EP4370728A1 - Electrolysis cell for polymer electrolyte membrane electrolysis and coating - Google Patents
Electrolysis cell for polymer electrolyte membrane electrolysis and coatingInfo
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- EP4370728A1 EP4370728A1 EP22734895.0A EP22734895A EP4370728A1 EP 4370728 A1 EP4370728 A1 EP 4370728A1 EP 22734895 A EP22734895 A EP 22734895A EP 4370728 A1 EP4370728 A1 EP 4370728A1
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Definitions
- the invention relates to an electrolytic cell for polymer electrolyte membrane electrolysis, a coating for corrosion protection and the use thereof.
- Hydrogen can be obtained from deionized water by electrolysis.
- the electrochemical cell reactions of the hydrogen formation reaction (HER) and oxygen formation reaction (OER) take place.
- the reactions at the anode and cathode can be defined as follows:
- 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 under the term 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 electrolysis system typically comprises a plurality of PEM electrolysis cells, as described in EP 3 489 394 A1.
- a PEM electrolytic cell is described, for example, in EP 2 957 659 A1.
- the PEM electrolytic cell shown there comprises an electrolyte made from 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
- 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 form hydrogen product gas H2.
- PEM electrolysis 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, for example.
- these corrode due to the acidic environment of the PEM electrolysis. This corrosion process is called acid corrosion.
- the presence of elemental oxygen is not necessary here, since this is provided solely by the dissociation of the surrounding water.
- 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 an increased internal resistance and in foreign ions entering the PEM.
- a current-collecting metallic bipolar plate is disclosed therein, the base body of which—a metal sheet—is coated with a three-layer system, with a first underlying layer being applied to the metal sheet.
- a second backing layer is applied to the first backing layer and finally a cover layer is applied to the second backing layer as a third layer.
- the first underlying layer is in the form of a metallic alloy layer comprising the metals titanium and niobium with a layer thickness of 0.1 ⁇ m.
- the second underlying layer with a layer thickness of 0.4 ⁇ m has the alloy metals titanium, niobium and also nitrogen.
- a top layer of iridium carbide (IrC) with a layer thickness of 10 to 20 nm is applied to the second underlayer.
- IrC iridium carbide
- a layer thickness of more than 0.5 ⁇ m must therefore be set in order to achieve corrosion protection for a bipolar plate.
- a further object of the invention is to specify a coating for corrosion protection which satisfies these special requirements in the operation of 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.
- At least one of the half-cells has a channel structure formed by a gas diffusion layer and a bipolar plate, the bipolar plate having a base body made of a metallic base material on which a coating made of a coating material is applied, wherein the coating material is present in a homogeneous mixed phase comprising titanium niobium (TiNb), titanium niobium nitride and iridium and/or iridium carbide (IrC).
- TiNb titanium niobium
- IrC iridium carbide
- the anodic half-cell and the cathodic half-cell thus optionally each have a channel structure comprising a base body made of a metallic base material, with an advantageously thin mixed-crystal coating being applied to the base body of the bipolar plate.
- This homogeneous mixed phase of binary and ternary titanium compound with an admixture of iridium black or iridium carbide leads to a significant increase in corrosion protection for bipolar plates in electrolytic cells and electrolysers.
- the use of expensive iridium compounds is reduced by the homogeneous mixture, so that correspondingly thinner layer thicknesses and simpler structures are possible compared to known multi-layer systems. In this way, a closed, corrosion-resistant coating can be specified.
- 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), z. B. proceed according to equation (II).
- the anodic half-cell forms the reaction space in which the anode reaction (s), z. B. proceed according to equation (I).
- the invention is based on the knowledge that in an electrolytic cell, in particular on the side of the anodic half-cell, only inadequate approaches to avoiding or reducing technical problems and limitations due to corrosion-related degradation effects have been proposed that do not address the cause itself.
- metallic components and parts of the anode d. H .
- Components and parts on the oxygen side are subject to high levels of oxidative attack, jeopardizing long-term reliable and effi cient operation.
- high-quality metallic materials such as titanium and category 1 stainless steel are used. 4404 or 1 . 4571 , but these materials also form oxides due to massive exposure to oxygen . Corrosion stability is insufficient.
- Oxidation is predominantly at the surface of the gas diffusion layer and adjacent live electrical contact surfaces. These local contact surfaces, which are then poorly electrically conductive due to the oxidation, lead to high ohmic losses in the electrolytic cell and to a necessary increase in the cell voltage at a constant current density. Ef fi ciency losses and degradation of the anode are the result of inhomogeneous current distribution with disadvantageous local current peaks.
- the invention addresses the problems described in an advantageous manner in that the channel structure of the anodic half-cell or the cathodic 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 of 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 the simultaneous material transport for educts and products in the anodic half-cell is still guaranteed.
- 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 the channel wall of the channel structure for this purpose. limit .
- 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 made of a metallic base material is important such as fleece, expanded metal and gas diffusion layers, have the 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 depending on the structure of the electrolytic cell also other components with a base body made of a metallic base material that 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 coating is applied to the base body as a homogeneous single layer.
- the coating preferably has titanium niobium (TiNb) and titanium niobium nitride (TiNbN) as basic components, to which iridium (Ir) and/or iridium carbide (IrC) is added.
- TiNb titanium niobium
- TiNbN titanium niobium nitride
- IrC iridium carbide
- the corrosion-resistant coating has a coating material with a high oxidation potential.
- Precious metals or precious 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 or corrosion-preventing protective 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 absorb 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 with +0.35 V under standard conditions is significantly more positive than that of the Zn/Zn 2+ pair with -0. 76v.
- Zn is one of the baser metals and is a stronger reducing agent, so it reduces its reactant and is itself oxidized and gives up 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 together can be present in the coating material as components in the coating material.
- particularly iridium or iridium carbide itself Particularly suitable as corrosion protection in an electrolytic cell.
- Other components in the coating material are not ruled out 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 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 as well as proportions of iridium and/or iridium carbide as an admixture.
- the coating system can then be present, for example, in a mixed phase or as a mixed crystal with the appropriate number of components, which is particularly advantageous.
- a mixed phase is a homogeneous phase that consists 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 proportion x.
- the amount of material 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 preferably has titanium niobium (TiNb) and the ternary compound has titanium niobium nitride (TiNbN).
- TiNb titanium niobium
- TiNbN titanium niobium nitride
- a coating system is advantageously created for corrosion protection that allows various adaptations and allows for different configurations in terms of material proportions and number of layers and applications in the coating of components and surface areas of the electrolytic cell that are particularly at risk from oxidation, such as the bipolar plate, the gas diffusion layer, in nonwovens and in gas di f fusion layers and in general the channel structure designed for material transport and electrical contacting.
- the coating is applied over the entire area of the bipolar plate in the form of a closed protective layer on its base body.
- the base body of the bipolar plate preferably has a large number of grooves or Channels, so that during operation of the electrolytic cell in the channel structure favors a fluid transport and a uniform electrical contact and voltage supply of the half-cells can be brought about.
- 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 mesh.
- the layer thickness range is preferably 0, depending on the component. 02 - 0 . 5 microns and can be adjusted in each case by the selected coating process.
- the corrosion-resistant coating is designed 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 particularly preferably present in the titanium-niobium, titanium-niobium-nitride system with the iridium and any other additives in a homogeneous mixed phase or as a mixed crystal.
- 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 layer composition, or as a graded multi-layer coating with a continuous gradient in the chemical layer composition.
- 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 on 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 Dissolved niobium atoms these ionized and by the applied voltage in the direction of the substrate , ie . H . of the base body, made of the metallic base material, is accelerated.
- the introduction of further components into the coating or layer takes place accordingly.
- the base material is stainless steel or titanium.
- titanium can be selected 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 is equipped with effective corrosion protection for material transport during electrolysis on the other. through the material Choosing the substrate and coating material also allows for good process control in the chosen 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 micrometers can be achieved, which is of great advantage for good electrical contacting in an electrolytic cell, which is particularly uniform over the area. Furthermore, a high adhesive strength 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.
- bipolar plate forming a channel structure and/or a gas diffusion layer as a metallic component of an electrolysis cell in particular in an anodic half-cell ( 7 ) of an electrolysis cell ( 1 ), is particularly preferred.
- the corrosion-resistant coating By means of the corrosion-resistant coating according to the invention, one of the electrolytic cells described above for polymer electrolyte membrane electrolysis can be coated or. the corrosion-resistant coating is applied to components of an electrolytic cell that are particularly at risk of corrosion on their base body made of a metallic base material.
- the corrosion-resistant coating is therefore preferably used in the anodic half-cell to counteract the predominant oxygen-induced corrosion there.
- 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 material use of expensive iridium or compared to a monolayer of an iridium-based protective layer, without impairing the corrosion protection.
- the corrosion-resistant coating is in the form of a homogeneous single-layer coating, a graded single-layer coating or a graded multi-layer coating.
- the corrosion-resistant coating can therefore be in the form of a homogeneous single-layer coating.
- the selected layer components are in the system titanium-niobium, titanium-niobium-nitride with the iridium and any other additives 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 designed as a graded single-layer coating with a continuous gradient in the chemical layer composition or as a graded multi-layer coating with a continuous gradient in the chemical layer composition.
- the configuration as a nanostructured layer system for the corrosion-resistant coating is also conceivable.
- the corrosion-resistant coating can preferably be implemented as a multilayer coating with iridium carbide and/or iridium as a component of the top layer.
- iridium and/or iridium oxide are preferably the essential components of the top layer, or it is possible for the top layer to have iridium or iridium oxide as its main component.
- a multi-layer coating further layers are then provided below the top layer, which have other 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 adjusted manner, preferably in the direction of the substrate or Basic body decreasing concentration gradient.
- other 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 adjusted manner, preferably in the direction of the substrate or Basic body decreasing concentration gradient.
- 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 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. H . Educt flow and product flow are guided through the channel structure.
- the Surfaces of the channel structure that limit the channel structure and that are exposed to the oxygen during operation and are exposed to corrosion attacks 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, be made of titanium as the base material with a porous base body, such as a titanium-based expanded metal or wire mesh, and be provided with the corrosion-resistant coating.
- the corrosion-resistant coating according to the invention 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 thus the current density over the cell area is more homogeneous. In addition to protection against corrosion, this leads to better and, above all, more uniform current distribution during operation of the electrolytic cell.
- the anodic half-cell preferably has a gas diffusion layer formed from titanium as the base material.
- An embodiment of fine-meshed titanium material is preferably used here as the base material for the gas diffusion layer, for example titanium nonwovens, titanium foams, titanium fabrics, titanium-based expanded gratings or combinations thereof. This also increases the local contact points to the electrode and the electrical resistance in the contact area is particularly uniform.
