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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall gemäß der Einleitung
von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer ausgelegten
Hardwarekomponente aus Metall gemäß der Einleitung von Anspruch
9.
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Hintergrund
der Erfindung
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Elektrochemische Zellen werden üblicherweise
zur Produktion von Produktgasen aus einer 0zugeführten Flüssigkeit, wie etwa Wasser,
benutzt, und können
auch in "Brennstoffzellen" – Konfigurationen zur Produktion
elektrischer Energie aus zugeführten
Brennstoffen verwendet werden. Bekannte Anwendungen der Produktgase
umfassen Flugzeug – und
Raumschiff – Sauerstoffspeicherung,
Gasspeicherung zur Energieumwandlung und Raumschiffantrieb. Zur
Erfüllung
spezieller Anwendungsanforderungen ist eine Vielzahl planarer elektrochemischer Zellen
typischerweise in einem vertikalen Stapel angeordnet. In einem derartigen
Stapel umfassen die Zellen gemeinsame Komponenten, die den Stapel als
funktionelles System integrieren. Beispielsweise umfasst jede Zelle
Hardwarekomponenten, die Fluidhohlräume und Fluiddurchlässe für den Eintritt
von Fluid, dessen Verarbeitung und Austritt aus dem Stapel definieren;
die Elektrizität
leiten; und die mechanische Unterstützung für Zellstrukturen bereitstellen, wie
etwa einen Elektrolyten, Dichtungen etc.
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Zur Produktion von Sauerstoff – und Wasserstoffgas
aus Wasser verwendete elektrochemische Zellenstapel sind mit einer
Vielzahl spezifischer und schwieriger Anforderungen konfrontiert.
Erstens steigen die Betriebswirkungsgrade derartiger elektrochemischer
Zellenstapel und die Lagerwirkungsgrade von durch die Stapel erzeugten
Gasen bei erhöhten internen
Betriebsdrücken.
Infolgedessen steigen interne Betriebsdrücke oft bis auf so hohe Niveaus
wie annähernd
4,137·107Pa (6.000 Pfund pro Quadratzoll (hiernach "p. s. i."). Daher müssen die
Hardwarekomponenten individueller elektrochemischer Zellen bedeutende
Druckdifferentiale ohne Versagen durchstehen.
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Zweitens verwenden moderne elektrochemische
Zellen oft massive Polymer – Elektrolytmembranen,
die hoch säurehaltige
funktionelle Gruppen aufweisen. Wird eine solche Membran in einer
Zelle verwendet, die durch Elektrolyse Wasser als zugeführtes Fluid
in Sauerstoff – und
Wasserstoffgas zerlegt, so wird die mit der Membranoberfläche in Kontakt
befindliche, wässrige
Lösung
hoch säurehaltig.
Infolgedessen müssen
die Oberflächen
der Hardwarekomponenten der Zelle chemisch stabil sein, wenn sie
einer solchen säurehaltigen
wässrigen
Lösung
ausgesetzt sind. Drittens sind während
des Betriebs einer elektrochemischen Zelle die elektrisch leitfähigen Hardwarekomponenten
der Zelle, die an der Leitung von Elektrizität beteiligt sind, anodischer
und kathodischer Polarisierung ausgesetzt. Viertens produziert die
Elektrolyse von Wasser unter Hochdruck stehendes Wasserstoffgas,
das viele Metalle durch einen als "Wasserstoffsprödewerden" bekannten Prozess beschädigt. Entsprechend
müssen
für die
Herstellung der Hardwarekomponenten verwendete Materialien einen
zufriedenstellenden Grad mechanischer Stärke und chemischer Stabilität aufweisen,
wenn sie besagten Problemen von Druckunterschied, niedrigem pH-Wert,
anodischer oder kathodischer Polarisation und Wasserstoffsprödewerden
ausgesetzt sind. Während
beispielsweise die meisten Edelstähle zufriedenstellende Eigenschaften
in Bezug auf mechanische Stärke
aufweisen, lösen
sich Edelstähle unglücklicherweise
unter anodischer Polarisation und wenn sie einer säurehaltigen
Lösung
ausgesetzt sind, mit einer inakzeptablen Geschwindigkeit auf und
sind daher keine zufriedenstellenden Materialien zur Herstellung
von Hardwarekomponenten elektrochemischer Zellen.
