DE102021123667A1

DE102021123667A1 - Elektrode oder Bipolarplatte für einen Elektrolyseur und Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser

Info

Publication number: DE102021123667A1
Application number: DE102021123667.3A
Authority: DE
Inventors: Ute Keßner; Stefan Kurzbeck; Lothar Hofmann; Jianfei Wei
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2021-09-14
Publication date: 2022-08-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode oder Bipolarplatte (24, 24a, 24b) für einen Elektrolyseur (1), welche aus einem elektrisch leitenden Materialgemisch umfassend mindestens einen Kunststoff und mindestens einen Füllstoff gebildet ist, wobei der Füllstoff mindestens ein Metallnitrid umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektrolyseur (1) zur Elektrolyse von Wasser, umfassend mindestens eine Elektrolysezelle (20) mit einer Polymerelektrolytmembrane (29) und mindestens zwei Elektroden oder Bipolarplatten (24, 24a, 24b).

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode oder Bipolarplatte für einen Elektrolyseur, welche aus einem elektrisch leitenden Materialgemisch umfassend mindestens einen Kunststoff und mindestens einen Füllstoff gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser.
Die DE 10 2007 042 985 A1 beschreibt eine Bipolarplatte für einen Elektrolyseur mit einer Polymerelektrolytmembran (PEM), wobei die Bipolarplatte aus einem Grundmaterial aus Kunststoff, Blends oder Copolymeren gebildet ist. Im Grundmaterial können dabei Füllstoffe, korrosionsbeständige metallische Pulver oder Fasern, Verstärkungsstoffe, Glasfasern, Antioxidantien, Pigmente und/oder Mischungen daraus eingemischt sein.
Die DE 10 2009 051 434 A1 beschreibt einen homogenen Formkörper aus einer hochleitfähigen Formmasse, die mindestens einen Kunststoff und mindestens einen in den Kunststoff eingearbeiteten Füllstoff umfasst. Die Formmasse ist elektrisch leitend, thermisch leitend und thermoformbar. Der Massenanteil an Füllstoff in der Formmasse beträgt wenigstens 50% bis 95%, wobei Kohlenstoff als Füllstoff verwendet wird. Die Verwendung des Formkörpers erfolgt unter anderem als Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle.
Die WO 2015 / 007 544 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundhalbzeuges mit einer kontinuierlichen Phase umfassend wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff und eine disperse Phase aus wenigstens einem elektrisch leitenden Füllstoff. Der Kunststoff und der Füllstoff liegen als feine Partikel vor, die miteinander vermischt werden, wobei wenigstens 90 Gew.-% der Partikel des Kunststoffs und des Füllstoffs kleiner als 1 mm ausgebildet sind. Die Partikelmischung wird auf eine Temperatur größer als die Schmelztemperatur des mindestens einen Kunststoffs erwärmt und der Verbund zwischen Kunststoff und Füllstoff ausgebildet. Die Verwendung des Verbundhalbzeuges mit einem hohem Füllstoffanteil, der bei Graphit 70 Gew.-% und mehr beträgt, erfolgt unter anderem als Elektrode in elektrochemischen Zellen wie Brennstoffzellen oder Redox-Flow-Batterien.
Der Kunststoff bildet demnach jeweils eine Bindematrix für den Füllstoff. Derartige Materialgemische werden auch als „Polymercompounds“ bezeichnet.
Für den Einsatz in Elektrolyseuren haben sich solche Polymercompounds mit Kohlenstoff-basierten Füllstoffen, wie sie im Stand der Technik für elektrochemische Zellen allgemein beschrieben werden, jedoch als ungeeignet erwiesen. Bei höheren Potentialen hat sich gezeigt, dass eine Auflösung des Kohlenstoffs stattfindet. Dies führt zu einer Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit der Elektroden oder Bipolarplatten und zu einem Abfall der Elektrolyseleistung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstig herstellbare Elektrode oder Bipolarplatte für einen Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser bereitzustellen, welche den korrosiven Bedingungen in der Elektrolysezelle widersteht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen damit ausgestatteten Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser anzugeben.
