DE102013207082A1

DE102013207082A1 - Ausführung eines Zellseparators als platiniertes Bimetallblech

Info

Publication number: DE102013207082A1
Application number: DE102013207082.9A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Sauter; Sebastian Maass
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-10-23
Also published as: JP2014210975A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Elektrolyseure, insbesondere der PEM-Elektrolyseure. Es wird ein Zellseparator aus einem Bimetallblech sowie ein entsprechender Elektrolyseur bereitgestellt, der bei geringeren Kosten die Probleme der Wasserstoffversprödung des Titanbleches vermeidet und eine verbesserte mechanische Stabilität und Haltbarkeit aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellseparator für einen Elektrolyseur, insbesondere für einen PEM-Elektrolyseur.
Stand der Technik
Die saure Elektrolyse von Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff wird üblicherweise in Proton Exchange Membrane-Elektrolyseuren (PEM-Elektrolyseuren) durchgeführt. In einem solchen PEM-Elektrolyseur sind Anode und Kathode durch eine Protonen leitende Membran voneinander getrennt. Als Membranmaterial wird üblicherweise Polyfluorosulfonsäure (PFSA) in unverstärkt oder mit einer Polytetrafluorethylen(PTFE)-Matrix verstärkt eingesetzt.
Als Zellseparatoren bzw. Bipolarplatten, durch die die Anoden- und Kathodenräume des Elektrolyseurs voneinander getrennt werden, sind im Stand der Technik dünne Bleche aus Titan oder Titanlegierungen beschrieben.
Titan neigt unter dem Einfluss von Wasserstoff zur sogenannten Wasserstoffversprödung. Darunter wird die Versprödung des Titanbleches durch Einlagerung von Wasserstoff in das Metall verstanden, was sich direkt nachteilig auf die Materialeigenschaften und die Lebensdauer des Separators und somit auf den Elektrolyseur als solchen auswirken kann. Diesem wird im Stand der Technik beispielsweise dadurch begegnet, dass auf der Kathodenseite des Zellseparators eine dichte Kohlenstoffbeschichtung aufgebracht wird.
Offenbarung der Erfindung
Überraschend konnte jedoch nun gezeigt werden, dass durch die Verwendung eines Stahl/Titan-Bimetallbleches als Zellseparator in einem PEM-Elektrolyseur kathodenseitig auf die teure Kohlenstoffbeschichtung verzichtet werden kann. Darüber hinaus wird vorteilhafterweise die mechanische Stabilität der Bipolarplatte durch das kostengünstige Edelstahlblech übernommen. Dieses hat den Effekt, dass die Dicke des wesentlich teureren Titanbleches verringert werden kann, was sich wiederum vorteilhaft auf die Herstellungskosten des Elektrolyseurs insgesamt auswirkt. Auf diese Weise wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Zellseparator bereit gestellt, der bei geringeren Kosten die Probleme der Wasserstoffversprödung des Titanbleches gemäß dem Stand der Technik vermeidet und eine verbesserte mechanische Stabilität und Haltbarkeit aufweist.
Durch die vorliegende Erfindung wird daher folgendes bereitgestellt: Ein Zellseparator für einen Elektrolyseur, umfassend ein Stahl/Titan-Bimetallblech.
Unter einem Elektrolyseur gemäß der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein Proton Exchange Membrane-Elektrolyseur (PEM-Elektrolyseur) verstanden, in welchem Anode und Kathode durch eine Protonen leitende Membran voneinander getrennt sind. Als Membranmaterial wird üblicherweise Polyfluorosulfonsäure (PFSA) unverstärkt oder mit einer Polytretrafluorethylen (PTFE) Matrix verstärkt eingesetzt.
Die auf der Wasserstoffseite der Elektrolysezelle des Elektrolyseurs befindliche Kathode erfährt typischerweise Potentiale in der Nähe von 0 V gegenüber der dem Fachmann bekannten Normal Hydrogen Electrode (NHE). Die Kathode besteht bevorzugt aus einer auf die Protonen leitende Membran aufgebrachten Katalysatorschicht, einer porösen Stromverteilerschicht und einer Strömungsverteilerstruktur. Die poröse Stromverteilerschicht besteht bevorzugt aus einem aus Kohlenstofffasern bestehenden Vlies oder Gewebe, einem Stapel dünner gereckter Titanbleche, Titanfasern, die gewebt oder nicht gewebt sein können, oder aus einem porösen Titansinter oder Kombinationen davon. Die Strömungsverteilungsstruktur besteht bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Polymer, das eine Kanalstruktur enthält. Eine elektrische Leitfähigkeit des Polymers kann beispielsweise durch eine Füllung mit Kohlenstoff wie etwa Ruß erreicht werden. Die Kanalstruktur kann im Spritzgussverfahren, durch Prägen oder durch Fräsen hergestellt werden. Alternativ kann die Strömungsverteilerstruktur der Kathode auch aus Titan ausgebildet werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass über dem Titan über die Lebensdauer der Zelle dichte Schutzschichten ausgebildet sind. Solche Schutzschichten sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt, ein Beispiel dafür ist eine Schutzschicht aus Kohlenstoff. Solche Schutzschichten können beispielsweise über ein PVD-Verfahren (physical vapour deposition) aufgebracht werden. Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform auf der Anodenseite und/oder der Kathodenseite eine oxidschichtminimierende Beschichtung aufgebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet die Stahlseite des Bimetallblechs die Kathodenseite des Zellseparators.
Die Anode der Elektrolysezelle des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs erfährt im Normalbetrieb Potentiale im Bereich von +1,0 V bis +2,5 V. Die Anode besteht bevorzugt aus bevorzugt aus einer auf die Protonen leitende Membran aufgebrachten Katalysatorschicht, einer porösen Stromverteilerschicht und einer Strömungsverteilerstruktur. Die poröse Stromverteilerschicht besteht bevorzugt aus einem Stapel dünner gereckter Titanbleche, Titanfasern, die gewebt oder nicht gewebt sein können, oder aus einem porösen Titansinter oder Kombinationen davon. Die Strömungsverteilstruktur kann aus Kanälen, die das flüssige Wasser an die Elektrode liefern und den entstehenden gasförmigen Sauerstoff abtransportieren, in einer Titanplatte oder aus einer porösen Titanstruktur bestehen. Die Titanplatte kann dabei gleichzeitig als Titanblechteil des erfindungsgemäßen Bimetall-Zellseparators dienen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Kanalstruktur der Anode und/oder der Kathode in das Bimetallblech eingeprägt.