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Eine zusätzliche fünfte Anforderung in Bezug auf
Hardwarekomponenten solcher Zellen ist, dass sie ausreichend harte
Oberflächen
haben, um Fabrikations – und
Betriebsbelastungen beim Zusammenbau einer individuellen Zelle zu
widerstehen; dem Zusammenbau der Zellen zu einem Stapel elektrochemischer
Zellen; und dem Betrieb des Stapels. Typischerweise definieren die
Hardwarekomponenten zwischen den Komponenten verlaufende Fluiddurchgänge und
müssen
daher glatte abdichtende Oberflächen
aufweisen, um falsche Bewegungen von Fluid aus den Durchlässen bei
extrem hohen Betriebsdrücken
einzuschränken.
Erleidet eine Oberfläche
einer Hardwarekomponente während
des Zusammenbaus einen Kratzer oder Riss, so kann der sichere Betrieb
des gesamten Stapels gefährdet
sein. Der Zusammenbau eines solchen elektrochemischen Stapels umfasst
typischerweise die Verwendung einer Vielzahl von Muttern, Bolzen,
Unterlegscheiben usw., die die Zellen umgeben und. zwischen Endplatten
durchlaufen, um Dichtungen entsprechend vorzuspannen, usw., während eine
Vielzahl von Kanälen, Leitungen,
Regelventilen und Messinstrumenten ebenfalls an dem und innerhalb
des Stapels befestigt werden muss.
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Das Aufrechterhalten der Unversehrtheit
solcher Dichtungen innerhalb des Stapels wird durch bekannte Kompressionskomponenten
verwirklicht, die zusammenwirken, um internen Betriebsdrücken entgegenzustehen.
Dieselben Kompressionskomponenten stellen einen gleichmäßigen, ununterbrochenen
Fluss elektrischer Spannung durch die Zellen und durch spezifische
Hardwarekomponenten jeder Zelle sicher. Elektrische Kontinuität und gleichförmige Spannungsverteilung
durch die Hardwarekomponenten solcher Zellstapel werden durch den
Metall – auf – Metall – Kontakt
benachbarter Hardwarekomponenten erzielt: Die Kompressionskomponenten
erhalten über
den gesamten Bereich des Zellenaufbaus eine Kompressionslast aufrecht
in einer Größenordnung
größer als
interne Betriebsdrücke,
und diesen entgegenstehend, die bis zu 4,137·107Pa (6.000
p. s. i.) betragen können,
wodurch sie die mechanische Unversehrtheit der Zellen und den richtigen
Fluss elektrischer Spannung sicherstellen. Aufgrund der vorgenannten
fünf spezifischen
Betriebs – und
Montageanforderungen sind die meisten Hardwarekomponenten aus Spezialmetallen
gefertigt, wie etwa Niobium, Zirkonium, Titan oder Legierungen davon,
die chemisch stabil sind, mechanisch stark und harte Oberflächen besitzen.
wo elektrochemische Zellen verwendet wurden, um begrenzten Produktionsanwendungen
wie etwa Unterseebooten oder Raumschiffen zu dienen, haben solche
Anforderungen in punkto Spezialmetallmaterialien keine bedeutenden
Kostenprobleme gestellt.
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In letzter Zeit ist jedoch bei der
Produktion von Sauerstoffgas an Bord moderner kommerzieller Flugzeuge
ein Bedarf an der Verwendung elektrochemischer Zellenstapel aufgetaucht.
Beispielsweise entfalten sich im Fall eines Notfalls, wie etwa einem unerwarteten
Druckabfall auf Außendruck
auf großer Höhe, automatisch
Sauerstoffmasken, um die Passagiere mit Sauerstoff zu versorgen.
Der Sauerstoff wird typischerweise an Bord des Flugzeugs in Metallflaschen
gelagert, und die Flaschen werden routinemäßig aufgefüllt, während das Flugzeug gewartet wird.
Ein elektrochemischer Zellenstapel an Bord des Flugzeugs kann zum
Nachfüllen
der Flaschen verwendet werden, wodurch der Zeit – und Kostenaufwand der Wartung
auf dem Boden eingespart wird, und ein derartiger Zellenstapel kann
Sauerstoff für andere
diverse Umstände bereitstellen.
Bekannte elektrochemische Zellenstapel verwenden jedoch Hardwarekomponenten,
die aus den vorgenannten Spezialmetallen gefertigt sind, die deren
Verfügbarkeit
zur Erfüllung
des Bedarfs an Sauerstofferzeugung an Bord kommerzieller Flugzeuge
primar aufgrund der unerschwinglichen Kosten der Spezialmetalle
einschränken.
