft beispielsweise in besonderem Maße für die Edelstähle der Materialnummer 1.4404 oder 1.4571 zu, die als Werkstoff für die Bipolarplatte Verwendung finden, die die Kanalstruktur 13a bilden. Aber auch das resistentere Titan ist oxidativen Angriffen unterworfen. Dadurch ist im Betrieb eine Erhöhung des lokalen elektrischen Kontaktwiderstandes zu beobachten. Dieser hat eine wesentliche Ursache in einer sich rasch zeigenden Oxidation (Passivierung) des Titans im Betrieb der Gasdiffusionsschicht 11a. Die Oxidation ist vorwiegend an der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 11a und angrenzenden stromführenden elektrischen Kontaktflächen zu verzeichnen. Diese dann aufgrund der Oxidation elektrisch schlecht leitenden lokalen Kontaktflächen führen zu hohen ohmschen Verlusten in der Elektrolysezelle 1 und zu einer dann erforderlichen Erhöhung der Zellspannung bei konstanter Stromdichte. Effizienzeinbußen und Degradation der anodischen Halbzelle 7 sind hier die Folge von inhomogener Stromverteilung mit nachteiligen lokalen Stromspitzen.
  • Auch auf Seiten der kathodischen Halbzelle 5 sind vor allem im Hinblick auf die durch elementaren Sauerstoff begünstigte Säurekorrosion auch gewisse nachteilige Effekte zu beobachten, auf die hier aber vorliegend nicht näher eingegangen wird.
  • Zur Behebung der Nachteile an der anodischen Halbzelle 7 wird vorgeschlagen, in der anodischen Halbzelle 7 die Kanalstruktur 13a mit einer korrosionsfesten Beschichtung 29 zu versehen, so dass der nachteilige und im Betrieb fortlaufende oxidative Angriff gehemmt ist oder bestenfalls sogar weitestgehend unterbunden. Eine solche auf vorteilhafte Weise modifizierte und weiterentwickelte Elektrolysezelle 1 ist beispielhaft in FIG 2 schematisch dargestellt, allerdings in einer gegenüber FIG 1 größeren Detaillierung der wesentlichen Komponenten. Die anodische Halbzelle 7 des in FIG 2 gezeigten Ausführungsbeispiels einer Elektrolysezelle 1 ist vom Grundaufbau her analog zur Elektrolysezelle 1 gemäß FIG 1 zusammengesetzt, so dass auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen werden kann.
  • Die anodische Halbzelle 7 weist, ebenfalls in Analogie zur Elektrolysezelle gemäß FIG 1, eine Gasdiffusionsschicht 11a sowie eine Bipolarplatte 21a auf. Die Gasdiffusionsschicht 11a weist einen Grundkörper 23 aus einem metallischen Grundmaterial 27 auf, das vorliegend Titan ist. Die Gasdiffusionsschicht 11a ist hierbei als titanbasiertes Streckgitter ausgeführt, so dass ein Fluidtransport ermöglicht ist. Analog weist die Bipolarplatte 21a einen Grundkörper 23 aus einem metallischen Grundmaterial 25 auf, das vorliegend Edelstahl ist. In den Grundkörper 23 der Bipolarplatte 21a ist eine Vielzahl von Nuten bzw. Kanäle eingefräst, um einen Fluidtransport zu begünstigen und zugleich eine gleichmäßige elektrische Kontaktierung und Spannungsversorgung der anodischen Halbzelle 7.
  • Hierbei sind die Gasdiffusionsschicht 11a und die Bipolarplatte 21a derart ausgestaltet und benachbart zueinander angeordnet, dass eine Kanalstruktur 13a ausgebildet ist, die den metallischen Grundkörper 23 aus dem metallischen Grundmaterial 25, 27 umfasst. Im Unterschied zur Elektrolysezelle 1 gemäß FIG 1 ist die Kanalstruktur 13a der anodischen Halbzelle 7 für einen wirksamen Korrosionsschutz ausgestaltet. Hierzu weist die Kanalstruktur 13a eine korrosionsfeste Beschichtung 29 aus einem Beschichtungsmaterial 31 auf. Das Beschichtungsmaterial 31 ist derart gewählt, dass dieses ein hohes Oxidationspotenzial aufweist und zugleich elektrisch leitfähig ist. Das Beschichtungsmaterial 31 weist hierzu eine binäre sowie eine ternäre Titanverbindung auf, vorliegend Titan-Niob (TiNb) und Titan-Niob-Nitrid in einer Mischphase, wobei der Mischphase Iridium und/oder Iridiumcarbid als weiterer Bestandteile in einer flexibel einstellbaren Menge beigemischt ist.
