EP4330445A1 - Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und verfahren zu deren herstellung

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EP4330445A1
EP4330445A1 EP22727778.7A EP22727778A EP4330445A1 EP 4330445 A1 EP4330445 A1 EP 4330445A1 EP 22727778 A EP22727778 A EP 22727778A EP 4330445 A1 EP4330445 A1 EP 4330445A1
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EP
European Patent Office
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cell
catalyst
catalyst layer
electrolyte membrane
polymer electrolyte
Prior art date
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Pending
Application number
EP22727778.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz Neubert
Andre KLINGER
Yashar Musayev
Günter Schmid
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an electrolytic cell for polymer electrolyte membrane electrolysis, a method for producing such an electrolytic cell, the use of such an electrolytic cell and the use of a catalyst material.
  • Hydrogen can be obtained from deionized water by electrolysis.
  • the electrochemical cell reactions of the hydrogen formation reaction (HER) and oxygen formation reaction (OER) take place.
  • the reactions at the anode and cathode can be defined as follows:
  • PEM electrolysis polymer electrolyte membrane electrolysis
  • the two partial reactions according to equations (I) and (II) are carried out spatially separately from one another.
  • the reaction spaces are separated by means of a proton-conducting membrane, the polymer electrolyte membrane (PEM), also known as the proton exchange membrane.
  • PEM ensures extensive separation of the product gases hydrogen and oxygen, the electrical insulation of the electrodes and the conduction of the hydrogen ions as positively charged particles.
  • a PEM electrolysis plant is known, for example, from EP 3489 394 A1.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a PEM electrolytic cell according to the prior art.
  • the cell reactions mentioned according to equations (I) and (II) are, taking into account the entropy increase ses when changing from liquid water to gaseous hydrogen or oxygen at a cell voltage of 1.48 V with their reverse reactions in equilibrium. In order to achieve correspondingly high product flows in a reasonable time (production output) and thus a current flow, a higher voltage, the overvoltage, is necessary.
  • the PEM electrolysis is therefore carried out at a cell voltage of approx. 1.8 - 2.1 V.
  • the prior art PEM electrolytic cell see e.g. B. Kumar, S, et al., Hydrogen production by PEM water electrolysis - A review, Materials Science for Energy Technologies, 2 (3) 2019, 442-454. https://doi.org/10.1016/j.mset.2019.03.002, viewed from the outside in, consists of two bipolar plates, gas diffusion layers, catalyst layers and the PEM. Due to the formation reaction of oxygen, there are high oxidative potentials at the anode, which is why materials with rapid passivation kinetics, e.g. As titanium, for example, be used for the gas diffusion layer.
  • materials with rapid passivation kinetics e.g. As titanium, for example, be used for the gas diffusion layer.
  • the cathodic potential is less oxidative, so that gas diffusion layers can be made of stainless steel.
  • these corrode due to the acidic environment of the PEM electrolysis. This corrosion process is called acid corrosion.
  • the presence of elementary oxygen is not necessary here, as this is provided by the dissociation of the surrounding water.
  • the metal ions at the interface of the metal surface are oxidized by the hydroxide anion to form the respective hydroxide salt. This leads to a degradation of the cell, which manifests itself in increased internal resistance and in foreign entry of ions into the PEM.
  • oxygen in the cathode space leads to increased corrosion rates and low hydrogen purity.
  • the transport of oxygen from the anode to the cathode can occur through two effects: concentration-driven diffusion and "electroosmotic drag".
  • concentration-driven diffusion relates to a solution-diffusion model of the PEM, in which the oxygen first dissolves at the interface in the polymer and then through the In the case of "electroosmotic drag", the oxygen molecules are carried along by the ions moving through the PEM and thus reach the cathode side.
  • the last-mentioned effect can usually be neglected due to the non-existent dipole moment of the oxygen.
  • the corrosion described above increases the impedance of the overall system, which means that the efficiency of the electrolysis process can be expected to be lower.
  • the introduction of the dissolved ions from the metal into the PEM can permanently damage its structure, which can have a negative effect on the mechanical stability, among other things.
  • the gas diffusion layer with its large surface is predestined for a corrosive attack.
  • chromium-nickel base steels with a mass proportion of nickel of > 8% and high proportions of chromium due to their rapid passivation kinetics. Chromium forms thick CrCh passivation layers, which are difficult for oxygen to penetrate.
  • EP 3453 785 A1 describes an electrolytic cell in which a cathodic half-cell and an anodic half-cell are connected via a membrane and built into one cell.
  • the cathodic half-cell optionally has a cathodic catalyst layer which is applied to the membrane and a gas diffusion layer which is applied to the optionally provided cathodic catalyst layer.
  • the cathodic catalyst layer is applied to the gas diffusion layer, for example, by a sputtering process or by a suspension coating.
  • the gas diffusion layer it is also possible for the gas diffusion layer to function as a catalytically active layer at the same time, so that a separate cathodic catalyst layer in the cathodic half-cell is not required at all.
  • the anodic half-cell is made up of an anodic catalyst layer and a gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layers consist of a respective porous, electrically conductive material.
  • the electrolysis cell of EP 3 453 785 A1 is particularly intended for use as a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEFC), ie in fuel cells.
  • PEFC polymer electrolyte membrane fuel cell
  • a further object of the invention is to provide a method for producing such an electrolytic cell.
  • a first aspect of the invention relates to an electrolysis cell for polymer electrolyte membrane electrolysis with a cathodic half-cell and an anodic half-cell, the cathodic half-cell and the anodic half-cell being separated from one another by means of a polymer electrolyte membrane.