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Bekannte Bimetalle mit einem ersten
Metallsubstrat mit einer auf galvanisierten oder beschichteten zweiten
Metall – Oberflächenschicht
haben Oberflächen,
die für
die Anwendung als Hardwarekomponente zu weich sind. Dies ist deswegen
der Fall, da bei solchen Bimetallen die Oberflächenschicht zur Lösung von
Problemen in Hinsicht auf chemische Stabilität, elektrische Leitfähigkeit
oder Aussehen gewählt
und angewendet wird. Eine übliche
Anwendung von Bimetall ist die Verlängerung der Langlebigkeit einer
Elektrode in einer Zelle durch Beschichten eines Substrats, wie
etwa Titan, mit einer Oberflächenschicht,
wie etwa eines Metalls aus der Platingruppe, wodurch die chemische
Stabilität
der Elektrode gegen Auflösung
durch einen Elektrolyten erhöht
wird. Aufgrund der rigorosen Anforderungen solcher elektrochemischer
Zellen nach mechanischer Stärke,
chemischer Stabilität
und einer harten Oberfläche
sind solche Bimetalle nicht zur praktischen Anwendung als Hardwarekomponenten
der vorgenannten elektrochemischen Hochdruckzellen geeignet. Ein
häufig
vorkommendes Problem bei Bimetallen ist beispielsweise die Haltbarkeit
einer Grenze zwischen Oberflächenschicht
und Substrat. Unter gewöhnlicher
mechanischer Belastung elektrochemischer Zellenstapel, die zur adäquaten Abdichtung
etc. nötig ist,
und insbesondere dort, wo elektrische Kontinuität und gleichförmige Spannungsverteilung
von einem ununterbrochenen Fluss durch Metall – auf – Metall – Kontakt benachbarter Hardwarekomponenten
abhängt,
würde die
Unterbrechung der Grenze zwischen Substrat und Oberflächenschicht
zu einem ineffizienten Zellenbetrieb oder sogar Zellenversagen führen, primär zurückzuführen auf
die chemische Instabilität
des Substrats in einem solchen Arbeitsmileu. Da bekannte Bimetalle
nicht für
die rigorosen Anforderungen von Hardwarekomponenten elektrochemischer
Zellenstapel entworfen sind, sind sie unfähig, die enorme Kompressionsbelastung
des Stapels ohne inakzeptable Unterbrechung der Grenze zwischen
Oberflächenschicht
und Substrat von der Oberflächenschicht
zum Substrat zu übertragen.
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Dementsprechend ist die allgemeine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer ausgelegten
Hardwarekomponente aus Metall für eine
elektrochemische Zelle, die die Mängel des Standes der Technik
in Hinsicht auf Kosten, mechanische Stärke und Haltbarkeit überwindet.
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Eine speziellere Aufgabe ist die
Bereitstellung einer ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall für eine elektrochemische
Zelle, die unter Betriebsbedingungen der Zelle chemisch stabil ist.
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Eine andere speziellere Aufgabe ist
die Bereitstellung einer ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall
für eine
elektrochemische Zelle, die eine adäquate mechanische Stärke zum
Tragen von Zellenstrukturen, die Hochdruck – Betriebsbedingungen ausgesetzt
sind, hat.
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Noche eine andere spezielle Aufgabe
ist die Bereitstellung einer ausgelegten Hardwarekomponente aus
Metall für
eine elektrochemische Zelle, die eine Oberflächenhärte hat, die adäquat ist,
um einer Beschädigung
während
des Zusammenbaus der Zelle und des Zusammenbaus der Zelle in einem
elektrochemischen Zellenstapel und während des Betriebs des Stapels
zu widerstehen.
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Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung einer
ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall für eine elektrochemische Zelle,
die eine gewöhnliche
Kompressionsbelastung der Zelle ohne Unterbrechung einer Grenze
zwischen Oberflächenschicht und
Substrat von einer Oberflächenschicht
zu einem Substrat überträgt.
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Diese und andere Vorteile dieser
Erfindung werden deutlicher, wenn die folgende Beschreibung zusammen
mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die ausgelegte Hardwarekomponente
aus Metall der vorliegenden Erfindung ist im kennzeichnenden Teil
von Anspruch 1 beschrieben, und das Verfahren zur Fertigung einer
ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall ist im kennzeichnenden Teil
von Anspruch 9 beschrieben.
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Eine ausgelegte Hardwarekomponente
aus Metall für
eine elektrochemische Zelle ist offengelegt zum mechanischen Tragen
elektrochemischer Zellenstrukturen und zum Definieren von Fluidhohlräumen und
Durchlässen
für Fluideintritt,
elektrolytisches Verarbeiten und Fluidaustritt in einer elektrochemischen
Hochdruckzelle, unter Verwendung einer massiven Polymer – Elektrolytmembran.