  • Hierdurch kann der Bedarf an benötigtem Iridium auf ein Minimum begrenzt bzw. gegenüber einer Iridiumschicht bzw. Iridiumcarbidschicht deutlich verringert werden. Zugleich ist durch das Zusammenwirken der binären und ternären Titanbestandteile in dem Beschichtungsmaterial 31 ein effektiver und langzeitstabiler Korrosionsschutz erzielt und eine gute Schichthaftung auf dem metallischen Grundmaterial 25, 27 begünstigt. Die korrosionsfeste Beschichtung 29 ist im Ausführungsbeispiel vollflächig auf die Bipolarplatte 21a in Form einer geschlossenen Schutzschicht auf den Grundkörper 23 aufgetragen. Die Beschichtungsmaßnahme kann aber alternativ auch auf die besonders kritischen Oberflächenbereiche der Bipolarplatte 21a hinsichtlich Oxidation lokal beschränkt werden. Die Gasdiffusionsschicht 11a ist zumindest mit ihrer der Bipolarplatte 21a zugewandten Seite ebenfalls mit der korrosionsfesten Beschichtung 31 vollflächig versehen, so dass dadurch auf die Kanalstruktur 13a insgesamt ein geschlossener und wirksamer Korrosionsschutz aufgebracht ist. Von großem Vorteil ist, dass für die korrosionsfeste Beschichtung 31 für die Gasdiffusionsschicht 11a wie auch für die Bipolarplatte 21a im Wesentlichen dasselbe Beschichtungsmaterial 31 hinsichtlich der Bestandteile verwendbar ist. Möglich und sinnvoll sind allerdings Anpassungen hinsichtlich der spezifischen Zusammensetzung, etwa Konzentration des jeweiligen Bestandteils des Beschichtungsmaterials 31 in der Mischphase. Weiterhin können Adaptionen mit Blick auf den spezifischen Schichtaufbau der korrosionsfesten Beschichtung 29 unter Berücksichtigung der jeweiligen Komponente, deren Geometrie sowie die oxidative Umgebung vorgenommen werden, insbesondere etwa hinsichtlich der Wahl der zu beschichtenden Oberflächenbereiche des metallischen Grundkörpers 23 der Komponente.
  • So ist etwa die Gasdiffusionsschicht 11a für eine funktionsfähige Ausbildung einer Kanalstruktur 13a der anodischen Halbzelle aus einem Titan Grundmaterial typischerweise aus einer porösen Struktur mit relativ großer Oberfläche gebildet, etwa aus einem Vlies, einem Streckgitter und/oder aus mehreren Gasdiffusionslagen geschichtet oder auch Kombinationen davon. Für einen wirksamen Korrosionsschutz ist eine derartige poröse Struktur mit großer Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 11a dann auf der Oberfläche bevorzugt vollflächig mit einer geschlossenen Schutzschicht aus Beschichtungsmaterial 31, enthaltend Iridium und/oder Iridiumcarbid, versehen. Mithin ist die korrosionsfeste Beschichtung 29 auch auf Komponenten bzw. Bauteilen mit sehr komplexen Oberflächenstrukturen 29 aufgebracht, um einen möglichst vollständigen Korrosionsschutz zu erreichen. Dies beeinflusst dann auch den Einsatz des Beschichtungsverfahrens. Die korrosionsfeste Beschichtung 31 ist dabei wahlweise mittels Verfahren der physikalischen Dünnschichttechnologie, bevorzugt Beschichtungsverfahren wie Physical-Vapor-Deposition (PVD) oder Plasma-Assisted-Chemical-Vapor-Deposition aufgebracht. Die korrosionsfeste Beschichtung 29 ist flexibel für unterschiedliche Komponenten einer Elektrolysezelle 1 anwendbar, typischerweise Vliese, Bipolarplatten oder Gasdiffusionslagen. Der Schichtdickenbereich beträgt abhängig von der jeweiligen Komponente bei 0,02 - 0,5 Mikrometer eingestellt, beispielsweise auch zwischen 0,08 bis 0,3 Mikrometer.
  • Im Rahmen der Erfindung sind somit verschiedenen Möglichkeiten für die jeweilige spezifische Ausgestaltung der korrosionsfesten Beschichtung 29 gegeben, so dass eine Vielzahl von Beschichtungssystemen im Rahmen des Korrosionsschutzkonzepts realisierbar ist.
  • Dies wird nachfolgend anhand der in den FIG 3 bis FIG 5 gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Diesen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass als metallisches Grundmaterial 25, 27 Titan bzw. Edelstahl zur Anwendung kommen, wie dies typischerweise für eine anodische Halbzelle 7 vorgesehen ist. Dabei ist das metallische Grundmaterial 25 der Bipolarplatte 21a ein Edelstahl, z.B. der Werkstoffnummer 1.4404 oder 1.4571, und das metallische Grundmaterial 27 der Gasdiffusionsschicht 11b ist Titan.
  • In FIG 3 ist in schematischer Darstellung eine korrosionsfeste Beschichtung 29 in einer Ausgestaltung als homogene Einlagenschicht gezeigt. Der Grundkörper 23 bildet das Substrat aus einem metallischen Grundmaterial 25, hier ein Edelstahl. Auf den Grundkörper 23 ist eine korrosionsfeste Beschichtung 29 in einer einzigen Lage 37a - als eine so genannte Monolage - mit einer Schichtdicke D aufgebracht. Das Beschichtungsmaterial 31 liegt hierbei in einer homogenen Mischphase vor und weist als Schichtbestandteile Iridium in einem Gemisch mit weiteren Bestandteilen umfassend Titan-Niob und Titan-Niob-Nitrid auf. Die Konzentrationen der Bestandteile in der homogenen Einlagenschicht sind über die Schichtdicke D näherungsweise konstant.