- the term “lattice” refers to present context a fine-meshed network. The carrier materials mentioned are characterized by high corrosion resistance.
- the terms "lattice” 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 functionally formed by 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 or be designed as a bipolar plate. 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 a schematic representation of an electrolysis cell for polymer electrolyte membrane electrolysis according to the prior art
- 2 shows an exemplary anodic half-cell with channel structure and corrosion-resistant coating according to the invention
- 3 shows a corrosion-resistant coating in an embodiment as a homogeneous single-layer coating
- FIG. 5 shows a corrosion-resistant coating in an embodiment as a multi-layer coating
- FIG. 6 shows a corrosion-resistant coating in an embodiment as a graded multi-layer coating.
- the electrolytic cell 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 one side of the polymer electrolyte membrane 3, in the representation according to FIG anodic half-cell 7 of the electrolytic cell 1 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 designed for fluid transport.
- the anodic catalyst layer 9 has an anodic catalyst material 15 and catalyzes the anode reaction according to equation (I).
- the anodic catalyst material 15 iridium or Iridium oxide is selected as the catalytically active species which 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 an anodic catalyst material 9 .
- the gas diffusion layer 11a is made of a material on the surface of which a passivation layer is quickly 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 high-grade steel.
- 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.
- 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 material transport of the starting materials 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 record, which affect the service life of the electrolytic cell 1 very adversely.
- the electrolytic cell 1 which has been decorated and further developed is shown schematically by way of example in FIG.
- the anodic half-cell 7 of the exemplary embodiment of an electrolytic cell 1 shown in FIG. 2 is composed in terms of its basic structure analogously to the electrolytic cell 1 according to FIG. 1, so that reference can be made to the relevant statements.
- the anodic half-cell 7 has 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.
- In the base body 23 of the bipolar plate 21a is a multiplicity of grooves or Milled channels to promote fluid transport and at the same time a uniform electrical contact and voltage supply of the anodic half-cell 7 .
- the gas diffusion layer 11a and the bipolar plate 21a are designed and arranged adjacent to one another in such a way that a channel structure 13a is formed, which encompasses the metal base body 23 made of the metal 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 homogeneous mixed phase, wherein the mixed phase iridium and / or iridium carbide is added as further components in a flexibly adjustable amount.
- the need for iridium required can be reduced to a minimum or compared to an iridium layer or Iridium carbide layer can be significantly reduced.
- 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 full surface of the bipolar plate 21a in the form of a closed protective layer on the base body 23, at least as shown in the area of surfaces that delimit the channel structure 13a.
- the coating measure can alternatively also be applied to the particularly critical ones Surface areas of the bipolar plate 21a are locally limited 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 useful.
- 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.
- the corrosion-resistant coating 29 is also applied to components or components with very complex surface structures 29 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, and can therefore be selected to be comparatively thin for the application.
- the metallic base material 25 of the bipolar plate 21a is a high-grade steel, eg. B. the material number 1 . 4404 or 1 . 4571, and the metal base material 27 of the gas diffusion layer 11b is titanium.
- FIG. 3 shows a schematic representation of a corrosion-resistant coating 29 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 an alternative configuration of the corrosion-resistant coating 29 as a graded single-layer coating.
- 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 iridium carbide can be up to 100%, so that a closed protective layer of iridium or iridium carbide is formed.
- FIG. 5 shows a corrosion-resistant coating 29 which is designed as a multi-layer coating comprising two layered mono-layers 37a, 37b. It has a first layer 37a, which is applied to the substrate, and a second layer 37b, the second layer 37b being applied to the first layer 37a.
- 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 second layer 37b is a thin, homogeneous monolayer with iridium or Iridium carbide designed 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 attachment of the corrosion-resistant coating 29 on the base body 23 , which is promoted by the binary and/or ternary titanium-based layer material 31 in the intermediate layer 35 . It is also possible for both layers 37a, 37b or one of the layers 37a, 37b to be in the form of a graded monolayer in accordance with the exemplary embodiment in FIG.
- a corrosion-resistant coating 29 is designed as a complex multi-layer system.
- This layer system is applied to the base body 23 from a metallic base material 35 , in the present case a stainless steel substrate.
- the three layered layers 37a, 37b, 37c form an intermediate layer 35 to which the layer 37d is applied as a cover layer 33.
- the coating is a graded multilayer coating of layer thickness D, so that at least within the layers 37a, 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
- the growth direction of the layers 37a to 37d varies and is specifically adjusted with regard to the requirements for corrosion protection.
- the cover layer 33 is a homogeneous insert gene layer in the position 37d performed with a high proportion of iridium and / or iridium carbide of up to 100%.
- the cover layer 33 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 used particularly advantageously 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 in a special way 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 can be considered 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.
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Abstract
The invention relates to an electrolysis cell (1) for polymer electrolyte membrane electrolysis with a cathodic half-cell (5) and an anodic half-cell (7). The cathodic half-cell (5) and the anodic half-cell (7) are separated from one another by means of a polymer electrolyte membrane (4). At least one of the half-cells (7, 8) has a channel structure (13a, 13b) which is formed by a gas diffusion layer (11a, 11b) and by a bipolar plate (21a, 21b). The bipolar plate (21a, 21b) has a main body (23) made of a metal base material (25, 27), to which a coating (29) made of a coating material (31) is applied. The coating material (31) is present in a homogeneous mixed phase comprising titanium niobium (TiNb), titanium niobium nitride and also iridium and/or iridium carbide (IrC), in particular in a homogeneous single layer which is formed on the metal main body (23). A coating (29) to be applied as a protective layer to a metal component of an electrolysis cell (1) is also described. This coating comprises the constituents titanium niobium (TiNb) and titanium niobium nitride (TiNbN) and also admixtures of iridium carbide (IrC) and/or (Ir).
Description
Beschreibung Description
Elektrolysezelle zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse und Beschichtung Electrolytic cell for polymer electrolyte membrane electrolysis and coating
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse, eine Beschichtung zum Korrosionsschutz sowie deren Verwendung. The invention relates to an electrolytic cell for polymer electrolyte membrane electrolysis, a coating for corrosion protection and the use thereof.
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: Hydrogen can be obtained from deionized water by electrolysis. The electrochemical cell reactions of the hydrogen formation reaction (HER) and oxygen formation reaction (OER) take place. In the case of acidic electrolysis, the reactions at the anode and cathode can be defined as follows:
Anode 2 H2O -> 4 H+ + O2 + 4 e (I) Anode 2 H 2 O -> 4 H+ + O 2 + 4 e (I)
Kathode H+ + 2 e~
H2 (II) Cathode H + + 2e~ 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 Wasserstoff ionen als positiv geladene Teilchen. Eine PEM-Elektrolyseanlage umfassend typischerweise eine Mehrzahl von PEM-Elektrolysezellen, wie etwa in der EP 3 489 394 Al beschrieben. In what is known as polymer electrolyte membrane electrolysis (PEM 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 under the term proton exchange membrane. The 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 electrolysis system typically comprises a plurality of PEM electrolysis cells, as described in EP 3 489 394 A1.
Eine PEM-Elektrolysezelle ist beispielsweise in der EP 2 957 659 Al 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. A PEM electrolytic cell is described, for example, in EP 2 957 659 A1. The PEM electrolytic cell shown there comprises an electrolyte made from a proton-conducting membrane (proton exchange membrane, PEM), on which the electrodes, a cathode and an anode, are located on both sides. The assembly of membrane and electrodes is referred to as a membrane-electrode assembly (MEA). 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. At the same time, 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 form hydrogen product gas 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 . The cell reactions mentioned according to equations (I) and (II) are in equilibrium with their reverse reactions at a cell voltage of 1.48 V, taking into account the increase in entropy when changing from liquid water to gaseous hydrogen or oxygen. In order to achieve correspondingly high product flows in a reasonable time (production output) and thus a current flow, a higher voltage, the overvoltage, is necessary. The PEM electrolysis is therefore carried out at a cell voltage of approx. 1.8 - 2.1 V.
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. A PEM electrolysis 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.
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 Gasdi f fusionsschicht eingesetzt werden . Hohe Anforderungen gelten aber auch für die Materialwahl des anodenseitigen Katalysatormaterials sowie für die Bipolarplatte , die an der Gasdi f fusionsschicht anliegt und diese elektrisch kontaktiert . Hierdurch ist eine j eweilige Kanalstruktur gebildet für den Medientransport der Beteiligten Edukt- und Produktströme . Allerdings lassen sich aufgrund des hohen Sauerstof f anteils an der Anode selbst dadurch an der Anode die Degradationsef fekte und Korrosion nicht gänzlich vermeiden, sondern allenfalls hinaus zögern . Due to the formation reaction of the oxygen, high oxidative potentials arise at the anode, which is why high-quality materials with a rapid Passivation kinetics, e.g. B. Titanium, in particular for the Gasdi f fusion layer are used. However, there are also high requirements for the choice of material for the anode-side catalyst material and for the bipolar plate, which rests against the gas diffusion layer and makes electrical contact with it. As a result, a respective channel structure is formed for the media transport of the educt and product streams involved. However, due to the high proportion of oxygen at the anode itself, the degradation effects and corrosion at the anode cannot be completely avoided, but at best delayed.
Kathodisch ist das Potential hingegen weniger oxidativ, so dass dort beispielsweise die Gasdi f fusionsschichten 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 Sauerstof f nicht notwendig, da dieser allein schon durch die Dissoziation des umliegenden Wassers bereitgestellt wird . Die Metallionen an der Grenz fläche der Metalloberfläche werden durch das Hydro- xidanion zum j eweiligen Hydroxidsal z oxidiert . Dies führt zu einer Degradation der Zelle , welche sich durch einen erhöhten Innenwiderstand und durch Fremdeintrag von Ionen in die PEM äußert . On the other hand, the cathodic potential is less oxidative, so that the gas diffusion layers can be made of stainless steel, for example. However, these corrode, among other things, due to the acidic environment of the PEM electrolysis. This corrosion process is called acid corrosion. The presence of elemental oxygen is not necessary here, since this is provided solely by the dissociation of the surrounding water. 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 an increased internal resistance and in foreign ions entering the PEM.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze beschrieben, um den vorstehend erläuterten Degradationsef fekten 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 Degradationsef fekte der Anode hinsichtlich der katalytischen Aktivität zumindest temporär ausgleichen . Um anodenseitig Degradationsef fekte durch lokale elektrische Kontaktwiderstände und eine damit einhergehende inhomogene Stromverteilung in dem Ver-
bundsystem Gasdi f fusionsschicht und Katalysatorschicht zu vermindern, wurde unter anderem die Optimierung des Anpressdrucks der Gasdi f fusionsschicht an die Katalysatorschicht vorgeschlagen . Dies birgt j edoch 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 . Various approaches are described in the prior art in order to counteract the degradation effects at the anode and at the cathode explained above. For example, it has been proposed for the anode-side catalyst to introduce a larger amount of catalytically active species into the anodic catalyst layer in the catalyst layer, i. H . to provide a higher concentration of catalytically active species. In this way, in particular, degradation effects of the anode with regard to the catalytic activity can be compensated for at least temporarily. In order to avoid degradation effects on the anode side due to local electrical contact resistances and an associated inhomogeneous current distribution in the To reduce the bonded system of gas di f fusion layer and catalyst layer, optimization of the contact pressure of the gas di f fusion layer on the catalyst layer was suggested, among other things. However, this always harbors the risk of perforation of the membrane electrode assembly (MEA) due to an excessively high contact pressure when assembling and axially stacking the electrolytic cells to form an electrolytic stack and its mechanical bracing with a high axial force. This leads to short circuits, making the electrolytic cell unusable and the operation of the electrolyzer is significantly endangered or even impossible.