In einer besonderen Ausführung
umfasst die ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall ein Substrat,
wie etwa Edelstahl, eine aus einem Edelmetall, wie etwa Gold, hergestellte
Oberflächenschicht,
und eine ausgelegte Grenzschicht, die dem Substrat und der Oberflächenschicht
benachbart ist und zwischen diesen liegt, wobei die ausgelegte Grenzschicht
eine Interdiffusion von Substrat und Oberflächenschicht umfasst, worin
die ausgelegte Grenzschicht zwischen 0,5 Gewichtsprozent ("Gew.%") – 5,0 Gew.%
des das Substrat bildenden Materials darstellt, und zwischen 99,5
Gew.%–95,0
Gew.% des die Oberflächenschicht
bildenden Materials, und wobei die ausgelegte Grenzschicht eine
Dicke von zwischen 10% – 90% einer
kürzesten
Distanz zwischen dem Substrat und einer Außenfläche der Oberflächenschicht
hat. In einer bevorzugten Ausführung
beträgt
eine kürzeste Distanz
zwischen dem Substrat und einer Außenfläche der Oberflächenschicht
zwischen 1,27 – 3,048 μm (50 bis
120 Mikrozoll), und die Außenfläche der Oberflächenschicht
hat eine Härte
von zwischen 150 bis 200 auf der Knoop – Skala.
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Ein bevorzugtes Verfahren zur Fertigung
der ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall umfasst die Schritte
des erst Anbringens einer Beschichtung aus Chlorogoldsäure auf
dem Substrat, dann das Auftragen einer Hartgoldbeschichtung auf
dem einmal beschichteten Substrat, und schließlich der Hitzebehandlung des
zweimal beschichteten Substrats bei zwischen 200 Grad Celsius (hiernach "°C") bis 500°C für die Dauer von 1 bis 24 Stunden.
Ein bevorzugtes Anwendungsverfahren der Beschichtungen oder Ablagerungen
von Goldsäure
und Hartgold ist Galvanisieren.
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Indem das Substrat zuerst mit der
Goldsäure beschichtet
wird, findet eine verbesserte Anhaftung zwischen dem Substrat und
dem Gold statt. Indem die Goldsäureauflage
mit dem Hartgold beschichtet wird und das beschichtete Substrat
dann hitzebehandelt wird, zeigt die resultierende Oberflächenschicht eine
Härte,
die für
die Anforderungen an Hardwarekomponenten elektrochemischer Hochdruckzellen geeignet
sind, während
die Oberflächen – und die ausgelegte
Grenzschicht zusammenwirken, um das Substrat vor schädlichen
Auswirkungen anodischer Polarisation des Substrats, wenn es einer
wässrigen säurehaltigen
Lösung
ausgesetzt ist, abzuschirmen. Die Härte der Oberflächenschicht
minimiert jegliche Möglichkeit
von Defekten in der Oberflächenschicht, die
von Montagebelastungen herrühren,
wie etwa Kratzern, Rissen etc., und die durch Interdiffusion von
Goldsäureauflage
und Hartgold mit dem Substrat geformte ausgelegte Grenzschicht erhöht die Anhaftung
der Oberflächen – und der
ausgelegten Grenzschicht am Substrat beträchtlich. Die ausgelegte Hardwarekomponente
aus Metall der vorliegenden Erfindung gestattet die Nutzung eines
relativ preiswerten Substrats, wie etwa Edelstahl, das niedrige Kosten
und die erforderliche mechanische Stärke bietet, während die
Oberflächen – und die
ausgelegte Grenzschicht zusammenwirken, um die von Hardwarekompo – nenten
einer elektrochemischen Hochdruckzelle, die eine massive Polymer – Elektrolytmembran
verwendet, benötigte
chemische Stabilität und
harte Oberfläche
bereitzu – stellen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Explosionsdarstellung einer elektrochemischen
Zelle, die ausgelegte Hardwarekomponenten aus Metall verwendet,
die in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert sind.
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2 ist
eine Draufsicht einer ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall
der elektrochemischen Zelle von 1.
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3 ist
eine vergrößerte, bruchstückhafte Querschnittsansicht
eines Teils der ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall von 2, genommen entlang Sichtlinien
3–3 von 2.
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4 ist
ein Diagramm, das das Polarisations – verhalten einer ausgelegten
Hardwarekomponente aus Metall zeigt, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist, verglichen mit einer Referenz – Hardwarekomponente.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
im einzelnen ist eine ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall der
vorliegenden Erfindung am besten in den 2 und 3 dargestellt
und ist generell mit der Referenzziffer 10 bezeichnet.