Die Aufgabe wird für die Elektrode oder Bipolarplatte, welche aus einem elektrisch leitenden Materialgemisch umfassend mindestens einen Kunststoff und mindestens einen Füllstoff gebildet ist, dadurch gelöst, dass der Füllstoff mindestens ein Metallnitrid umfasst. Das Metallnitrid weist eine elektrische Leitfähigkeit auf und ist im Hinblick auf die korrosiven Bedingungen in der Elektrolysezelle langzeitstabil. Die Bipolarplatte ist kostengünstig herstellbar und zum Einsatz in einem Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser einsetzbar.
Die Herstellung der des elektrisch leitenden Materialgemisches oder Polymercompounds richtet sich nach dem gewählten mindestens einen Kunststoff und folgt an sich bekannten Routen der Compoundierung. Dabei können neben dem Füllstoff auch Farbmittel, Stabilisatoren und dergleichen in die Bindematrix eingearbeitet werden. Aus dem elektrisch leitenden Materialgemisch wird dann eine Elektrode oder Bipolarplatte geformt, beispielsweise durch Spritzgießen, Heißpressen, Extrudieren, Kalandrieren und dergleichen.
Es hat sich bewährt, wenn der Füllstoff zudem mindestens ein Metallkarbid umfasst. Auch Metallkarbide weisen eine elektrische Leitfähigkeit auf und erwiesen sich unter den korrosiven Bedingungen in einer Elektrolysezelle als langzeitstabil.
Insbesondere hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Füllstoff lediglich durch das mindestens eine Metallnitrid oder lediglich das mindestens eine Metallnitrid und das mindestens eine Metallkarbid gebildet ist.
Bevorzugt sind insbesondere Metallnitride, die eine elektrische Leitfähigkeit bei 20°C von bis zu 10⁶ S/cm aufweisen. Als Metallnitrid hat sich insbesondere Titannitrid und/oder Tantalnitrid bewährt.
Bevorzugt sind weiterhin Metallkarbide, die eine elektrische Leitfähigkeit bei 20°C von bis zu 10⁶ S/cm aufweisen. Als Metallkarbid hat sich insbesondere Titankarbid und/oder Zirkoniumkarbid bewährt.
Der Kunststoff ist vorzugsweise durch mindestens ein Elastomer und/oder mindestens einen thermoplastischen Kunststoff und/oder mindestens einen duroplastischen Kunststoff ausgebildet ist. Bewährt haben sich Kunststoffe, die mindestens ein Material aus der folgenden Gruppe umfassen: PE, PP, PPS, PEEK, PVC, PA, PET/PVDF, Phenolharz, Acrylat, Epoxidharz, Ester.
Es können weiterhin Kunststoffblends, Copolymere oder Biopolymere (= aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugte Kunststoffe) zur Ausbildung der Bindematrix eingesetzt werden.
Der Füllstoff weist bevorzugt eine maximale Korngröße im Bereich von 1 nm bis 1000 µm, insbesondere im Bereich von 1 nm bis 100 nm, auf.
Es ist bevorzugt, wenn der Füllstoff in einer Konzentration von bis zu 90 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 75 bis 90 Gew.-%, in dem Materialgemisch enthalten ist.
Dabei bildet der mindestens eine Kunststoff die Bindematrix, in der der Füllstoff eingebunden und gehalten wird.
Eine Elektrode weist bevorzugt einseitig Strömungskanäle und/oder eine dreidimensionale Profilierung auf, die die zuzuführenden und abzuführenden Medien in der/den Elektrolysezelle(n) des Elektrolyseurs leiten. Eine Bipolarplatte weist bevorzugt beidseitig Strömungskanäle und/oder eine dreidimensionale Profilierung auf, die die zuzuführenden und abzuführenden Medien in den angrenzenden Elektrolysezellen des Elektrolyseurs leiten.
Die Aufgabe wird weiterhin für einen Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser gelöst, umfassend mindestens eine Elektrolysezelle mit einer Polymerelektrolytmembrane und mindestens zwei erfindungsgemäße Elektroden oder Bipolarplatten.
Der Elektrolyseur umfasst insbesondere mehrere Polymerelektrolytmembranen und mindestens zwei erfindungsgemäße Elektroden oder Bipolarplatten, welche von einer der Polymerelektrolytmembranen voneinander getrennt angeordnet sind.
Die 1 und 2 zeigen beispielhaft einen Elektrolyseur, eine Elektrolysezelle und Elektroden oder Bipolarplatten. So zeigt:

1 schematisch einen Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser im Querschnitt umfassend mehrere Elektrolysezellen; und
2 schematisch eine einzelne Elektrolysezelle umfassend zwei Elektroden oder Bipolarplatten im Querschnitt.