In der DE 10 2017 118 320 Al ist ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Bauteilen für Energiesysteme wie Brennstof f zellen oder Elektrolyseure beschrieben . Darin ist eine stromabnehmende metallische Bipolarplatte offenbart , deren Grundkörper - ein Metallblech - mit einem dreilagigen Schichtsystem beschichtet ist , wobei eine erste Unterlagenschicht auf das Metallblech aufgebracht ist . Auf die erste Unterlagenschicht ist eine zweite Unterlagenschicht aufgebracht und auf die zweite Unterlagenschicht ist schließlich als dritte Schicht eine Deckschicht aufgebracht . Die erste Unterlagenschicht ist in Form einer metallischen Legierungsschicht ausgebildet , umfassend die Metalle Titan und Niob mit einer Schichtdicke von 0 , 1 pm . Die zweite Unterlagenschicht mit einer Schichtdicke von 0 , 4 pm weist die Legierungsmetalle Metalle Titan, Niob und weiterhin Stickstof f auf . Eine Deckschicht aus Iridiumcarbid ( IrC ) mit 10 bis 20 nm Schichtdicke ist auf der zweiten Unterlagenschicht aufgetragen . In dem mehrlagigen Schichtsystem der DE 10 2017 118 320 Al ist somit eine Schichtdicke von mehr als 0 , 5 pm einzustellen, um einen Korrosionsschutz für eine Bipolarplatte zu erzielen . DE 10 2017 118 320 A1 describes a method for producing components, in particular components for energy systems such as fuel cells or electrolyzers. A current-collecting metallic bipolar plate is disclosed therein, the base body of which—a metal sheet—is coated with a three-layer system, with a first underlying layer being applied to the metal sheet. A second backing layer is applied to the first backing layer and finally a cover layer is applied to the second backing layer as a third layer. The first underlying layer is in the form of a metallic alloy layer comprising the metals titanium and niobium with a layer thickness of 0.1 μm. The second underlying layer with a layer thickness of 0.4 μm has the alloy metals titanium, niobium and also nitrogen. A top layer of iridium carbide (IrC) with a layer thickness of 10 to 20 nm is applied to the second underlayer. In the multilayer system of DE 10 2017 118 320 A1, a layer thickness of more than 0.5 μm must therefore be set in order to achieve corrosion protection for a bipolar plate.
Im Zusammenhang beispielsweise mit der Kanalstruktur, die eine Elektrolysezelle räumlich begrenzt und zugleich für die Kontaktierung und den Stof f transport sorgt , sind bislang kaum Maßnahmen im Hinblick auf eine Verbesserung des Korrosions-
Schutzes vorgeschlagen . Auch für die weiteren metallischen Komponenten der Elektrolysezelle , beispielsweise die Gasdi ffusionsschicht , besteht hier ein erheblicher Verbesserungsbedarf für einen Korrosionsschutz , vor allem auf der Anodenseite . In connection with the channel structure, for example, which spatially delimits an electrolytic cell and at the same time ensures contact and material transport, so far hardly any measures have been taken with a view to improving the corrosion Protection proposed. There is also a considerable need for improvement in terms of corrosion protection for the other metallic components of the electrolytic cell, for example the gas diffusion layer, especially on the anode side.
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 Degradationsef fekte teilweise zu verringern und zeitlich für einen längeren Betrieb zu strecken, setzen aber nicht an der Ursache an . The approaches mentioned above therefore do not solve the actual problems of degradation caused by corrosion, in particular on the anode, sufficiently permanently and reliably for the operation of the electrolytic cell. At best, they represent temporary measures to partially reduce degradation effects caused by corrosion and extend them over a longer period of time, but they do not address the cause.
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 Beschichtung zum Korrosionsschutz anzugeben, die diesen besonderen Anforderungen im Betrieb einer Elektrolysezelle genügt . Against this background, it is the object of the invention to provide an electrolytic cell with which the corrosion problems mentioned above can be reduced or, if possible, avoided entirely. A further object of the invention is to specify a coating for corrosion protection which satisfies these special requirements in the operation of an electrolytic cell.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche . Die abhängigen Ansprüche betref fen bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen . This object is achieved according to the invention by the subject matter of the independent claims. The dependent claims relate to preferred configurations of the solutions according to the invention.
Ein erster Aspekt der Erfindung betri f ft eine Elektrolysezelle zur Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse mit einer ka- thodischen Halbzelle und mit einer anodischen Halbzelle , wobei die kathodische Halbzelle und die anodische Halbzelle mittels einer Polymer-Elektrolyt-Membran voneinander getrennt sind . Dabei weist mindestens eine der Halbzellen auf , eine Kanalstruktur, die von einer Gasdi f fusionsschicht und von einer Bipolarplatte gebildet ist , wobei die Bipolarplatte einen Grundkörper aus einem metallischen Grundmaterial aufweist , auf den eine Beschichtung aus einem Beschichtungsmaterial
aufgebracht ist , wobei das Beschichtungsmaterial in einer homogenen Mischphase umfassend Titanniob ( TiNb ) , Titanniobnitrid sowie Iridium und/oder Iridiumcarbid ( IrC ) vorliegt 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. At least one of the half-cells has a channel structure formed by a gas diffusion layer and a bipolar plate, the bipolar plate having a base body made of a metallic base material on which a coating made of a coating material is applied, wherein the coating material is present in a homogeneous mixed phase comprising titanium niobium (TiNb), titanium niobium nitride and iridium and/or iridium carbide (IrC).
Die anodische Halbzelle und die kathodische Halbzelle weisen damit wahlweise j eweils eine Kanalstruktur umfassend einen Grundkörper aus einem metallischen Grundmaterial auf , wobei auf den Grundkörper der Bipolarplatte eine vorteilhafterweise dünne Mischkristallbeschichtung aufgebracht ist . Diese homogene Mischphase aus binärem und ternären Titanverbindung mit einer Beimischung aus Iridium Black oder Iridiumcarbid führt zu einer deutlichen Erhöhung des Korrosionsschutzes bei Bipolarplatten von Elektrolysezellen und Elektrolyseuren . Zugleich ist durch die homogene Mischung der Materialeinsatz von teuren Iridiumverbindungen reduziert , so dass gegenüber bekannten Mehrschichtsystemen entsprechend dünnere Schichtdicken und einfachere Aufbauten möglich sind . Hierdurch kann eine geschlossene korrosionsstabile Beschichtung angegeben werden . The anodic half-cell and the cathodic half-cell thus optionally each have a channel structure comprising a base body made of a metallic base material, with an advantageously thin mixed-crystal coating being applied to the base body of the bipolar plate. This homogeneous mixed phase of binary and ternary titanium compound with an admixture of iridium black or iridium carbide leads to a significant increase in corrosion protection for bipolar plates in electrolytic cells and electrolysers. At the same time, the use of expensive iridium compounds is reduced by the homogeneous mixture, so that correspondingly thinner layer thicknesses and simpler structures are possible compared to known multi-layer systems. In this way, a closed, corrosion-resistant coating can be specified.
Zu den Begri f fen 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 tetra- f luorethylen-basierten Polymer mit sul fonierten Seitengruppen gebildet sein . Die kathodische Halbzelle bildet den Reaktionsraum, in dem die Kathodenreaktion ( en) , z . B . gemäß Gleichung ( I I ) ablaufen . Die anodische Halbzelle bildet den Reaktionsraum, in dem die Anodenreaktion ( en) , z . B . gemäß Gleichung ( I ) ablaufen . For the terms electrolysis and polymer electrolyte membrane as well as the reactions and (corrosion) processes taking place, reference is made to the introductory explanations. 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), z. B. proceed according to equation (II). The anodic half-cell forms the reaction space in which the anode reaction (s), z. B. proceed according to equation (I).
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 Degradationsef fekten bisher nur unzureichende Lösungsansätze vorgeschlagen wurden, die nicht an der Ursache selbst ansetzen . So sind beispielsweise bei der Wasserelekt-
rolyse bei einer Elektrolysezelle insbesondere metallische Komponenten und Bauteile der Anode , d . h . Komponenten und Bauteile auf der Sauerstof f seite , in hohem Maße oxidativen Angri f fen ausgesetzt , was einen dauerhaft zuverlässigen und effi zienten Betrieb gefährdet . Zwar kommen aufgrund des hohen Sauerstof f anteils im Anodenraum der Elektrolysezelle hochwertige metallische Werkstof fe wie beispielsweise Titan und Edelstähle der Kategorie 1 . 4404 oder 1 . 4571 , zum Einsatz , doch bilden auch diese Werkstof fe durch die massive Exposition mit Sauerstof f Oxide . Korrosionsstabilität ist nicht hinreichend gegeben . The invention is based on the knowledge that in an electrolytic cell, in particular on the side of the anodic half-cell, only inadequate approaches to avoiding or reducing technical problems and limitations due to corrosion-related degradation effects have been proposed that do not address the cause itself. For example, in the case of water rolysis in an electrolytic cell, in particular metallic components and parts of the anode, d. H . Components and parts on the oxygen side are subject to high levels of oxidative attack, jeopardizing long-term reliable and effi cient operation. Due to the high proportion of oxygen in the anode chamber of the electrolytic cell, high-quality metallic materials such as titanium and category 1 stainless steel are used. 4404 or 1 . 4571 , but these materials also form oxides due to massive exposure to oxygen . Corrosion stability is insufficient.
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 Gasdi f fusionsschicht sowie die Bipolarplatte betrof fen, 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 . These oxidative wear or Degradation phenomena lead to the removal of material and, moreover, to a disadvantageous increase in the contact and transition resistances in the electrolytic cell. On the anode side, the gas diffusion layer and the bipolar plate are particularly affected by this. In addition to the electrical contacting, the latter also forms a channel structure for the media transport of the educt stream and product stream. On the one hand, this worsens the cell voltage; on the other hand, the problem due to the limited corrosion stability of the stainless steel used is that metal cations, such as Fe 3+ or Fe 2+ cations, enter the polymer-electrolyte membrane and subsequent damaging reactions occur. This also leads to a deterioration in cell voltage due to reduced ionic conductivity of the membrane.