  • Demgegenüber zeigt FIG 4 eine alternative Ausgestaltung der korrosionsfesten Beschichtung 29 als gradierte Einlagenschicht. Die gradierte Einlagenschicht ist als Monolage in einer einzigen Lage 37a auf den metallischen Grundkörper 23 aus Titan 27 als Substrat aufgebracht. Durch die Gradierung verändert sich die Konzentration der Bestandteile des Schichtmaterials gezielt über die Schichtdicke D, so dass ein Konzentrationsgradient gebildet ist. Vorliegend nimmt die Konzentration von Iridium bzw. wahlweise auch Iridiumcarbid in der Lage 37a zu der Oberfläche hin zu. An der Oberfläche der korrosionsfesten Beschichtung 29 kann die Konzentration von Iridium bzw. Iridiumcarbid bis zu 100% betragen, so dass an der Oberfläche eine geschlossene Schutzschicht aus Iridium bzw. Iridiumcarbid gebildet ist. Die Konzentration von Titan-Niob und Titan-Niob-Nitrid nimmt entsprechend zur Überfläche hin ab. Die Konzentration von Iridium bzw. Iridiumcarbid an der Grenzfläche der Monolage 37a zum Substrat ist verschwindend gering oder gleich Null.
  • In der FIG 5 ist eine korrosionsfeste Beschichtung 29 gezeigt, die als Mehrlagenschicht umfassend zwei geschichtete Monolagen 37a, 37b ausgeführt ist. Sie weist eine erste Lage 37a auf, die auf dem Substrat aufgebracht ist sowie eine zweite Lage 37b, wobei die zweite Lage auf der ersten Lage aufgebracht ist. Das Substrat ist aus einem metallischen Grundkörper 23 mit einem metallischen Grundmaterial 27 gebildet, vorliegend Titan. Die zweite Lage 37b bildet die Deckschicht 33 und damit die Oberfläche der korrosionsfesten Beschichtung 29. Die erste Lage ist als dünne homogene Monolage mit Iridium bzw. Iridiumcarbid als wesentliches Beschichtungsmaterial 31 ausgeführt. Beimischungen von Titan-Niob und/oder Titan-Niob-Nitrid sind möglich. Die erste Lage 37a bildet eine Zwischenschicht 35 zwischen dem Grundkörper 23 aus Titan und der Deckschicht 33. Die Zwischenschicht 35 ist haftvermittelnd und sorgt für eine gute Haftung und dauerhafte Anbindung der korrosionsfesten Beschichtung 29 auf dem Grundkörper 23, die durch das binäre und/oder ternäre titanbasierte Schichtmaterial 31 in der Zwischenschicht begünstigt wird. Es ist auch möglich, dass entsprechend dem Ausführungsbeispiel in FIG 4 beide Lagen 37a, 37b oder eine der Lagen 37a, 37b jeweils als gradierte Monolage ausgeführt ist.
  • In FIG 6 ist eine korrosionsfeste Beschichtung 29 als komplexes mehrlagiges Schichtsystem ausgeführt. Dieses Schichtsystem ist auf dem Grundkörper 23 aus einem metallischen Grundmaterial 35 aufgebracht, vorliegend ein Edelstahl als Substrat. Die drei aufgeschichteten Lagen 37a, 37b, 37c bilden eine Zwischenschicht 35 auf die die Lage 37d als Deckschicht 33 aufgebracht ist. Es handelt sich bei der Beschichtung um eine gradierte Mehrlagenschicht der Schichtdicke D, so dass zumindest innerhalb der die Zwischenschicht 35 bildenden Lagen 27a,37b, 37c die Konzentration der Bestandteile Titan-Niob, Titan-Niob-Nitrid und Iridium und/oder Iridiumcarbid in der Auswachsrichtung der Lagen 37a bis 37d variiert und hinsichtlich der Anforderungen an den Korrosionsschutz gezielt eingestellt ist. Die Deckschicht 33 ist als homogene Einlagenschicht in der Lage 37d ausgeführt mit einem hohen Anteil an Iridium und/oder Iridiumcarbid von bis zu 100%. Es ist aber auch möglich, dass die Deckschicht 33 als gradierte Einlagenschicht ausgeführt ist, oder dass einzelne der Lagen 37a, 37b, 37c der Zwischenschicht 35 als homogene Einlagenschicht ausgeführt sind. Die Deckschicht 33 ist im Betrieb in einer Elektrolysezelle 1 mit ihrer Oberfläche unmittelbar dem korrosiven Angriff durch die hohe Sauerstoffkonzentration in einer anodischen Halbzelle 7 ausgesetzt
  • Die korrosionsfeste Beschichtung 29 findet besonders vorteilhaft Verwendung zur Beschichtung metallischer Komponenten oder Funktionsteile einer Elektrolysezelle 1, bevorzugt in der anodischen Halbzelle 7. In besonderer Weise ist bei einer anodischen Halbzelle 7 eine Verwendung der korrosionsfesten Beschichtung 29 bei einer Bipolarplatte 13a oder einer Gasdiffusionsschicht 11a vorgesehen. Im Allgemeinen kommen alle Komponenten, Bauteile oder Funktionsteile, die eine Kanalstruktur 13a in der anodischen Halbzelle 7 bilden und deren Oberflächen im Betrieb einer schädigenden korrosiven Beaufschlagung mit Sauerstoff ausgesetzt sind, für eine Anwendung der korrosionsfesten Beschichtung 29 in Betracht.
  • Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. So können Merkmale der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
  • Der hier verwendete Ausdruck "und/oder" bedeutet bei Benutzung in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen, dass jedes der aufgeführten Elemente allein verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.