Wie am besten in 1 ersichtlich,
ist ein geeignetes Arbeitsumfeld für die ausgelegte Hardware – komponente
aus Metall eine elektrochemische Zelle, wie etwa die in US-A 5 316
644 für
Titterington et al., mit dem Titel "High – Pressure Electrochemical
Cell Structure".
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wie in der Technik bestens bekannt
ist, kann eine derartige elektrochemische Zelle eine Elektrolysezelle 12 (wie
schematisch in 1 gezeigt)
zum elektrolytischen Aufspalten von Wasser in Sauerstoff – und Wasserstoffgas
sein. Die Elektrolysezelle 12 umfasst typischerweise eine
Sauerstoff (oder "O2") – Endbaugruppe 14 und
eine Wasserstoff (oder "H2") – Endbaugruppe 16 an
gegenüberlie – genden
Seiten einer massiven Polymer – Elektrolytmembran 18,
wobei all diese in einem Stapel zwischen einer oberen Endplatte 20 und
einer unteren Endplatte 22 angeordnet sind, welche mit
einer Vielzahl von Befestigungskomponenten wie etwa Bolzen und Muttern (nicht
dargestellt) zusammenwirken, um die Zelle 12 zusammenzudrücken und
die Zelle zu anderen Zellen (nicht dargestellt) auszurichten, um
einen Stapel elektrochemischer Zellen zu bilden. Wie in der Technik
bestens bekannt ist, umfasst jede Zelle 12 auch eine Vielzahl
gemeinsamer, zusammenwirkender funktioneller Strukturen, wie etwa
einen Isolator 24 benachbart zur oberen Endplatte 20 und
einen positiven Anschluss 26 zwischen dem Isolator 24 und
der Sauerstoff – Endbaugruppe 14,
während
eine Plattenabdeckung 28 zwischen der unteren Endplatte 22 und
der Wasserstoff – Endbaugruppe 16 liegt.
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Wie am besten schematisch in 1 dargestellt, umfasst die
Sauerstoff – Endbaugruppe 14 der Elektrolysezelle 12 eine
Vielzahl ausgelegter Hardwarekomponenten zwischen einem Sauerstoff – Enddruckkissen 30 und
der massiven Polymer – Elektrolytmembran 18.
Die ausgelegten Hardwarekomponenten im Sauerstoffende 14 der
Zelle 12 umfassen aufeinanderfolgend einen sauerstoffdurchlässigen Plattenrahmen 32,
einen oberen Endabscheider 34, erste, zweiten und dritte
Sauerstoffsiebgerüste 36, 38, 40,
ein Sauerstoffmembransieb 42, und einen Sauerstoffgreif – schutzring
44 benachbart zur massiven Polymer – Elektrolytmembran 18.
Auf gleichartige Weise umfasst die Wasserstoff – Endbaugruppe 16 der
Zelle 12 eine Vielzahl ausgelegter Hardwarekomponenten
zwischen einem Wasserstoff – Enddruckkissen 46 und
der massiven Polymer – Elektrolytmembran 18.
Die Vielzahl ausgelegter Hardwarekomponenten in dem Wasserstoffende 16 der
Zelle 12 umfassen einen ersten wasserstoffdurchlässigen Plattenrahmen 48 (zwischen
dem Wasserstoffdruckkissen 46 und der Plattenabdeckung 28),
einen unteren Endabscheider 49, und aufeinanderfolgend
erste, zweite und dritte Wasserstoffsiebgerüste 50, 52, 54,
einen zweiten wasserstoffdurchlässigen
Plattenrahmen 56, und einen Wasserstoffgriffschutzring 58 benachbart
zur massiven Polymer – Elektrolytmembran 18.
Die Wasserstoff – Endbaugruppe 16 umfasst auch
eine poröse
Platte 60 zwischen dem zweiten wasserstoffdurchlässigen Plattenrahmen 56 und dem
Wasserstoffgriffschutzring 58.
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Wie in 1 gesehen,
wirken die ausgelegten Hardwarekomponenten der Sauerstoffseite 14 der
Elektrolysezelle 12 zusammen, um einen Sauerstoffseiten
Fluidhohlraum 61 zwischen der massiven Polymer – Elektrolytmembran 18 und
dem oberen Endabscheider 34 zu definieren, und wirken die Hardwarekomponenten
der Wasserstoffseite 16 der Zelle 12 zusammen,
um einen Wasserstoffseiten – Fluidhohlraum 62 zwischen
der massiven Polymer – Elektrolytmembran 18 und
dem unteren Endabscheider 49 zu definieren. In 2 ist eine nicht – schematische
Darstellung einer ausgelegten Hardwarekomponente 10 gezeigt,
die einen Rahmen 64 umfasst, der ein Sieb 66 umgibt.