Die Erhöhung des lokalen elektrischen Kontaktwiderstandes zu beobachten hat eine wesentliche Ursache in einer sich rasch zeigenden Oxidation ( Passivierung) des Materials im Betrieb der Gasdi f fusionsschicht . Die Oxidation ist vorwiegend an der Oberfläche der Gasdi f fusionsschicht und angrenzenden stromführenden elektrischen Kontakt flächen zu verzeichnen . Diese dann aufgrund der Oxidation elektrisch schlecht leitenden lokalen Kontakt flächen führen zu hohen ohmschen Verlusten in der Elektrolysezelle und zu einer notwendigen Erhöhung der Zellspannung bei konstanter Stromdichte . Ef fi zienzeinbußen
und Degradation der Anode sind hier die Folge von inhomogener Stromverteilung mit nachteiligen lokalen Stromspitzen . Observing the increase in the local electrical contact resistance has an essential cause in a rapidly emerging oxidation (passivation) of the material during operation of the gas diffusion layer. Oxidation is predominantly at the surface of the gas diffusion layer and adjacent live electrical contact surfaces. These local contact surfaces, which are then poorly electrically conductive due to the oxidation, lead to high ohmic losses in the electrolytic cell and to a necessary increase in the cell voltage at a constant current density. Ef fi ciency losses and degradation of the anode are the result of inhomogeneous current distribution with disadvantageous local current peaks.
Diese nachteiligen Ef fekte werden mit der Erfindung weitgehend vermieden oder sogar überwunden . These disadvantageous effects are largely avoided or even overcome with the invention.
Die Erfindung begegnet den geschilderten Problemen in vorteilhafter Weise dadurch, dass die Kanalstruktur der anodischen Halbzelle oder der kathodischen Halbzelle eine korrosions feste Beschichtung aufweist . Die korrosions feste Beschichtung der Kanalstruktur ist hierbei auf dem metallischen Grundmaterial als Schutzschicht aufgebracht . Die Kanalstruktur weist einen Grundkörper geeigneter Geometrie aus einem metallischen Grundwerkstof f auf , beispielsweise Titan oder Edelstahl , auf den die korrosions feste Beschichtung aufgebracht ist . Die korrosions feste Beschichtung selbst ist elektrisch leitfähig ausgeführt , so dass eine elektrische Kontaktierung der bei gleichzeitigem Stof f transport für Edukte und Produkte in der anodischen Halbzelle weiterhin gewährleistet ist . The invention addresses the problems described in an advantageous manner in that the channel structure of the anodic half-cell or the cathodic 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 of 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 the simultaneous material transport for educts and products in the anodic half-cell is still guaranteed.
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 korrosions feste Beschichtung bevorzugt auf der Kanalstruktur aufgebracht , entweder als voll flächige 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 . This configuration provided by the invention makes it possible for the first time to counteract the causes of the various corrosion phenomena in the channel structure, so that the anodic half-cell withstands the oxidative environment for longer during water electrolysis. In the coating concept, 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.
Funktional kann die Kanalstruktur j e nach Ausgestaltung der anodischen Halbzelle auch die angrenzende Gasdi f fusionsschicht oder Funktionsteile der Gasdi f fusionsschicht umfassen, die j edenfalls auch den Medientransport in der Halbzelle ermöglichen und die Kanalwand der Kanalstruktur hierfür be-
grenzen . Somit kann die korrosions feste 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 funktions fähige Ausbildung einer Kanalstruktur der anodischen Halbzelle aus einem metallischem Grundmaterial bedeutsam sind, wie beispielsweise Vliese , Streckgitter und Gasdi f fusionslagen, die korrosions feste Beschichtung aufweisen . Der Begri f f Kanalstruktur ist für die Erfindung daher umfassend und funktional auf zufassen . Insbesondere umfasst die Kanalstruktur mithin nicht nur die Ausgestaltung bzw . Realisierung in Form einer Bipolarplatte aus einem metallischen Grundkörper, sondern j e 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 Gasdi f fusionsschicht , so dass ein Fluidkanal gebildet ist für den Transport der Edukt- und Produktströme . Functionally, depending on the design of the anodic half-cell, 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 the channel wall of the channel structure for this purpose. limit . Thus, 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. Thus, in addition to the bipolar plate itself, other components for which a functional formation of a channel structure of the anodic half-cell made of a metallic base material is important, such as fleece, expanded metal and gas diffusion layers, have the corrosion-resistant coating. The term channel structure is therefore to be understood comprehensively and functionally for the invention. In particular, 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 depending on the structure of the electrolytic cell also other components with a base body made of a metallic base material that 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.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolysezelle ist die Beschichtung als homogene Einlagenschicht auf dem Grundkörper aufgebracht . In a particularly preferred configuration of the electrolytic cell, the coating is applied to the base body as a homogeneous single layer.
Dabei weist die Beschichtung bevorzugt Titanniob ( TiNb ) und Titanniobnitrid ( TiNbN) als Grundbestandteile auf , denen Iridium ( Ir ) und/oder Iridiumcarbid ( IrC ) beigemischt ist . In der homogenen Mischphase oder in dem Mischkristall ermöglicht die Beimischung von beispielsweise 5 wt% - 25 wt% , vorzugsweise 8 wt% bis 15 wt% Iridium Black oder Iridiumcarbid eine Reduzierung des Materialeinsatzes von teurem Iridium, wobei die gewünschte Korrosionsschutzwirkung erzielt ist . Hierbei sind geringe Schichtdicken möglich bei guten Hafteigenschaften des Mischkristalls auf dem Grundkörper .
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die korrosions feste Beschichtung ein Beschichtungsmaterial mit einem hohen Oxidationspotenzial auf . The coating preferably has titanium niobium (TiNb) and titanium niobium nitride (TiNbN) as basic components, to which iridium (Ir) and/or iridium carbide (IrC) is added. In the homogeneous mixed phase or in the mixed crystal, the admixture of, for example, 5 wt%-25 wt%, preferably 8 wt% to 15 wt%, of iridium black or iridium carbide allows a reduction in the use of expensive iridium material, with the desired anti-corrosion effect being achieved. In this case, small layer thicknesses are possible with good adhesion properties of the mixed crystal on the base body. In a particularly preferred embodiment of the invention, the corrosion-resistant coating has a coating material with a high oxidation potential.
Ein hohes Oxidationspotenzial weisen allgemein Edelmetalle oder Edelmetalllegierungen auf , die gegenüber Sauerstof fkor- rosion weitgehend resistent sind . In der Umgebung der hohen Sauerstof fkonzentration in der Kanalstruktur der anodischen Halbzelle können diese Beschichtungsmaterialien bestehen und bieten sich für die korrosions feste Schutzschicht prinzipiell an . Hierbei ist eine geschlossene korrosions feste oder korrosionsvermeidende Schutz-schicht auf dem metallischen Grundkörper zu bevorzugen, um die anodische Sauerstof fkonzentration und entsprechende oxidative Angri f fe auf das metallische Grundmaterial abzuschirmen . Precious metals or precious 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 or corrosion-preventing protective 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.
Für eine erste Auswahl von Beschichtungsmaterial für die korrosions feste Beschichtung der Kanalstruktur kann das Redoxpotential als Maß für die Bereitschaft der Ionen dienen, die Elektronen auf zunehmen . 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, Prozess führung für die Beschichtungsprozess und erzielbarer Qualität der korrosions festen Beschichtung ist dies anpassbar . For an initial selection of coating material for the corrosion-resistant coating of the channel structure, the redox potential can serve as a measure of the readiness of the ions to absorb 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 with +0.35 V under standard conditions is significantly more positive than that of the Zn/Zn 2+ pair with -0. 76v. And that in turn means that Zn is one of the baser metals and is a stronger reducing agent, so it reduces its reactant and is itself oxidized and gives up electrons. This can be adjusted under cost-benefit considerations, process management for the coating process and the achievable quality of the corrosion-resistant coating.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die korrosions feste Beschichtung Iridium und/oder Iridiumcar- bid als Bestandteil auf . Dabei können in dem Beschichtungsmaterial wahlweise Iridium oder Iridiumcarbid 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 korrosions festen Beschichtung beschränkt werden kann . Der für die Wirkung erforderliche Anteil kann j e nach Anforderung entsprechend eingestellt werden . Es ist also im Allgemeinen vorgesehen, dass neben Iridium und/oder Iridiumcarbid weitere Bestandteile in der korrosions festen Beschichtung vorhanden sind . In a particularly preferred embodiment of the invention, the corrosion-resistant coating has iridium and/or iridium carbide as a component. In this case, either iridium or iridium carbide or, alternatively, both iridium and iridium carbide together can be present in the coating material as components in the coating material. It has been shown that particularly iridium or iridium carbide itself Particularly suitable as corrosion protection in an electrolytic cell. Other components in the coating material are not ruled out 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.
Die korrosions feste Beschichtung weist 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 korrosions feste Beschichtung ein Gemisch aus binärer und ternärer Titanverbindung enthält sowie Anteile von Iridium und/oder Iridiumcarbid als Beimischung . Das Beschichtungssystem kann dann beispielsweise in einer Mischphase oder als Mischkristall vorliegen mit der entsprechenden Anzahl von Bestandteilen, was besonders vorteilhaft ist . Unter einer Mischphase versteht man in der Thermodynamik eine homogene Phase , welche aus zwei oder mehr Stof fen besteht . Feste Mischphasen bezeichnet man auch als feste Lösungen oder Mischkristalle . Die Anteile der einzelnen Komponenten einer Mischphase können mit Hil fe des Stof fmengenanteils x als partielle Größen angegeben werden . Der Stof fmengenanteil ist dabei über die Dicke der korrosions festen Beschichtung vorteilhaft einstellbar, um die Korrosionsschut zwirkung anzupassen und den Materialeinsatz zu optimieren . The corrosion-resistant coating 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 as well as proportions of iridium and/or iridium carbide as an admixture. The coating system can then be present, for example, in a mixed phase or as a mixed crystal with the appropriate number of components, which is particularly advantageous. In thermodynamics, a mixed phase is a homogeneous phase that consists 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 proportion x. The amount of material 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.
