DE69820233T2 - Gradierte metallkomponente für eine elektrochemische zelle - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • 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.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine speziellere Aufgabe ist die Bereitstellung einer ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall für eine elektrochemische Zelle, die unter Betriebsbedingungen der Zelle chemisch stabil ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese und andere Vorteile dieser Erfindung werden deutlicher, wenn die folgende Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Explosionsdarstellung einer elektrochemischen Zelle, die ausgelegte Hardwarekomponenten aus Metall verwendet, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert sind.
  • 2 ist eine Draufsicht einer ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall der elektrochemischen Zelle von 1.
  • 3 ist eine vergrößerte, bruchstückhafte Querschnittsansicht eines Teils der ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall von 2, genommen entlang Sichtlinien 3–3 von 2.
  • 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.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (14)

  1. – Eine ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall (10) zur mechanischen Unterstützung von elektrochemischen Zellenstrukturen und zum Definieren von Fluidhohlräumen und Fluiddurchlässen innerhalb der Zelle, umfassend: ein Substrat (76); eine Oberflächenschicht (78) mit einer Außenfläche (82), die Fluiden, die die Fluidhohlräume und – durchgänge innerhalb der elektrochemischen Zelle durchlaufen und darin eine elektrolytische Behandlung erfahren, ausgesetzt ist; und gekennzeichnet durch eine ausgelegte Grenzschicht (80) benachbart zu, zwischen und in Kontakt mit dem Substrat und der Oberflächenschicht, wobei die ausgelegte Grenzschicht eine Interdiffusion des Substrats und der Oberflächenschicht ist, wobei die ausgelegte Grenzschicht 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 darstellt, und die ausgelegte Grenzschicht eine Dicke von zwischen 10% bis 90% einer kürzesten Distanz zwischen dem Substrat und einer Außenfläche der Oberflächenschicht hat, sodass die ausgelegte Grenzschicht mit dem Substrat in Kontakt ist, jedoch nicht mit der Außenfläche der Oberflächenschicht in Kontakt ist, und das Material, das das Substrat bildet, nicht mit den durch die Fluidhohlräume und – durchgänge innerhalb der elektrochemischen Zelle passierenden Fluiden in Kontakt ist.
  2. – Die ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall (10) von Anspruch 1, worin die ausgelegte Grenzschicht (80) eine Dicke von etwa 90% einer kürzesten Distanz zwischen dem Substrat (76) und der Außenfläche (82) der Oberflächenschicht (78) hat.
  3. – Die ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall (10) von Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Oberflächenschicht (78) ein Metall enthält, das edler als Quecksilber ist.
  4. – Die ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall (10) eines der vorgenannten Ansprüche, wobei die Oberflächenschicht (78) Gold enthält.
  5. – Die ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall (10) eines der vorgenannten Ansprache, wobei das Substrat (76) ein Edelstahl ist.
  6. – Die ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall (10) eines der vorgenannten Ansprache, wobei die kürzeste Distanz zwischen dem Substrat (76) und der Außenfläche (82) der Oberflächenschicht (78) zwischen 1,27 um bis 3,048 um (50 bis 120 Mikrozoll) beträgt.
  7. – Die ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall (10) von Anspruch 1, wobei die Oberflächenschicht (78) eine Härte von zwischen 150 bis 200 auf der Knoop – Skala hat.
  8. – Die ausgelegte Hardwarekomponente aus Metall (10) von Anspruch 5, worin die kürzeste Distanz zwischen dem Substrat (76) und der Außenfläche (82) der Oberflächenschicht (78) etwa 1,905 um (75 Mikrozoll) beträgt.
  9. – Ein Verfahren zur Fertigung einer ausgelegten Hardwarekomponente aus Metall zum mechanischen Unterstutzen elektrochemischer Zellenstrukturen und zum Definieren von Fluidhohlräumen und Fluiddurchlässen innerhalb der Zelle, gekennzeichnet durch die Schritte des: a. Anbringens eines Metallsäureniederschlags auf einem Substrat, wobei das Metall edler als Quecksilber ist; b. Anbringens einer Hartmetallbeschichtung auf dem einmal beschichteten Substrat, um eine dem Substrat benachbarte Oberflächenschicht zu formen, wobei das Hartmetall das edlere als Quecksilbermetall ist und weiterhin zwischen 0,1 Gew.% bis 0,3 Gew.% eines Übergangsmetalls enthält; und c. des anschließenden Aufheizens des zweimal beschichteten Substrats auf zwischen 2000 °C bis 500 °C für eine Dauer zwischen 1 und 24 Stunden zum Formen einer ausgelegten Grenzschicht zwischen Substrat und Oberflächenschicht, wobei die ausgelegte Grenzschicht 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 darstellt und die ausgelegte Grenzschicht eine Dicke von zwischen 10% bis 90% einer kürzesten Distanz zwischen dem Substrat und einer Außenfläche der Oberflächenschicht hat, sodass die ausgelegte Grenzschicht mit dem Substrat in Kontakt ist, jedoch nicht mit der Außenfläche der Oberflächenschicht in Kontakt ist.
  10. – Das Verfahren von Anspruch 9, wobei die Schritte des Anbringens des Metallsäureniederschlags und des Anbringens einer Hartmetallbeschichtung auf dem Substrat weiter das Anbringen eines Goldsäureniederschlags auf dem Substrat und das Anbringen einer Hartgoldbeschichtung auf dem einmal beschichteten Substrat umfassen.
  11. – Das Verfahren von Anspruch 9, wobei die Schritte des Anbringens des Metallsäureniederschlags auf dem Substrat weiter das Anbringen des Metalls durch einen Galvanisierniederschlag aus einer säurehaltigen Lösung umfassen und der Schritt des Anbringens einer Hartmetallbeschichtung auf dem Substrat weiter das Anbringen des Hartmetalls durch einen Galvanisierniederschlag aus einer Lösung umfasst, die einen pH-Wert von etwa 4,5 und eine Temperatur von zwicken 37,78 °C bis 65,56 °C (100 °F bis 150 °F) hat, bis eine kürzeste Distanz vom Substrat bis zur Außenfläche der Oberflächenschicht zwischen 1,27 um bis 3,048 um (50 'bis 120 Mikrozoll) beträgt.
  12. – Das Verfahren von Anspruch 11, wobei die Schritte des Anbringens des Metallsäureniederschlags und des Anbringens einer Hartmetallbeschichtung auf dem Substrat weiter das Anbringen eines Goldsäureniederschlags auf dem Substrat und das Anbringen einer Hartgoldbeschichtung auf dem einmal beschichteten Substrat umfassen.
  13. – Das Verfahren von Anspruch 12, wobei die Schritte des Anbringens des Metallsäureniederschlags und des Anbringens einer Hartmetallbeschichtung auf dem Substrat weiter das Anbringen eines Goldsäureniederschlags auf einem Edelstahlsubstrat und das Anbringen einer Hartgoldbeschichtung auf dem einmal beschichteten Edelstahlsubstrat umfassen.
  14. – Das Verfahren von Anspruch 9, wobei der Schritt des Erhitzens weiterhin das Erhitzen des zweimal beschichteten Substrats auf zwischen 250 °C bis 350 °C für zwischen 3 bis 5 Stunden umfasst.
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