Der Rahmen 64 definiert einen ersten Fluiddurchlass 68,
eine zweiten Fluiddurchlass 70, einen ersten Fluideinlass 72 und
einen zweiten Fluideinlass 74. Wie in der Technik bestens bekannt
ist und eingehender im vorgenannten US-A 5 316 644 beschrieben ist,
wären,
wenn eine Vielzahl von Hardwarekomponenten 10 zusammenwirkend gestapelt
sind, die Siebe derartiger Hardwarekomponenten innerhalb eines Fluidhohlraums
angeordnet, worin der Hohlraum Seiten hätte, die durch Rahmen der Hardwarekomponenten
definiert wären,
sodass, ein zugeführtes
Fluid, wie etwa Wasser, durch den ersten Fluideinlass 72 in
den Hohlraum eintreten kann und mit mitgenommenem Wasserstoffgas durch
den zweiten Fluideinlass 74 des Rahmens 64 aus
dem Hohlraum austreten kann, während
ein Produktfluid, wie etwa Sauerstoffgas, gleichzeitig durch den
ersten und/oder zweiten Fluiddurchlass 68 bzw. 70 des Rahmens 64 passiert,
ohne in einen durch diesen Rahmen 64 definierten Fluidhohlraum
einzutreten. Der Rahmen 64 der Hardwarekomponente definiert
auch eine Vielzahl von Ausrichtkerben 76A, 76B, 76C und 76D,
und eine Vielzahl von Befestigungskerben 78A, 78B, 78C, 78D, 78E, 78F, 78G, 78H, 78I, 78J, 78K, 78L, 78M, 78N, 780 und 78P,
die Befestigungselemente (nicht dargestellt) sichern, wenn die ausgelegte
Hardwarekomponente 10 in einer Zelle, wie etwa einer Elektrolytzelle 12,
gesichert ist.
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Wie aus den 1 und 2 hervorgeht,
sind die ausgelegten Hardwarekomponenten während des Betriebs einer elektrochemischen
Zelle Fluiden ausgesetzt. Bei Betrieb einer Hochdruckzelle mit einer
massiven Polymer – Elektrolytmembran
mussten Hardwarekomponenten des Standes der Technik in der Lage
sein, fünf
Betriebs – und
Montageanforderungen durchzustehen, einschließlich Druckunterschieden von
annähernd
4,137·107Pa (6.000 p. s. i.); niedrigem pH-Wert der
Fluide, die mit Oberflächen der
Hardwarekomponenten in Kontakt kamen; anodischer oder kathodischer
Polarisation; Wasserstoffsprödewerden;
und ausreichend harte Oberflächen, um
Fabrikationsbelastungen während
Betrieb und Zusammenbau der Zelle zu widerstehen, welche Anforderungen
oben detaillierter erörtert
sind. Infolgedessen waren Hardwarekomponenten des Standes der Technik
typischerweise aus Spezialmetallen wie etwa Niobium, Zirkonium,
Titan oder Legierungen davon gefertigt, die chemisch stabil sind,
mechanisch stark und ausreichend harte. Oberflächen haben. Hardwarekomponenten
einer elektrochemischen Zelle wie etwa der Elektrolysezelle 12,
die nicht als ausgelegte Hardwarekomponenten gekennzeichnet sind,
würden
aus in der Technik wohlbekannten Standardmaterialien gefertigt.
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Die ausgelegte Hardwarekomponente 10 der vorliegenden
Erfindung, wie in 3 gezeigt,
besteht aus einem Substrat 76, wie etwa Edelstahl, aus
einer aus einem Edelmetall, wie etwa Gold, gefertigten Oberflächenschicht 78,
und aus einer ausgelegten Grenzschicht 80, wobei die ausgelegte
Grenzschicht 80 zwischen 0,5 Gew.% bis 5,0 Gew.% des das
Substrat bildenden Materials darstellt und zwischen 99,5 Gew.% bis
95,0 Gew.% des die Oberflächenschicht bildenden
Materials, und wobei die ausgelegte Grenzschicht 80 dem Substrat
benachbart ist und eine Dicke von zwischen 10% bis 90% einer kürzesten
Distanz zwischen dem Substrat 76 und einer Außenfläche 82 der
Oberflächenschicht 78 hat,
sodass die ausgelegte Grenzschicht mit dem Substrat in Kontakt ist,
jedoch nicht mit der Außenfläche 82 der Oberflächenschicht 78 in
Kontakt ist. In einer bevorzugten Ausführung liegt eine kürzeste Distanz
zwischen dem Substrat und einer Außenfläche 82 der Oberflächenschicht
zwischen 1,27–3,048
um (50 bis 120 Mikrozoll); die ausgelegte Grenzschicht hat eine Dicke
von etwa 90% einer kürzesten
Distanz zwischen dem Substrat 76 und einer Außenfläche 82 der Oberflächenschicht 78;
und die Außenfläche der Oberflächenschicht
hat eine Härte
von zwischen 150 bis 200 auf der Knoop – Skala. Während Gold oder Goldlegierungen
bevorzugte Metalle für
die Oberflächenschicht
sind, ist jedes Metall oder jede Legierung, das bzw. die edler als
Quecksilber ist, in der Lage, einem Substrat in einer wässrigen
säurehaltigen Lösung angemessenen
Schutz zu verleihen, vorausgesetzt, dass die ausgelegte Hardwarekomponente eine
ausgelegte Grenzschicht mit den vorgenannten Konzentrationen und
Abmessungen enthält.