Als Titan im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sowohl handelsübliches Titanblech als auch ebenfalls handelsübliche Titanlegierungen, wie beispielsweise Ti-6Al-4V (d.h. eine Titanlegierung mit 6 % Aluminium und 4 % Vanadium) dienen. Weitere geeignete und gebräuchliche Titanlegierungen sind dem Fachmann bekannt.
Der erfindungsgemäße Zellseparator umfasst ein Bimetallblech aus einem Stahlblech und einem Titanblech. Unter einem Bimetall wird allgemein ein Metallstreifen verstanden, der aus zwei Schichten unterschiedlicher Metalle oder Metalllegierungen besteht. Die Schichten sind dabei meist formschlüssig und stoffschlüssig verbunden.
Bevorzugt ist dabei, dass der verwendete Stahl ein Edelstahl ist, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der Edelstähle mit den AISI-Bezeichnungen 316, 316L, 410, 304, 303, 304L, 301, P2000 und 321, besonders bevorzugt den AISI-Bezeichnungen 316 und 316L. Die AISI-Bezeichnungen sind die normierten Bezeichnungen des American Iron and Steel Institute für die Zusammensetzungen von Edelstählen und dem Fachmann gemeinhin bekannt. Dabei sind die hier aufgeführten Edelstähle beispielhaft zu verstehen, anhand derer der Fachmann weitere zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Edelstähle auswählen kann.
Das Bimetallblech des erfindungsgemäßen Zellseparators kann durch Verbinden eines Stahlbleches und eines Titanbleches erhalten werden. Das Verbinden kann durch Nieten, Punktschweißen, Verschrauben, Verkleben, und besonders bevorzugt Plattieren erhalten werden.
Unter der bevorzugten Plattierung im Sinne der vorliegenden Erfindung versteht der Fachmann allgemein ein Kaltwalz- oder auch Kaltpressschweißverfahren, bei dem beide Bleche aufeinander unter hohem Druck und unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Einzelteile gewalzt werden. Durch die extrem enge Berührung der beiden Kontaktflächen erfolgt die Zerstörung störender Oberflächenschichten und auf Grund von nun wirkenden zwischenatomaren Bindekräften eine stabile Verbindung der Werkstücke. Somit entsteht in der Kontaktzone des Stahlbleches und des Titanbleches eine unlösbare Verbindung. Eine solche Verbindung ist besonders für Strom tragende Elemente geeignet. Ein weiterer Vorteil der Plattierung gegenüber anderen Arten der Beschichtung besteht darin, dass keine Risse während eines weiteren Prägeprozesses, beispielsweise in der bevorzugten Prägung von Kanalstrukturen in das Bimetallblech des erfindungsgemäßen Zellseparators, entstehen.
Die Gesamtdicke des erfindungsgemäßen Bimetall-Zellseparators beträgt zwischen 10 und 2000 µm, bevorzugt zwischen 20 und 1000 µm, besonders bevorzugt zwischen 50 und 500 µm.
Bevorzugt ist dabei, dass das Stahlblech dicker ist als das Titanblech. Je größer die Dicke des Stahlbleches und je geringer die Dicke des Titanbleches in Relation zueinander ist, desto größer ist die Kostenreduktion durch Einsparung an teurem Titanblech. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt daher der Anteil der Dicke des Stahlblechs an der Gesamtdicke des erfindungsgemäßen Bimetall-Separators mindestens 55%, bevorzugt mindestens 60%, weiter bevorzugt mindestens 65%, besonders bevorzugt mindestens 70% und ganz besonders bevorzugt mindestens 75%. Dabei versteht sich, dass der Rest der Gesamtdicke des erfindungsgemäßen Bimetall-Separators aus der entsprechenden Dicke des Titanblechs besteht.
Da zeitweilig auch Sauerstoff auf der Kathodenseite vorliegen kann, kann bei einigen Edelstahllegierungen zur Minimierung der Kontaktwiderstände eine Oxidschicht-minimierende Beschichtung aufgebracht werden. Die Anodenseite kann ebenfalls mit einer Kontaktwiderstands-minimierenden Schicht versehen werden. Solche Beschichtungen und entsprechende Methoden zur Aufbringung sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Zellseparator ein plattiertes Bimetallblech mit einer Gesamtdicke zwischen 50 und 200 µm, das aus einem dünnen Titanblech auf der Anodenseite und einem dickeren Stahlblech, bevorzugt einem Edelstahlblech der AISI-Bezeichnung 316L auf der Kathodenseite besteht, wobei der Anteil der Dicke des Stahlblechs an der Gesamtdicke des erfindungsgemäßen Bimetall-Separators mindestens 55%, bevorzugt mindestens 60%, weiter bevorzugt mindestens 65%, besonders bevorzugt mindestens 70% und ganz besonders bevorzugt mindestens 75% beträgt. Dieses ist in einer bevorzugten Ausführungsform besonders einfach durch Kaltwalzen des Stahlbleches und des Titanbleches aufeinander erhältlich.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines vorzugsweise plattierten Titan/Stahl-Bimetallbleches als Zellseparator in einem Elektrolyseur, vorzugsweise in einem PEM-Elektrolyseur.
Beschreibung der Figuren
1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zellseparator, umfassend ein Bimetallblech (1) aus einem Titanblech (2) und einem Stahlblech (3).
2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Bimetall-Zellseparator (1), in welchem die Kanalstrukturen (die Kanäle (4)) schon eingeprägt sind.
3 zeigt einen Querschnitt durch die Schichten einer PEM-Elektrolysezelle (5) eines erfindungsgemäßen PEM-Elektrolyseurs. Die Bipolarplatte/der Zellseparator (1) ist so eingebaut, dass das Titanblech (2) des Zellseparators (1) auf der Anodenseite und das Stahlblech (3) auf der Kathodenseite der Elektrolysezelle (5) ausgerichtet ist. Die Anodenseite der Elektrolysezelle (5) umfasst weiterhin die Strömungsverteilerschicht (6), die Stromverteilerschicht (7), die Katalysatorschicht (8) und die Membran (9). Die Kathodenseite der Elektrolysezelle (5) umfasst die Strömungsverteilerschicht (10), die Stromverteilerschicht (11), die Katalysatorschicht (12) und die Membran (13). Anstelle einer Kombination aus (1), (6) und (10) kann auch das in 2 angegebene geprägte Bimetallblech zum Einsatz kommen.