Claims (16)

  1. Elektrolysezelle (1) zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse mit einer kathodischen Halbzelle (5) und einer anodischen Halbzelle (7), wobei die kathodische Halbzelle (5) und die anodische Halbzelle (7) mittels einer Polymerelektrolytmembran (4) voneinander getrennt sind, die anodische Halbzelle (7) aufweisend:
    - eine Kanalstruktur (13a) umfassend einen Grundkörper (23) aus einem metallischen Grundmaterial (25, 27), wobei auf den Grundkörper (23) eine korrosionsfeste Beschichtung (29) aufgebracht ist.
  2. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1, bei der die korrosionsfeste Beschichtung (29) ein Beschichtungsmaterial (31) mit einem hohen Oxidationspotenzial aufweist.
  3. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die korrosionsfeste Beschichtung (29) Iridium (Ir) und/oder Iridiumcarbid (IrC) als Bestandteil aufweist.
  4. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die korrosionsfeste Beschichtung (29) als Bestandteil eine binäre und/oder ternäre Verbindung, enthaltend Titan, aufweist.
  5. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 4, bei der die binäre Verbindung Titan-Niob (TiNb) und die ternäre Verbindung Titan-Niob-Nitrid (TiNbN) aufweist.
  6. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die korrosionsfeste Beschichtung (29) eine Schichtdicke (D) von etwa 0,02 bis 0,5 Mikrometer, insbesondere von etwa 0,08 bis 0,3 Mikrometer, aufweist.
  7. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die korrosionsfeste Beschichtung (29) einlagig, mehrlagig oder in gradierten Schichten ausgeführt ist.
  8. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die korrosionsfeste Beschichtung (29) mittels Physical-Vapor-Deposition (PVD) oder Plasma-Assisted-Chemical-Vapor-Deposition (PACVD) aufgebracht ist.
  9. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das metallische Grundmaterial (25, 27) Edelstahl oder Titan ist.
  10. Verwendung einer Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff.
  11. Korrosionsfeste Beschichtung (29) zum Aufbringen als Schutzschicht auf eine metallische Komponente einer Elektrolysezelle (1), aufweisend die Bestandteile Titan-Niob (TiNb) und Titan-Niob-Nitrid (TiNbN) sowie Iridiumcarbid (IrC) und/oder Iridium (Ir).
  12. Korrosionsfeste Beschichtung (29) nach Anspruch 11, ausgeführt als homogene Einlagenschicht, gradierte Einlagenschicht oder gradierte Mehrlagenschicht.
  13. Korrosionsfeste Beschichtung (29) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, ausgeführt als Mehrlagenschicht mit Iridiumcarbid (IrC) und/oder Iridium (Ir) als Deckschicht (33).
  14. Verwendung von Iridium (Ir) und/oder Iridiumcarbid (IrC) als Bestandteil einer korrosionsfesten Beschichtung (29) einer metallischen Komponente einer Elektrolysezelle (1).
  15. Verwendung nach Anspruch 14, umfassend Titan-Niob (TiNb) und/oder Titan-Niob-Nitrid (TiNbN) als weiteren Bestandteil der korrosionsfesten Beschichtung (29).
  16. Verwendung nach Anspruch 14 oder 15 bei einer eine Kanalstruktur (13a, 13b) bildenden Bipolarplatte (21a, 21b) und/oder einer Gasdiffusionsschicht (11a, 11b) als metallisehe Komponente einer Elektrolysezelle (1), insbesondere bei einer anodischen Halbzelle (7).
EP21192595.3A 2021-08-23 2021-08-23 Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und korrosionsfeste beschichtung Withdrawn EP4141145A1 (de)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21192595.3A EP4141145A1 (de) 2021-08-23 2021-08-23 Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und korrosionsfeste beschichtung
PCT/EP2022/065575 WO2023025426A1 (de) 2021-08-23 2022-06-08 Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und beschichtung
EP22734895.0A EP4370728A1 (de) 2021-08-23 2022-06-08 Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und beschichtung
CN202280057070.3A CN117858979A (zh) 2021-08-23 2022-06-08 用于聚合物电解质膜电解的电解电池以及涂覆部
CA3229870A CA3229870A1 (en) 2021-08-23 2022-06-08 Electrolysis cell for polymer electrolyte membrane electrolysis and coating
US18/685,245 US20240352601A1 (en) 2021-08-23 2022-06-08 Electrolysis cell for polymer electrolyte membrane electrolysis and coating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21192595.3A EP4141145A1 (de) 2021-08-23 2021-08-23 Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und korrosionsfeste beschichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4141145A1 true EP4141145A1 (de) 2023-03-01