Zusätzlich
kann das Substrat 76 ein Edelstahl sein, wie die wohlbekannten
Edelstähle
der 300er Serien, oder das Substrat 76 kann jedes Standardkonstruktionsmaterial
sein, das bekannte Stärke – und chemische Kompatibilitätsanforderungen
bekannter elektrochemischer Zellen erfüllt.
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Ein bevorzugtes Verfahren zur Fertigung
der ausgelegten Hardwarekomponente 10 umfasst die Schritte
des ersten Beschichtens oder Anbringens eines Goldsäureniederschlags
auf dem Substrat 76; als nächstes das Anbringen einer
Hartgoldbeschichtung auf dem einmal beschichteten Substrat; und dann
das Erhitzen des zweimal beschichteten Substrats auf zwischen 200°C bis 500°C für die Dauer
von 1 bis 24 Stunden. Ein noch bevorzugteres Verfahren der Fertigung
der ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall umfasst die vorgenannten
ersten und zweiten Anwendungsschritte und dann das Aufheizen des
zweimal beschichteten Substrats auf zwischen 250°C bis 350°C für die Dauer von 3 bis 5 Stunden.
Es wurde festgestellt, dass der Schritt des Erhitzens eine metallurgische
Bindung verstärkt
und jegliche Defekte zwischen Substrat, ausgelegter Grenzschicht
und Oberflächenschicht
heilt. Ein bevorzugtes Verfahren zur Anwendung der Beschichtungen
oder Ablagerungen von Goldsäure
und Hartgold ist Galvanisieren. Wird ein anderes Edelmetall als
Gold für
die Oberflächenschicht
verwendet, dann umfasst das vorgenannte Fertigungsverfahren der ausgelegten
Hardware – Komponente 10 ein
erstes Anbringen eines Metallsäureniederschlags
auf dem Substrat, gefolgt vom Anbringen eines Hartmetalls zum Formen
der Oberflächenschicht.
Eine am meisten bevorzugte Ausführung
der ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall umfasst die Verwendung
eines 316L – Edelstahls,
wobei eine kürzeste Distanz
vom Substrat zur Augenfläche
der Oberflächen – schicht
annähernd
1,905 um (75 Mikrozoll) beträgt.
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Für
Zwecke der vorliegenden Erfindung bedeutet das Anbringen eines "Goldsäureniederschlags" oder "Metallsäureniederschlags" die Anbringung des
Goldes oder Metalls durch eine Ablagerung aus einer Säurelösung, wie
etwa den üblicherweise beim
Galvanisieren verwendeten Chlorsäuren.
Gleichermaßen
bedeutet für
die vorliegende Erfindung "Hartgold" oder "Hartmetall", dass das Gold oder
Metall eine Konzentration von zwischen 0,1 Gew.%–0,3 Gew.% eines Übergangsmetalls,
wie etwa Nickel, Kobalt oder Eisen, enthält. Ein bevorzugtes Verfahren
der Anbringung des Hartgoldes oder Hartmetalls ist die Ablagerung
des Hartgoldes oder Hartmetalls auf dem einmal beschichteten Substrat
aus einer Lösung,
die einen pH-Wert von annähernd
4,5 hat und eine Temperatur von zwischen 100 Grad Fahrenheit (hiernach "°F") bis 37,78°C–65,56°C (150 °F), bis die resultierende Oberflächen – und ausgelegte
Grenzschicht eine Tiefe von zwischen 1,27–3,048 μm (50– 120 Mikrozoll) erreichen,
was mit anderen Worten bedeutet, dass eine kürzeste Distanz vom Substrat zu
einer Außenfläche der
Oberflächenschicht
zwischen 1,27–3,048 μm (50–120 Mikrozoll)
liegt.