Claims

Zellseparator für einen Elektrolyseur, umfassend ein Stahl/Titan-Bimetallblech (1).
Zellseparator gemäß Anspruch 1, wobei die Stahlseite (3) die Kathodenseite des Zellseparators (1) bildet.
Zellseparator gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, wobei der Stahl ein Edelstahl ist, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der Edelstähle mit den AISI-Bezeichnungen 316, 316L, 410, 304, 303, 304L, 301, P2000 und 321, besonders bevorzugt den AISI-Bezeichnungen 316 und 316L.
Zellseparator gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, erhältlich durch Plattieren eines Stahlbleches (3) und eines Titanbleches (2), wobei der Anteil der Dicke des Stahlblechs (3) an der Gesamtdicke des Bimetall-Separators (1) mindestens 55%, bevorzugt mindestens 60%, weiter bevorzugt mindestens 65%, besonders bevorzugt mindestens 70% und ganz besonders bevorzugt mindestens 75% beträgt.
Zellseparator gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kanalstruktur (4) der Anode und/oder der Kathode in das Bimetallblech (1) eingeprägt ist.
Zellseparator gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Anodenseite und/oder der Kathodenseite eine oxidschichtminimierende Beschichtung aufgebracht ist.
Verwendung eines vorzugsweise plattierten Titan/Stahl-Bimetallbleches (1) als Zellseparator in einem Elektrolyseur, vorzugsweise in einem PEM-Elektrolyseur.
Elektrolyseur, vorzugsweise ein PEM-Elektrolyseur, umfassend einen Zellseparator, wobei der Zellseparator ein Stahl/Titan-Bimetallblech (1) umfasst.
Elektrolyseur gemäß Anspruch 8, wobei der Stahl des Bimetallbleches (1) ein Edelstahl ist und der Anteil der Dicke des Stahlblechs (3) an der Gesamtdicke des Bimetall-Separators mindestens 55%, bevorzugt mindestens 60%, weiter bevorzugt mindestens 65%, besonders bevorzugt mindestens 70% und ganz besonders bevorzugt mindestens 75% beträgt.
Elektrolyseur gemäß einem der Ansprüche 8 und 9, wobei der Zellseparator durch Plattieren eines Stahlbleches (3) und eines Titanbleches (2) erhalten worden ist.