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 geschaf fen, dass verschiedene Anpassungen zulässt und hinsichtlich Stof fmengenanteilen 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 Gasdi ffusionsschicht , bei Vliesen und bei Gasdi f fusionslagen und allgemein der für den Stof f transport und die elektrische Kontaktierung ausgebildeten Kanalstruktur . The binary compound preferably has titanium niobium (TiNb) and the ternary compound has titanium niobium nitride (TiNbN). Surprisingly, it has been shown that this class of materials based on titanium-niobium is particularly effective under the given requirements for the coating of the channel structure for corrosion protection in connection with the iridium or iridium carbide proves . Thus, a coating system is advantageously created for corrosion protection that allows various adaptations and allows for different configurations in terms of material proportions and number of layers and applications in the coating of components and surface areas of the electrolytic cell that are particularly at risk from oxidation, such as the bipolar plate, the gas diffusion layer, in nonwovens and in gas di f fusion layers and in general the channel structure designed for material transport and electrical contacting.
Vorzugsweise ist zumindest im Bereich der Kanalstruktur die Beschichtung voll flächig auf die Bipolarplatte in Form einer geschlossenen Schutzschicht auf deren Grundkörper aufgetragen . Preferably, at least in the region of the channel structure, the coating is applied over the entire area of the bipolar plate in the form of a closed protective layer on its base body.
Dabei weist der Grundkörper der Bipolarplatte bevorzugt eine Viel zahl von Nuten bzw . Kanälen auf , so dass im Betrieb der Elektrolysezelle in der Kanalstruktur ein Fluidtransport begünstigt und eine gleichmäßige elektrische Kontaktierung und Spannungsversorgung der Halbzellen herbei führbar ist . The base body of the bipolar plate preferably has a large number of grooves or Channels, so that during operation of the electrolytic cell in the channel structure favors a fluid transport and a uniform electrical contact and voltage supply of the half-cells can be brought about.
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 Schicht Zusammensetzung 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 korrosions feste Beschichtung aufweisen mit einer j eweiligen Schichtdicke , insbesondere die die Kanalstruktur der anodischen Halbzelle bildenden Komponenten wie Bipolarplatten, Gasdi f fusionslagen, Vliese und Streckgitter . Der Schichtdickenbereich liegt abhängig von der Komponente bevorzugt bei 0 . 02 - 0 . 5 Mikrometer
und ist durch den gewählten Beschichtungsprozess j eweils einstellbar . In a particularly preferred embodiment, 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. Depending on the component to be coated for corrosion protection, the layer thickness and layer composition can be selected and adjusted. Thus, in the electrolytic cell, the components at risk of corrosion and areas with metallic base material can be provided with the coating. In this case, 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 mesh. The layer thickness range is preferably 0, depending on the component. 02 - 0 . 5 microns and can be adjusted in each case by the selected coating process.
In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung ist die korrosions feste Beschichtung einlagig, mehrlagig oder in gradierten Schichten ausgeführt . In a further preferred embodiment, the corrosion-resistant coating is designed in one layer, in multiple layers or in graded layers.
Die korrosions feste Beschichtung kann mithin im einfachsten Fall als homogene Einlagenschicht auf dem Substrat , also etwa dem metallischen Grundmaterial der Kanalstruktur, aufgebracht sein . Hierbei liegen besonders bevorzugt die gewählten Schichtbestandteile in dem System Titan-Niob, Titan-Niob- Nitrid mit dem Iridium und eventuellen weiteren Zusatzstof fen in einer homogenen Mischphase oder als Mischkristall vor . Es ist aber auch möglich, dass die korrosions feste Beschichtung als gradierte Mehrlagenschicht , als gradierte Einlagenschicht mit kontinuierlichem Gradienten der chemischen Schicht Zusammensetzung oder als gradierte Mehrlagenschichten mit kontinuierlichem Gradienten der chemischen Schicht zusammenset zung ausgeführt ist . Auch ist die Ausgestaltung als nanostrukturiertes Schichtsystem für die korrosions feste Beschichtung denkbar . In the simplest case, 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 particularly preferably present in the titanium-niobium, titanium-niobium-nitride system with the iridium and any other additives in a homogeneous mixed phase or as a mixed crystal. However, 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 layer composition, or as a graded multi-layer coating with a continuous gradient in the chemical layer composition. The configuration as a nanostructured layer system for the corrosion-resistant coating is also conceivable.
Bevorzugt kommen für das Aufbringen der korrosions festen 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 . 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.
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 mithil fe physikalischer Verfahren das Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt . Das gas förmige Material wird anschließend zum zu beschichtenden Substrat geführt , wo es kondensiert und die Zielschicht bildet . In the PVD (physical vapor deposition) process, an ionized metal vapor is generated, which reacts with various gases in the plasma and deposits a thin layer on the workpiece surface. The most widely used PVD methods today are arc deposition and sputtering. Both methods are carried out under high vacuum conditions in a coating chamber. In contrast to chemical vapor deposition processes, the starting material is converted into the gas phase with the help of physical processes. The gaseous material is then fed to the substrate to be coated, where it condenses and forms the target layer.
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 . The plasma-enhanced chemical vapor deposition PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) or also called PACVD (plasma-assisted chemical vapor deposition) is a special form of chemical vapor deposition (CVD), in which the chemical deposition is supported by a plasma. The plasma can burn directly on the substrate to be coated (direct plasma method) or in a separate chamber (remote plasma method).
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 Stickstof f atomen zur gewünschten TiNbN-Schicht . Der Eintrag weiterer Bestandteile in die Beschichtung oder Schicht erfolgt entsprechend . Complex coatings of different composition and of high quality can be applied by using these processes. For example, to apply a TiNbN coating using plasma technology, titanium or Dissolved niobium atoms , these ionized and by the applied voltage in the direction of the substrate , ie . H . of the base body, made of the metallic base material, is accelerated. The titanium and Niobium atoms with the introduced nitrogen atoms to form the desired TiNbN layer. The introduction of further components into the coating or layer takes place accordingly.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Grundmaterial Edelstahl oder Titan . Dies ist eine besonders vorteilhafte Materialwahl bei Gasdi f fusionsschichten, Vliesen, Bipolarplatten und weiteren Komponenten der Elektrolysezelle , insbesondere bei der anodischen Halbzelle . Beispielsweise kann für die Gasdi f fusionsschicht Titan gewählt werden und für die Bipolarplatte Edelstahl . Somit ist die auf der anodischen Halbzelle gebildete Kanalstruktur einerseits elektrisch leitfähig und andererseits für den Stof f transport bei der Elektrolyse mit einem wirksamen Korrosionsschutz ausgestattet . Durch die Material-
wähl von Substrat und Beschichtungsmaterial ist eine zudem gute Prozess führung im j eweils gewählten Beschichtungsprozess und auch eine gute Schichthaftung der korrosions festen Beschichtung und damit Schichtqualität erzielbar, was aufgrund der hohen Haftfestigkeit der titanbasierten Beschichtung die Standzeit erhöht . In a preferred embodiment, the base material is stainless steel or titanium. This is a particularly advantageous choice of material for gas diffusion layers, non-woven fabrics, bipolar plates and other components of the electrolytic cell, in particular for the anodic half-cell. For example, titanium can be selected for the gas diffusion layer and stainless steel for the bipolar plate. Thus, the channel structure formed on the anodic half-cell is electrically conductive on the one hand and is equipped with effective corrosion protection for material transport during electrolysis on the other. through the material Choosing the substrate and coating material also allows for good process control in the chosen 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.
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 korrosions festen Beschichtung sowie mechanische Verschleiß festigkeit erzielbar . In particular, a desired layer surface with low surface roughness of, for example, an arithmetic mean roughness value of R a <0.05 micrometers can be achieved, which is of great advantage for good electrical contacting in an electrolytic cell, which is particularly uniform over the area. Furthermore, a high adhesive strength of the corrosion-resistant coating and mechanical wear resistance can be achieved.
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 . In connection with the present invention, 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.
Das Einbringen von Material in Schichten, beispielsweise ein korrosions festes 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 . The introduction of 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.
Somit ist es vorzugsweise möglich, dass die Gasdi f fusionsschicht , die aus einem Grundkörper aus einem Grundmaterial ausgebildet ist , auf den eine korrosions feste Beschichtung flächig aufgebracht ist . Somit bildet in diesem Sinne bei der Gasdi f fusionsschicht der Grundkörper mit dem Grundmaterial eine erste Schicht und die korrosions feste Beschichtung eine zweite Schicht der Gasdi f fusionsschicht . 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 korrosions feste Beschichtung aufgebracht ist . Thus, it is preferably possible for 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. Thus, in this sense, in the case of the gas diffusion layer, the base body with the base material forms a first layer and the corrosion-resistant coating forms a second layer of the gas diffusion layer. In this case, the second layer can in turn be a layer system with several layers. The same applies to 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.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betri f ft die Verwendung einer Elektrolysezelle zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstof f . A further aspect of the invention relates to the use of an electrolytic cell for the electrolytic production of hydrogen.
Somit können vorteilhafterweise in der kathodischen bzw . anodischen Halbzelle die Reaktionen gemäß den Gleichungen ( I ) und ( I I ) ausgeführt werden, wenn die Elektrolysezelle von elektrischem Strom durchflossen wird . Thus, advantageously in the cathodic or. anodic half-cell, the reactions according to equations (I) and (II) are performed when the electrolytic cell is traversed by electric current.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betri f ft 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 . 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.
Dabei ist die Verwendung bei einer eine Kanalstruktur bildenden Bipolarplatte und/oder einer Gasdi f fusionsschicht als metallische Komponente einer Elektrolysezelle , insbesondere bei einer anodischen Halbzelle ( 7 ) einer Elektrolysezelle ( 1 ) , besonders bevorzugt . Use in a bipolar plate forming a channel structure and/or a gas diffusion layer as a metallic component of an electrolysis cell, in particular in an anodic half-cell ( 7 ) of an electrolysis cell ( 1 ), is particularly preferred.
Mittels der korrosions festen Beschichtung gemäß der Erfindung kann eine der vorstehend beschriebenen Elektrolysezellen zur Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse beschichtet werden bzw . die korrosions feste Beschichtung wird auf besonders korrosionsgefährdete Komponenten einer Elektrolysezelle auf deren Grundkörper aus einem metallischen Grundmaterial aufgebracht . Die korrosions feste Beschichtung kommt daher bevorzugt bei der anodischen Halbzelle zur Anwendung, um der dort überwiegenden Sauerstof f induzierten Korrosion entgegenzuwirken . Entsprechend wird bei der korrosions festen Beschichtung auf die vorstehenden Erläuterungen und die Vorteile dieser Elektrolysezellen verwiesen .