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Beim Betrieb einer elektrochemischen
Zelle erfahren, wie oben erläutert,
leitfähige
Hardwarekomponenten, die einem elektrischen Potential über einen
Elektrolyten ausgesetzt sind, anodische und kathodische Polarisation.
Da eine derartige Polarisation zu einer Beschädigung an Hardwarekomponenten
führen
kann, die gleichzeitig wässrigen
säurehaltigen
Losungen ausgesetzt sind, verwendeten elektrochemische Zellen des
Standes der Technik, die massive Polymer – Elektrolytmembranen verwendeten,
daher Hardwarekomponenten, die aus Spezialmetallen wie Niobium,
Zirkonium, Titan etc. gefertigt waren, um schädliche Auswirkungen solcher
Polarisation zu minimieren. Um die Reaktion einer in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruierten ausgelegten Hardwarekomponente
aus Metall auf derartige belastende Bedingungen zu bestimmen, wurde
ein Experiment durchgeführt,
das die elektrochemische Widerstandsfähigkeit des Substrats der ausgelegten
Hardwarekomponente aus Metall auf anodische und kathodische Polarisation
im Vergleich mit dem Polarisationsverhalten einer aus massivem Gold
gefertigen Referenzkomponente maß. In dem Experiment wurden
die ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall, die ein 316L – Edelstahlsubstrat
besaß,
das vollständig
von einer Oberflächenschicht
eingeschlossen war, die primär aus
Gold bestand, und die Referenzkomponente aus massivem Gold in eine
0,1N – Lösung von
H2SO4 eingetaucht,
und ein elektrisches Potential in einem Bereich, der einer Wasserelektrolyse
von – 2
Volt ("V") bis +2V Gleichstrom
entspricht, wurde an die ausgelegte Hardwarekomponente und die Referenzkomponente
angelegt. 4 ist ein
Diagramm,. das das Verhalten der ausgelegten Hardwarekomponente aus
Metall in einer gestrichelten Linie 84 darstellt und auch
das Verhalten einer Referenz – Komponente aus
massivem Gold in einer durchgezogenen Linie 86 durch den
vorgenannten Bereich von –2V
bis +2V darstellt. Wie aus 4 hervorgeht,
zeigt ein Korrosionsstrom, der entlang der X – Achse des Diagramms gezeichnet
ist (der zwischen 1 × 10–10 Ampere
("A") beträgt) (in 4 dargestellt als "1E – 10") bis 1.10–1 A
(in 4 dargestellt als "1E – 1"), für die ausgelegte
Hardwarekomponente aus Metall und die Referenzkomponente im Wesentlichen
identische Spannungsreaktionen durch diesen Voltbereich. Der Korrosionsstrom
in dem Experiment ist ein direktes Maß einer Korrosionsrate für die zwei
Hardwarekomponenten, und daher zeigt das Experiment, dass eine Korrosionsrate
für die
ausgelegte kardwarekomponente aus Metall annähernd dieselbe ist wie für reines
Gold, sodass sie für
die Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, wobei sie säurehaltigen wässrigen
Lösüngen ausgesetzt
ist, geeignet ist. Gleichermaßen
kann gefolgert werden, dass die Oberflächenschicht einer in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gefertigten ausgelegten Hardwarekomponente
aus Metall, wenn sie den Betriebsbedingungen einer elektrochemischen
Zelle ausgesetzt ist, so edel ist wie reines Gold. Daher wird das
Edelstahlsubstrat die schädliche
Auswirkung der Auflösung
mit einer inakzeptablen Geschwindigkeit nicht erfahren; wenn die
das Substrat umhüllende Oberflächenschicht
einer wässrigen
säurehaltigen Lösung und
anodischer Polarisation innerhalb einer in Betrieb befindlichen
elektrochemischen Zelle mit einer massiven Polymer – Elektrolytmembran
ausgesetzt ist.
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Während
die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine bestimmte Konstruktion
beschrieben und illustriert wurde, wird der Fachmann verstehen,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf dieses bestimmte Beispiel
beschränkt
ist. Beispielsweise wurde die ausgelegte Hardwarekomponente aus
Metall 10 innerhalb einer Elektrolysezelle 12 beschrieben,
jedoch könnte
sie auch innerhalb einer Brennstoffzellen – konfiguration einer elektrochemischen
Zelle angewendet werden. Entsprechend sollte zur Bestimmung der
Reichweite der Erfindung eher auf die beigefügten Ansprüche als auf die vorangehende
Beschreibung Bezug genommen werden.