Family

ID=77447795

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21192595.3A Withdrawn EP4141145A1 (de) 2021-08-23 2021-08-23 Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und korrosionsfeste beschichtung
EP22734895.0A Pending EP4370728A1 (de) 2021-08-23 2022-06-08 Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und beschichtung

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22734895.0A Pending EP4370728A1 (de) 2021-08-23 2022-06-08 Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und beschichtung

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240352601A1 (de)
EP (2) EP4141145A1 (de)
CN (1) CN117858979A (de)
CA (1) CA3229870A1 (de)
WO (1) WO2023025426A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117626311A (zh) * 2023-11-28 2024-03-01 广东卡沃罗氢科技有限公司 一种双极板、电解小室及电解槽
CN117626183B (zh) * 2024-01-23 2024-04-30 北京科技大学 一种导电耐蚀涂层及其制备方法和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2957659A1 (de) 2014-06-16 2015-12-23 Siemens Aktiengesellschaft Gasdiffusionsschicht, PEM-Elektrolysezelle mit einer solchen Gasdiffusionsschicht sowie Elektrolyseur
WO2018078157A1 (de) * 2016-10-31 2018-05-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung Bipolarplatte und poröse transportschicht für einen elektrolyseur
EP3489394A1 (de) 2017-11-24 2019-05-29 Siemens Aktiengesellschaft Elektrolyseanlage zur niederdruck-pem-elektrolyse
US20200216947A1 (en) * 2017-08-11 2020-07-09 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Method for producing components and components produced in accordance with said method