Hierbei ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die korrosions feste 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 . By means of the corrosion-resistant coating according to the invention, one of the electrolytic cells described above for polymer electrolyte membrane electrolysis can be coated or. the corrosion-resistant coating is applied to components of an electrolytic cell that are particularly at risk of corrosion on their base body made of a metallic base material. The corrosion-resistant coating is therefore preferably used in the anodic half-cell to counteract the predominant oxygen-induced corrosion there. Correspondingly, in the case of the corrosion-resistant coating, reference is made to the above explanations and the advantages of these electrolytic cells. It is provided according to the invention that 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 material use of expensive iridium or compared to a monolayer of an iridium-based protective layer, without impairing the corrosion protection.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die korrosions feste Beschichtung dabei als homogene Einlagenschicht , gradierte Einlagenschicht oder gradierte Mehrlagenschicht ausgeführt . In a particularly preferred embodiment, the corrosion-resistant coating is in the form of a homogeneous single-layer coating, a graded single-layer coating or a graded multi-layer coating.
Die korrosions feste 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 Zusatzstof fen in einer homogenen Mischphase vor, die bevorzugt eine geschlossene korrosionsstabile Schutzschicht oder einen Überzug auf dem Grundkörper bildet . Dies ist eine besonders kostenef fi ziente Ausgestaltung des Korrosionsschutzes in der oxidativen Einsatzumgebung . In the simplest case, the corrosion-resistant coating can therefore be in the form of a homogeneous single-layer coating. Here, for example, the selected layer components are in the system titanium-niobium, titanium-niobium-nitride with the iridium and any other additives 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.
Es ist aber auch möglich, dass die korrosions feste Beschichtung als gradierte Einlagenschicht mit kontinuierlichem Gradienten der chemischen Schicht zusammenset zung oder als gradierte Mehrlagenschichten mit kontinuierlichem Gradienten der chemischen Schicht zusammenset zung ausgeführt ist . Auch ist die Ausgestaltung als nanostrukturiertes Schichtsystem für die korrosions feste Beschichtung denkbar . However, it is also possible for the corrosion-resistant coating to be designed as a graded single-layer coating with a continuous gradient in the chemical layer composition or as a graded multi-layer coating with a continuous gradient in the chemical layer composition. The configuration as a nanostructured layer system for the corrosion-resistant coating is also conceivable.
Bevorzugt kann in alternativer Ausgestaltung die korrosionsfeste Beschichtung ausgeführt sein als Mehrlagenschicht mit Iridiumcarbid und/oder Iridium als Schichtbestandteil in der Deckschicht . In an alternative configuration, the corrosion-resistant coating can preferably be implemented as a multilayer coating with iridium carbide and/or iridium as a component of the top layer.
Hierdurch ist vorteilhafterweise ebenfalls 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 korrosions festen Beschichtung gebildet . This advantageously also saves material for the use of expensive iridium and iridium carbide achievable . 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. These are preferably the essential components of the top layer, or it is possible for the top layer to have iridium or iridium oxide as its main component. In a multi-layer coating, further layers are then provided below the top layer, which have other 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 adjusted manner, preferably in the direction of the substrate or Basic body decreasing concentration gradient. As a result, corresponding graded multi-layer mixed phases are optionally formed in the corrosion-resistant coating.
Bevorzugt wird Iridium und/oder Iridiumcarbid als Bestandteil einer korrosions festen Beschichtung einer metallischen Komponente einer Elektrolysezelle verwendet . Iridium and/or iridium carbide is preferably used as part of a corrosion-resistant coating of a metallic component of an electrolytic cell.
Weiter bevorzugt wird als weiterer Bestandteil der korrosions festen Beschichtung Titan-Niob und/oder Titan-Niob-Nitrid verwendet . More preferably, titanium niobium and/or titanium niobium nitride is used as a further component of the corrosion-resistant coating.
Eine besonders bevorzugte Verwendung der korrosions festen Beschichtung ist bei einer Kanalstruktur gegeben oder bei einer Gasdi f fusionsschicht , 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 Gasdi f fusionsschicht gebildet . Sowohl die Bipolarplatte als auch die Gasdi f fusionsschicht 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 Sauerstof f beaufschlagt und Korrosionsangri f fen ausgesetzt sind, mit der korrosions festen Beschichtung versehen . A particularly preferred use of the corrosion-resistant coating is in a channel structure or in a gas diffusion layer used as metallic components of an electrolytic cell, in particular in an anodic half-cell. In this case, 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. H . Educt flow and product flow are guided through the channel structure. Advantageously, therefore, are the Surfaces of the channel structure that limit the channel structure and that are exposed to the oxygen during operation and are exposed to corrosion attacks are provided with the corrosion-resistant coating.
Die Gasdi f fusionsschicht der anodischen Halbzelle weist zur Gewährleistung einer hinreichenden Gasdurchlässigkeit ein poröses Material auf . Die Gasdi f fusionsschicht kann beispielsweise aus Titan als Grundwerkstof f mit einem porös ausgestalteten Grundkörper, etwa einem titanbasierten Streckmetall oder Drahtgeflecht , gefertigt und mit der korrosions festen Beschichtung versehen sein . Hierdurch kann die Nutzungsdauer bzw . Lebensdauer der Gasdi f fusionsschicht erhöht werden, die beschriebenen nachteiligen, oxidativ bedingten Degradationsef fekte sind reduziert . Von Vorteil ist es daher, die korrosions feste Beschichtung gemäß der Erfindung als Schutzschicht auf dem metallischen Grundkörper der Gasdi f fusionsschicht auf zubringen . Die korrosions feste Beschichtung kann auf weiteren Komponenten der anodischen Halbzelle mit einem metallischen Grundkörper, insbesondere Titan oder Edelstahl , als Korrosionsschutz angewendet werden . 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, be made of titanium as the base material with a porous base body, such as a titanium-based expanded metal or wire mesh, and be provided with the corrosion-resistant coating. As a result, the useful life or The service life of the gas di f fusion layer can be increased, and the disadvantageous degradation effects caused by oxidation are reduced. It is therefore advantageous to apply 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.
Das Beschichtungskonzept der Erfindung führt überdies dazu, dass die lokalen elektrischen Kontakte erheblich verbessert werden und damit die Stromdichte über die Zell fläche homogener wird . Dies führt neben dem Korrosionsschutz zu einer besseren und vor allem gleichmäßigeren Stromverteilung im Betrieb der Elektrolysezelle . The coating concept of the invention also means that the local electrical contacts are significantly improved and thus the current density over the cell area is more homogeneous. In addition to protection against corrosion, this leads to better and, above all, more uniform current distribution during operation of the electrolytic cell.
Weiterhin bevorzugt weist die anodische Halbzelle eine aus Titan als Grundmaterial gebildete Gasdi f fusionsschicht auf . Man verwendet hier bevorzugt eine Ausgestaltung als feinmaschiges Titanmaterial als Grundmaterial für die Gasdi f fusionsschicht , beispielsweise Titanvliese , Titanschäume , Titangewebe , titanbasierte Streckgitter oder Kombinationen daraus . Hierdurch werden auch die lokalen Kontaktpunkte zur Elektrode erhöht und der elektrische Widerstand in der Kontakt fläche besonders gleichmäßig . Der Begri f f „Gitter" bezeichnet im
vorliegenden Zusammenhang ein feinmaschiges Netz . Die genannten Trägermaterialien zeichnen sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus . Die Begri f fe „Gitter" und „Gewebe" beschreiben eine gerichtete Struktur, der Begri f f „Vlies" eine ungerichtete Struktur . Furthermore, the anodic half-cell preferably has a gas diffusion layer formed from titanium as the base material. An embodiment of fine-meshed titanium material is preferably used here as the base material for the gas diffusion layer, for example titanium nonwovens, titanium foams, titanium fabrics, titanium-based expanded gratings or combinations thereof. This also increases the local contact points to the electrode and the electrical resistance in the contact area is particularly uniform. The term "lattice" refers to present context a fine-meshed network. The carrier materials mentioned are characterized by high corrosion resistance. The terms "lattice" and "fabric" describe a directional structure, the term "fleece" a non-directional structure.
Bevorzugt kann benachbart , insbesondere direkt benachbart , zur Gasdi f fusionsschicht eine Kanalstruktur angeordnet sein oder eine Kanalstruktur ist funktional durch die benachbarte Anordnung von Gasdi f fusionsschicht und einer Komponente , insbesondere einer Bipolarplatte , gebildet . Die Kanalstruktur dient dem Sammeln und Austragen des gas förmigen Reaktionsprodukts der Elektrolyse in der anodischen Halbzelle , also z . B . Sauerstof f 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 . A channel structure can preferably be arranged adjacent, in particular directly adjacent, to the gas diffusion layer or a channel structure is functionally formed by 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. B. Oxygen according to equation (I). The channel structure can, for example, comprise or be designed as a bipolar plate. 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.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Aus führungsformen erläutert , wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl j eweils für sich genommen als auch in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können . Es zeigen : In the following, the invention is explained by way of example with reference to the attached figures using preferred embodiments, with the features presented below being able to represent an aspect of the invention both individually and in various combinations with one another. Show it :
FIG 1 eine schematische Darstellung einer Elektrolysezelle zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse gemäß dem Stand der Technik; 1 shows a schematic representation of an electrolysis cell for polymer electrolyte membrane electrolysis according to the prior art;
FIG 2 eine beispielhafte anodische Halbzelle mit Kanalstruktur und korrosions fester Beschichtung gemäß der Erfindung;
FIG 3 eine korrosions feste Beschichtung in einer Ausgestaltung als homogene Einlagenschicht ; 2 shows an exemplary anodic half-cell with channel structure and corrosion-resistant coating according to the invention; 3 shows a corrosion-resistant coating in an embodiment as a homogeneous single-layer coating;
FIG 4 eine korrosions feste Beschichtung in einer Ausgestaltung als gradierte Einlagenschicht ; 4 shows a corrosion-resistant coating in an embodiment as a graded single-layer coating;
FIG 5 eine korrosions feste Beschichtung in einer Ausgestaltung als Mehrlagenschicht ; 5 shows a corrosion-resistant coating in an embodiment as a multi-layer coating;
FIG 6 eine korrosions feste Beschichtung in einer Ausgestaltung als gradierte Mehrlagenschicht . 6 shows a corrosion-resistant coating in an embodiment as a graded multi-layer coating.
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 Wasserstof f . 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.
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 . The electrolytic cell 1 has a polymer electrolyte membrane 3 . The cathodic half-cell 5 of the electrolytic cell 1 is arranged on one side of the polymer electrolyte membrane 3, in the representation according to FIG anodic half-cell 7 of the electrolytic cell 1 arranged.
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 Gasdi f fusionsschicht 11a und eine direkt benachbart zur Gasdi f fusionsschicht 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 Gasdi f fusionsschicht 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 . 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 designed for fluid transport. The anodic catalyst layer 9 has an anodic catalyst material 15 and catalyzes the anode reaction according to equation (I). As the anodic catalyst material 15, iridium or Iridium oxide is selected as the catalytically active species which 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 an anodic catalyst material 9 . In order to reduce corrosion, the gas diffusion layer 11a is made of a material on the surface of which a passivation layer is quickly 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.