1 zeigt einen Elektrolyseur 1 zur Elektrolyse von Wasser umfassend mehrere aneinandergereihte Elektrolysezellen 20. Jede Elektrolysezelle 20 umfasst eine die Polymerelektrolytmembrane 29 und die Katalysatorschichten 21a, 21b (vergleiche 2) umfassende Einheit 30, welche eine Kathodenseite K von einer Anodenseite A trennt. Jede Einheit 30 ist zu beiden Seiten mit einer Fluiddiffusionslage 22 und einer Bipolarplatte 24 elektrisch kontaktiert. Jede Bipolarplatte 24 weist beidseitig Strömungskanäle 23 auf. Die Strömungskanäle 23 ermöglichen einen Medienfluß der in die jeweilige Elektrolysezelle 20 eingespeisten und aus dieser abzuführenden Medien.
2 zeigt schematisch und in vergrößerter Darstellung einen Querschnitt durch eine Elektrolysezelle 20 eines Elektrolyseurs 1 umfassend eine Polymerelektrolytmembrane 29, welche die Anodenseite A und die Kathodenseite K voneinander trennt. Beiderseits der Polymerelektrolytmembrane 29 ist jeweils eine Katalysatorschicht 21a, 21b umfassend jeweils ein Katalysatormaterial sowie eine Fluiddiffusionslage 22a, 22b an die Katalysatorschicht 21a, 21b angrenzend angeordnet. Die Fluiddiffusionslagen 22a, 22b sind jeweils angrenzend an eine elektrisch leitfähige Elektrode oder Bipolarplatte 24a, 24b angeordnet, wobei die Fluiddiffusionslagen 22a und 22b hier aus Streckmetall gebildet sind. Die Elektroden oder Bipolarplatten 24a, 24b weisen jeweils Strömungskanäle 23a, 23b auf ihren den Fluiddiffusionslagen 22a, 22b zugewandten Seiten auf, um eine Zufuhr von Reaktionsmedium (Wasser) und eine Abfuhr von Reaktionsprodukten (Wasser, Wasserstoff, Sauerstoff) zu verbessern. Dabei sind hier zur Besseren Übersicht nur die Strömungskanäle 23a, 23b auf der zur dargestellten Elektrolysezelle 20 gehörenden Seite dargestellt, d.h. auf ihrer den Fluiddiffusionslagen 22a, 22b zugewandten Seiten. Bei einer Aneinanderreihung von Elektrolysezellen 20 sind die Strömungskanäle 23a, 23b beidseitig angeordnet (vergleiche 1).
Die Elektroden oder Bipolarplatten 24, 24a, 24b sind hierbei aus einem elektrisch leitenden Materialgemisch umfassend Polypropylen (PP) als Bindematrix und TiN als Füllstoff ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Elektrolyseur
20: Elektrolysezelle
21a, 21b: Katalysatorschicht
22, 22a, 22b: Fluiddiffusionslage
23, 23a, 23b: Strömungskanal
24, 24a, 24b: Elektrode oder Bipolarplatte
29: Polymerelektrolytmembrane (PEM)
30: PEM inklusive Katalysatorschichten
A: Anodenseite
K: Kathodenseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007042985 A1 [0002]
DE 102009051434 A1 [0003]

Claims

Elektrode oder Bipolarplatte (24, 24a, 24b) für einen Elektrolyseur (1), welche aus einem elektrisch leitenden Materialgemisch umfassend mindestens einen Kunststoff und mindestens einen Füllstoff gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff mindestens ein Metallnitrid umfasst.
Elektrode oder Bipolarplatte (24, 24a, 24b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff zudem mindestens ein Metallkarbid umfasst.
Elektrode oder Bipolarplatte (24, 24a, 24b) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff lediglich durch das mindestens eine Metallnitrid oder lediglich das mindestens eine Metallnitrid und das mindestens eine Metallkarbid gebildet ist.
Elektrode oder Bipolarplatte (24, 24a, 24b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallnitrid Titannitrid und/oder Tantalnitrid vorhanden ist.
Elektrode oder Bipolarplatte (24, 24a, 24b) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallkarbid Titankarbid und/oder Zirkoniumkarbid vorhanden ist.
Elektrode oder Bipolarplatte (24, 24a, 24b) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff durch mindestens ein Elastomer und/oder mindestens einen thermoplastischen Kunststoff und/oder mindestens einen duroplastischen Kunststoff ausgebildet ist.
Elektrode oder Bipolarplatte (24, 24a, 24b) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff mindestens ein Material aus der Gruppe umfassend PE, PP, PPS, PEEK, PVC, PA, PET/PVDF, Phenolharz, Acrylat, Epoxidharz, Ester, Biopolymer, vorhanden ist.
Elektrode oder Bipolarplatte (24, 24a, 24b) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff eine maximale Korngröße im Bereich von 1 nm bis 1000 µm aufweist.
Elektrode oder Bipolarplatte (24, 24a, 24b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff in einer Konzentration von bis zu 90 Gew.-% in dem Materialgemisch enthalten ist.
Elektrolyseur (1) zur Elektrolyse von Wasser, umfassend mindestens eine Elektrolysezelle (20) mit einer Polymerelektrolytmembrane (29) und mindestens zwei Bipolarplatten nach einem der Ansprüche 1 bis 9.