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016202372A1 (de) * 2016-02-17 2017-08-17 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Schicht und Schichtsystem, sowie Bipolarplatte, Brennstoffzelle und Elektrolyseur

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2957659A1 (de) 2014-06-16 2015-12-23 Siemens Aktiengesellschaft Gasdiffusionsschicht, PEM-Elektrolysezelle mit einer solchen Gasdiffusionsschicht sowie Elektrolyseur
WO2018078157A1 (de) * 2016-10-31 2018-05-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung Bipolarplatte und poröse transportschicht für einen elektrolyseur
US20200216947A1 (en) * 2017-08-11 2020-07-09 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Method for producing components and components produced in accordance with said method
EP3489394A1 (de) 2017-11-24 2019-05-29 Siemens Aktiengesellschaft Elektrolyseanlage zur niederdruck-pem-elektrolyse

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KUMAR, S ET AL.: "Hydrogen production by PEM water electrolysis - A review", MATERIALS SCIENCE FOR ENERGY TECHNOLOGIES, vol. 2, no. 3, 2019, pages 442 - 454, Retrieved from the Internet <URL:https://doi.org/10.1016/j.mset.2019.03.002>

Also Published As

Publication number Publication date
CA3229870A1 (en) 2023-03-02
WO2023025426A1 (de) 2023-03-02
CN117858979A (zh) 2024-04-09
US20240352601A1 (en) 2024-10-24
EP4370728A1 (de) 2024-05-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013209918B4 (de) Verfahren zum Abscheiden einer dauerhaften dünnen Goldbeschichtung auf Brennstoffzellen-Bipolarplatten
DE10230395A1 (de) Leitfähiges Bauteil für elektrochemische Zellen sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils
DE102016102393A1 (de) Korrosionsbeständige bipolarplatte aus metall für eine protonenaustauschmembran-brennstoffzelle (pemfc) mit radikalfänger
DE102016102179A1 (de) Mehrlagige Beschichtung für eine korrosionsbeständige Bipolarplatte aus Metall für eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEMFC)
EP4130341A1 (de) Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und verfahren zu deren herstellung
DE112005001131B4 (de) Brennstoffzellenanordnung
DE102007057699A1 (de) Ein elektrisches Kontaktelement für eine Brennstoffzelle mit einer leitenden Beschichtung mit monoatomarer Schicht
DE102014109321A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle
EP4370728A1 (de) Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und beschichtung
WO2018078157A1 (de) Bipolarplatte und poröse transportschicht für einen elektrolyseur
DE102004053582A1 (de) Neues elektrisches Kontaktelement für eine Brennstoffzelle
EP1793444B1 (de) Hochtemperatur-Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle
EP4014271B1 (de) Elektrodeneinheit und redox-flow-zelle
EP4124676A1 (de) Elektrolyseanlage mit einer mehrzahl von elektrolysezellen
EP4264717A1 (de) Schicht und schichtsystem, sowie elektrisch leitfähige platte und elektrochemische zelle
DE102008049712A1 (de) Planare Hochtemperatur-Brennstoffzelle
EP4112781A1 (de) Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und verfahren zu deren herstellung
DE102007058907A1 (de) Chromhaltiges, metallisches Substrat und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102008032498A1 (de) Stromlos abgeschiedene Schutzschichten
WO2003026036A2 (de) Beschichtetes plattenförmiges metallobjekt als komponente eines brennstoffzellenstapels
WO2022105959A1 (de) Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur
DE102024105383A1 (de) Bauteil für eine elektrochemische Zelle, sowie Redox-Flow-Zelle, Brennstoffzelle und Elektrolyseur
WO2024183856A1 (de) Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur
DE102021124470A1 (de) Elektrode, Redox-Flow-Zelle sowie Redox-Flow-Batterie
DE102021130935A1 (de) Schicht und Schichtsystem, sowie elektrisch leitfähige Platte und elektrochemische Zelle

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20230902