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 Wasserstof f ionen ( Protonen) , insbesondere gemäß Gleichung ( I I ) zu molekularem Wasserstof f , ausgebildet . Auf der kathodischen Katalysatorschicht 19 ist ebenfalls eine Gasdi f fusionsschicht 11b angeordnet . Im Unterschied zur Gasdi f fusionsschicht 11a der anodischen Halbzelle 7 ist die Gasdi f fusionsschicht 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 Gasdi f fusionsschicht 11b ist ebenfalls eine Kanalstruktur 13b angeordnet , die , analog zur anodischen Halbzelle 7 , als Bipolarplatte 21b ausgebildet ist . Die Gasdi f fusionsschichten 11a, 11b bilden im Zusammenwirken mit der unmittelbar benachbart angeordneten j eweiligen Bipolarplatte 21a, 21b funktional eine j eweilige Kanalstruktur 13a, 13b, also einen fluiddichten Strömungskanal für den Stof f transport der Edukte und der Produkte bei der Elektrolyse . 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 . In contrast to the gas diffusion layer 11a of the anodic half-cell 7, the gas diffusion layer 11b of the cathodic half-cell 5 is made of high-grade 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 cost 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. 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 material transport of the starting materials and the products during the electrolysis.
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 Degradationsef fekte zu
verzeichnen, die die Standzeit der Elektrolysezelle 1 sehr nachteilig beinträchtigen . 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 record, which affect the service life of the electrolytic cell 1 very adversely.
Hier ist einerseits aufgrund der hohen Sauerstof f konzentrati- on in der anodenseitigen Halbzelle 7 und des hohen oxidativen Potentials während des Betriebs eine schädigende Korrosion der verwendeten Materialien zu verzeichnen . Dies tri f ft beispielsweise in besonderem Maße für die Edelstähle der Materialnummer 1 . 4404 oder 1 . 4571 zu, die als Werkstof f für die Bipolarplatte 21a Verwendung finden, die die Kanalstruktur 13a bilden . Aber auch das resistentere Titan ist oxidativen Angri f fen 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 Gasdi f fusionsschicht 11a . Die Oxidation ist vorwiegend an der Oberfläche der Gasdi f fusionsschicht 11a und angrenzenden stromführenden elektrischen Kontakt flächen zu verzeichnen .On the one hand, due to the high oxygen concentration in the anode-side half-cell 7 and the high oxidative potential during operation, damaging corrosion of the materials used can be observed. This is especially true for the stainless steels with material number 1, for example. 4404 or 1 . 4571, which are used as materials for the bipolar plate 21a, which form the channel structure 13a. But even the more resistant titanium is subject to oxidative attack. As a result, an increase in the local electrical contact resistance can be observed during operation. This has an essential cause in a rapidly occurring oxidation (passivation) of the titanium during operation of the gas diffusion layer 11a. The oxidation is primarily recorded on the surface of the gas diffusion layer 11a and adjacent current-carrying electrical contact surfaces.
Diese dann aufgrund der Oxidation elektrisch schlecht leitenden lokalen Kontakt flächen führen zu hohen ohmschen Verlusten in der Elektrolysezelle 1 und zu einer dann erforderlichen Erhöhung der Zellspannung bei konstanter Stromdichte . Ef fi zienzeinbußen und Degradation der anodischen Halbzelle 7 sind hier die Folge von inhomogener Stromverteilung mit nachteiligen lokalen Stromspitzen . These local contact surfaces, which are then electrically poorly conductive due to the oxidation, lead to high ohmic losses in the electrolytic cell 1 and to a then necessary increase in the cell voltage at a constant current density. Ef fi ciency losses and degradation of the anodic half-cell 7 are the result of inhomogeneous current distribution with disadvantageous local current peaks.
Auch auf Seiten der kathodischen Halbzelle 5 sind vor allem im Hinblick auf die durch elementaren Sauerstof f begünstigte Säurekorrosion auch gewisse nachteilige Ef fekte zu beobachten, auf die hier aber vorliegend nicht näher eingegangen wird . On the side of the cathodic half-cell 5, certain disadvantageous effects can also be observed, especially with regard to the acid corrosion promoted by elemental oxygen, but these are not discussed in detail here.
Zur Behebung der Nachteile an der anodischen Halbzelle 7 wird vorgeschlagen, in der anodischen Halbzelle 7 die Kanalstruktur 13a mit einer korrosions festen Beschichtung 29 zu versehen, so dass der nachteilige und im Betrieb fortlaufende oxidative Angri f f gehemmt ist oder bestenfalls sogar weitestgehend unterbunden . Eine solche auf vorteilhafte Weise modi fi-
zierte 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 Aus führungsbeispiels einer Elektrolysezelle 1 ist vom Grundaufbau her analog zur Elektrolysezelle 1 gemäß FIG 1 zusammengesetzt , so dass auf die diesbezüglichen Aus führungen verwiesen werden kann . To remedy 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 is inhibited or, at best, largely prevented. Such an advantageous way modi fi- The electrolytic cell 1 which has been decorated and further developed is shown schematically by way of example in FIG. The anodic half-cell 7 of the exemplary embodiment of an electrolytic cell 1 shown in FIG. 2 is composed in terms of its basic structure analogously to the electrolytic cell 1 according to FIG. 1, so that reference can be made to the relevant statements.
Die anodische Halbzelle 7 weist , ebenfalls in Analogie zur Elektrolysezelle gemäß FIG 1 , eine Gasdi f fusionsschicht 11a sowie eine Bipolarplatte 21a auf . Die Gasdi f fusionsschicht 11a weist einen Grundkörper 23 aus einem metallischen Grundmaterial 27 auf , das vorliegend Titan ist . Die Gasdi f fusionsschicht 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 Viel zahl von Nuten bzw . Kanäle eingefräst , um einen Fluidtransport zu begünstigen und zugleich eine gleichmäßige elektrische Kontaktierung und Spannungsversorgung der anodischen Halbzelle 7 . Similarly to the electrolytic cell according to FIG. 1, the anodic half-cell 7 has 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. Analogously, the bipolar plate 21a has a base body 23 made of a metallic base material 25 , which is stainless steel in the present case. In the base body 23 of the bipolar plate 21a is a multiplicity of grooves or Milled channels to promote fluid transport and at the same time a uniform electrical contact and voltage supply of the anodic half-cell 7 .
Hierbei sind die Gasdi f fusionsschicht 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 korrosions feste 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 homogenen Misch-
phase , wobei der Mischphase Iridium und/oder Iridiumcarbid als weiterer Bestandteile in einer flexibel einstellbaren Menge beigemischt ist . In this case, the gas diffusion layer 11a and the bipolar plate 21a are designed and arranged adjacent to one another in such a way that a channel structure 13a is formed, which encompasses the metal base body 23 made of the metal base material 25 , 27 . In contrast to the electrolytic cell 1 according to FIG. 1, the channel structure 13a of the anodic half-cell 7 is designed for effective protection against corrosion. For this purpose, 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. For this purpose, the coating material 31 has a binary and a ternary titanium compound, in this case titanium niobium (TiNb) and titanium niobium nitride in a homogeneous mixed phase, wherein the mixed phase iridium and / or iridium carbide is added as further components in a flexibly adjustable amount.
Hierdurch kann der Bedarf an benötigtem Iridium auf ein Minimum begrenzt bzw . gegenüber einer Iridiumschicht bzw . Iridi- umcarbidschicht deutlich verringert werden . Zugleich ist durch das Zusammenwirken der binären und ternären Titanbestandteile in dem Beschichtungsmaterial 31 ein ef fektiver und langzeitstabiler Korrosionsschutz erzielt und eine gute Schichthaftung auf dem metallischen Grundmaterial 25 , 27 begünstigt . Die korrosions feste Beschichtung 29 ist im Aus führungsbeispiel voll flächig auf die Bipolarplatte 21a in Form einer geschlossenen Schutzschicht auf den Grundkörper 23 aufgetragen, j edenfalls wie gezeigt im Bereich von Oberflächen, die die Kanalstruktur 13a begrenzen Die Beschichtungsmaßnahme kann aber alternativ auch auf die besonders kritischen Oberflächenbereiche der Bipolarplatte 21a hinsichtlich Oxidation lokal beschränkt werden . Die Gasdi f fusionsschicht 11a ist zumindest mit ihrer der Bipolarplatte 21a zugewandten Seite ebenfalls mit der korrosions festen Beschichtung 31 voll flächig versehen, so dass dadurch auf die Kanalstruktur 13a insgesamt ein geschlossener und wirksamer Korrosionsschutz aufgebracht ist . Von großem Vorteil ist , dass für die korrosions feste Beschichtung 31 für die Gasdi f fusionsschicht 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 spezi fischen Zusammensetzung, etwa Konzentration des j eweiligen Bestandteils des Beschichtungsmaterials 31 in der Mischphase . Weiterhin können Adaptionen mit Blick auf den spezi fischen Schichtaufbau der korrosions festen Beschichtung 29 unter Berücksichtigung der j eweiligen 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 und kann somit vergleichsweise dünn gewählt werden für den Einsatzfall. As a result, the need for iridium required can be reduced to a minimum or compared to an iridium layer or Iridium carbide layer can be significantly reduced. At the same time, 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 . In the exemplary embodiment, the corrosion-resistant coating 29 is applied to the full surface of the bipolar plate 21a in the form of a closed protective layer on the base body 23, at least as shown in the area of surfaces that delimit the channel structure 13a. The coating measure can alternatively also be applied to the particularly critical ones Surface areas of the bipolar plate 21a are locally limited 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 useful. 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. For example, 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. For effective protection against corrosion, such 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 applied to components or components with very complex surface structures 29 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. 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, and can therefore be selected to be comparatively thin for the application.
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. Within the scope of the invention, there are therefore various possibilities for the respective specific configuration of the corrosion-resistant coating 29, so that a large number of coating systems can be implemented within the framework of the corrosion protection concept.
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 Werkstof fnummer 1 . 4404 oder 1 . 4571 , und das metallische Grundmaterial 27 der Gasdi ffusionsschicht 11b ist Titan . This is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in FIG. 3 to FIG. These exemplary embodiments have in common that titanium or stainless steel are used as the metallic base material 25, 27, such as this is typically provided for an anodic half cell 7 . The metallic base material 25 of the bipolar plate 21a is a high-grade steel, eg. B. the material number 1 . 4404 or 1 . 4571, and the metal base material 27 of the gas diffusion layer 11b is titanium.
In FIG 3 ist in schematischer Darstellung eine korrosions feste 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 korrosions feste 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 . FIG. 3 shows a schematic representation of a corrosion-resistant coating 29 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.
Demgegenüber zeigt FIG 4 eine alternative Ausgestaltung der korrosions festen 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 korrosions festen 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 Grenz fläche der Monolage 37a zum Substrat ist verschwindend gering oder gleich Null .
In der FIG 5 ist eine korrosions feste 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 37b auf der ersten Lage 37a 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 korrosions festen Beschichtung 29 . Die zweite Lage 37b 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 korrosions festen Beschichtung 29 auf dem Grundkörper 23 , die durch das binäre und/oder ternäre titanbasierte Schichtmaterial 31 in der Zwischenschicht 35 begünstigt wird . Es ist auch möglich, dass entsprechend dem Aus führungsbeispiel in FIG 4 beide Lagen 37a, 37b oder eine der Lagen 37a, 37b j eweils als gradierte Monolage ausgeführt ist . In contrast, FIG. 4 shows an alternative configuration of the corrosion-resistant coating 29 as a graded single-layer coating. 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. In the present case, the concentration of iridium or optionally also iridium carbide in layer 37a towards the surface. At the surface of the corrosion-resistant coating 29, the concentration of iridium or iridium carbide can be up to 100%, so that a closed protective layer of iridium or iridium carbide is formed. The concentration of titanium niobium and titanium niobium nitride decreases accordingly towards the surface. The concentration of iridium or Iridium carbide at the interface of the monolayer 37a to the substrate is vanishingly small or zero. FIG. 5 shows a corrosion-resistant coating 29 which is designed as a multi-layer coating comprising two layered mono-layers 37a, 37b. It has a first layer 37a, which is applied to the substrate, and a second layer 37b, the second layer 37b being applied to the first layer 37a. 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 second layer 37b is a thin, homogeneous monolayer with iridium or Iridium carbide designed 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 attachment of the corrosion-resistant coating 29 on the base body 23 , which is promoted by the binary and/or ternary titanium-based layer material 31 in the intermediate layer 35 . It is also possible for both layers 37a, 37b or one of the layers 37a, 37b to be in the form of a graded monolayer in accordance with the exemplary embodiment in FIG.
In FIG 6 ist eine korrosions feste 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 auf geschichteten 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 37a, 37b, 37c die Konzentration der Bestandteile Titan- Niob, Titan-Niob-Nitrid und Iridium und/oder Iridiumcarbid in der Aufwachsrichtung der Lagen 37a bis 37d variiert und hinsichtlich der Anforderungen an den Korrosionsschutz gezielt eingestellt ist . Die Deckschicht 33 ist als homogene Einla-
genschicht 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 Angri f f durch die hohe Sauerstof f konzentration in einer anodischen Halbzelle 7 ausgesetzt In FIG. 6, a corrosion-resistant coating 29 is designed as a complex multi-layer system. This layer system is applied to the base body 23 from a metallic base material 35 , in the present case a stainless steel substrate. The three layered layers 37a, 37b, 37c form an intermediate layer 35 to which the layer 37d is applied as a cover layer 33. The coating is a graded multilayer coating of layer thickness D, so that at least within the layers 37a, 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 The growth direction of the layers 37a to 37d varies and is specifically adjusted with regard to the requirements for corrosion protection. The cover layer 33 is a homogeneous insert gene layer in the position 37d performed 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. During operation in an electrolytic cell 1 , 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
Die korrosions feste 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 korrosions festen Beschichtung 29 bei einer Bipolarplatte 13a oder einer Gasdi f fusionsschicht 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 Sauerstof f ausgesetzt sind, für eine Anwendung der korrosions festen Beschichtung 29 in Betracht . The corrosion-resistant coating 29 is used particularly advantageously for coating metallic components or functional parts of an electrolytic cell 1 , preferably in the anodic half-cell 7 . In the case of an anodic half-cell 7, use of the corrosion-resistant coating 29 is provided in a special way for a bipolar plate 13a or a gas diffusion layer 11a. In general, 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 can be considered for applying the corrosion-resistant coating 29 .
Es versteht sich, dass andere Aus führungs formen 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 spezi fisch anders angegeben . Die Beschreibung der Aus führungsbeispiele ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne auf zufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert . It is understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. Thus, features of the exemplary embodiments described herein can be combined with one another unless specifically stated otherwise. The description of the exemplary embodiments is therefore not to be taken in a limiting sense, and the scope of protection of the present invention is defined by the appended claims.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder" bedeutet bei Benutzung in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen, dass j edes der aufgeführten Elemente allein verwendet werden kann, oder es kann j ede Kombination von zwei oder mehr der auf geführten Elemente verwendet werden .
As used herein, 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.
Claims
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, mindestens eine der Halbzellen (5, 7) aufweisend: 1. Electrolytic cell (1) for polymer electrolyte membrane electrolysis with a cathodic half-cell (5) and an anodic half-cell (7), the cathodic half-cell (5) and the anodic half-cell (7) being separated from one another by means of a polymer electrolyte membrane (4), at least one of the half-cells (5, 7) having:
- eine Kanalstruktur (13a, 13b) , die von einer Gasdiffusionsschicht (11a, 11b) und von einer Bipolarplatte (21a, 21b) gebildet ist, wobei - A channel structure (13a, 13b), which is formed by a gas diffusion layer (11a, 11b) and by a bipolar plate (21a, 21b), wherein
- die Bipolarplatte (21a, 21b) einen Grundkörper (23) aus einem metallischen Grundmaterial (25, 27) aufweist, auf den eine Beschichtung (29) aus einem Beschichtungsmaterial (31) aufgebracht ist, wobei - The bipolar plate (21a, 21b) has a base body (23) made of a metallic base material (25, 27) to which a coating (29) made of a coating material (31) is applied, wherein
- das Beschichtungsmaterial (31) in einer homogenen Mischphase umfassend Titanniob (TiNb) , Titanniobnitrid sowie Iridium und/oder Iridiumcarbid (IrC) vorliegt - The coating material (31) is present in a homogeneous mixed phase comprising titanium niobium (TiNb), titanium niobium nitride and iridium and/or iridium carbide (IrC).
2. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1, bei der die Beschichtung (29) als homogene Einlagenschicht auf dem Grundkörper (23) aufgebracht ist. 2. Electrolytic cell (1) according to claim 1, in which the coating (29) is applied as a homogeneous single-layer layer on the base body (23).
3. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Beschichtung (29) Titanniob (TiNb) und Titanniobnitrid (TiNbN) als Grundbestandteile aufweist, denen Iridium (Ir) und/oder Iridiumcarbid (IrC) beigemischt ist. 3. Electrolytic cell (1) according to claim 1 or 2, in which the coating (29) has titanium niobium (TiNb) and titanium niobium nitride (TiNbN) as basic components, to which iridium (Ir) and/or iridium carbide (IrC) is added.
4. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest im Bereich der Kanalstruktur (13a) die Beschichtung (29) vollflächig auf die Bipolarplatte (21a) in Form einer geschlossenen Schutzschicht auf den Grundkörper (23) aufgetragen ist. 4. Electrolytic cell (1) according to one of the preceding claims, in which at least in the region of the channel structure (13a) the coating (29) is applied over the entire surface of the bipolar plate (21a) in the form of a closed protective layer on the base body (23).
5. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Grundkörper (23) der Bipolarplatte (21a, 21b) eine Vielzahl von Nuten bzw. Kanäle aufweist, so dass im Betrieb in der Kanalstruktur (13a) ein Fluidtransport begüns-
tigt und eine gleichmäßige elektrische Kontaktierung und Spannungsversorgung der Halbzellen (5, 7) herbeiführbar ist. 5. Electrolytic cell (1) according to one of the preceding claims, in which the base body (23) of the bipolar plate (21a, 21b) has a multiplicity of grooves or channels, so that during operation in the channel structure (13a) fluid transport is encouraged. taken and a uniform electrical contact and voltage supply of the half-cells (5, 7) can be brought about.
6. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Beschichtung (29) als dünne Monolagenschicht mit einer Schichtdicke (D) von 0,08 bis 0,3 Mikrometer, insbesondere von etwa 0,02 bis 0,5 Mikrometer, aufweist. 6. Electrolytic cell (1) according to one of the preceding claims, in which the coating (29) as a thin monolayer with a layer thickness (D) of 0.08 to 0.3 microns, in particular from about 0.02 to 0.5 microns, having.
7. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Beschichtung (29) mittels Physical- Vapor-Deposition (PVD) oder Plasma-Assisted-Chemical-Vapor- Deposition (PACVD) aufgebracht ist. 7. electrolytic cell (1) according to any one of the preceding claims, wherein the coating (29) by means of physical vapor deposition (PVD) or plasma-assisted chemical vapor deposition (PACVD) is applied.
8. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das metallische Grundmaterial (25, 27) Edelstahl oder Titan ist. 8. Electrolytic cell (1) according to one of the preceding claims, in which the metallic base material (25, 27) is stainless steel or titanium.
9. 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 wahlweise entweder Iridiumcarbid (IrC) oder Iridium (Ir) , oder Iridiumcarbid (IrC) und Iridium als Beimischung, wobei eine homogene Mischphase der Bestandteile gebildet ist. 9. Coating (29) for application as a protective layer on a metallic component of an electrolytic cell (1), comprising the components titanium niobium (TiNb) and titanium niobium nitride (TiNbN) and optionally either iridium carbide (IrC) or iridium (Ir) , or iridium carbide (IrC) and iridium as an admixture, with a homogeneous mixed phase of the components being formed.
10. Beschichtung (29) nach Anspruch 9, ausgeführt als homogene Einlagenschicht aufgebracht auf einem metallischen Grundmaterial (25, 27) . 10. Coating (29) according to claim 9, designed as a homogeneous single-layer layer applied to a metallic base material (25, 27).
11. Verwendung einer Beschichtung (29) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, zum Korrosionsschutz einer metallischen Komponente einer Elektrolysezelle (1) . 11. Use of a coating (29) according to any one of claims 9 or 10, for corrosion protection of a metallic component of an electrolytic cell (1).
12. Verwendung nach Anspruch 11, bei einer eine Kanalstruktur (13a, 13b) bildenden Bipolarplatte (21a, 21b) und/oder einer Gasdiffusionsschicht (11a, 11b) als metallische Kompo-
nente einer Elektrolysezelle (1) , insbesondere bei einer anodischen Halbzelle (7) einer Elektrolysezelle (1) .
12. Use according to claim 11, in a channel structure (13a, 13b) forming bipolar plate (21a, 21b) and / or a gas diffusion layer (11a, 11b) as a metallic component components of an electrolytic cell (1), in particular in an anodic half-cell (7) of an electrolytic cell (1).
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