  • the cathodic half-cell has a first catalyst material designed to catalyze a reduction of molecular oxygen and a second catalyst material designed to catalyze a reduction of hydrogen ions, the first catalyst material converting into a first catalyst Layer and the second catalyst material is introduced into a second catalyst layer different from the first catalyst layer, and wherein the first catalyst layer is arranged directly adjacent to the second catalyst layer.
  • the two-layer structure for the electrolytic cell of the invention with a first catalyst layer with the first catalyst material and a second catalyst layer with a second catalyst material enables a spatial and functional separation of the catalytic processes.
  • This separation into different catalyst layers makes it possible to achieve a particularly high level of hydrogen purity in the cathodic half-cell, and the oxygen that diffuses into the cathodic half-cell as a foreign gas can be reduced very efficiently.
  • the effect of a barrier or barrier to oxygen penetration is achieved.
  • the first catalyst layer By arranging the first catalyst layer in direct contact and in the immediate vicinity of the second catalyst layer, a high reaction efficiency can be achieved as well as a very compact spatial design and enclosure of the reactants, which reduces diffusion losses, for example.
  • the barrier effect of the first catalyst layer against damaging oxygen penetration into the second catalyst layer and any subsequent layers, such as a gas diffusion layer, is significantly increased.
  • the oxygen can already react completely with hydrogen ions in the first catalyst layer and be reduced to water. Adverse corrosion effects are effectively prevented.
  • the electrolyte membrane can be formed, for example, from a tetrafluoroethylene-based polymer with sulfonated side groups.
  • the cathodic half-cell forms the reaction space in which the cathode reaction (s), z. B. run according to equation (II).
  • the anodic half-cell forms the reaction space in which the anode reaction (s), z. B. run according to equation (I).
  • molecular oxygen can be reduced to molecular water, for example, in accordance with equation (X) below.
  • the proportion of oxygen in the cathodic half-cell can be reduced, so that the processes of oxygen corrosion explained in the introduction occur to a lesser extent or can even be avoided entirely.
  • oxygen corrosion can be actively reduced or even avoided.
  • the measures known from the prior art explained at the outset only increase the resistance to this type of corrosion, but do not influence its cause.
  • the life of the electrolytic cell can be extended and the cost of servicing and maintenance and replacement materials can be reduced.
  • the reaction product formed in the cathodic half-cell of electrolysis e.g. B. hydrogen
  • the electrolytic cell has a second catalyst material, which is designed to catalyze a reduction of hydrogen ions.
  • the hydrogen thus reaches the second catalyst layer with the second catalyst material with a significantly higher purity and lower oxygen concentration as foreign gas, since the oxygen has already been reduced in the first catalyst layer.
  • the second catalyst material can thus bring about a catalytic reduction of hydrogen ions to molecular hydrogen in accordance with equation (II) in the cathodic half-cell, so that hydrogen is formed to a sufficient extent as the desired reaction product of the electrolysis.
  • Possible materia materials for the second catalyst material are, for example, noble metal compounds such. As platinum, platinum-ruthenium or transition metal compounds. Other suitable materials are described in Yu, J. et al. A mini-review of noble-metal-free electrocatalysts for overall water splitting in non-alkaline electrolytes, Mat. Rep.: Energy, 1 (2) 2021,
  • the second catalyst material thus contributes in a particularly advantageous manner to an increase in the reaction speed of the cathode reaction(s), so that the efficiency of the electrolysis can be improved.
  • the first catalyst material is introduced into a first catalyst layer and the second catalyst material is introduced into a second catalyst layer.
  • This two-layer structure of the invention in the cathodic half-cell results in a spatial and functional separation of the respective catalysis processes, advantageously preventing damaging oxygen penetration into the second catalyst layer.
  • a layer can be understood to mean a flat structure whose dimensions in the layer plane, length and width, are significantly greater than the dimension in the third dimension, the layer thickness.
  • the introduction of the catalyst materials in layers makes it possible in a simple manner to implement a predefinable distribution of the catalyst materials in the cathodic half-cell. In addition, the handling of the catalyst materials can be facilitated.
  • the first catalyst material and the second catalyst material can also be present together in one layer.
  • This can have the advantage of simpler production, since only one layer has to be produced instead of two layers.
  • the first catalyst layer is arranged adjacent to, preferably directly adjacent to, ie in direct contact with, the second catalyst layer.
  • planar first and second catalyst layers can directly adjoin one another, forming an interface that is arranged parallel to the respective layer planes, e.g. B. be arranged directly on top of each other.
  • the second catalyst layer is arranged adjacent to, preferably directly adjacent to, ie in direct and immediate contact with the polymer electrolyte membrane.
  • the polymer electrolyte membrane which is also flat, and the second catalyst layer can directly adjoin one another, forming an interface parallel to the plane of the layer.
  • B. be arranged directly on top of each other.
  • first catalyst layer is also arranged adjacent to the second catalyst layer, an arrangement results in which the second catalyst layer is adjacent to the first catalyst layer on one side and to the polymer electrolyte membrane on the opposite side.
  • the cathodic half-cell of the electrolytic cell can have a gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer can be arranged adjacent, preferably directly adjacent, to the first catalyst layer.
  • the gas diffusion layer is used to transport the gaseous reaction products of the catalytic reaction(s) away from the catalyst material(s) and for electrical contact. It can therefore also be referred to as a current collector layer or gas diffusion electrode.
  • the gas diffusion layer of the cathodic half-cell has a porous material to ensure gas permeability. It can be made of stainless steel, for example.
  • the corrosion accelerated by oxygen and the associated degradation of the gas diffusion layer can be reduced or even avoided.
  • the service life or life of the gas diffusion layer can be increased.
  • a channel structure can be arranged adjacent, preferably directly adjacent, to the gas diffusion layer.
  • the channel structure is used to collect and discharge the gaseous reaction product of the electrolysis in the cathodic half cell, ie z. B. hydrogen according to equation (II).
  • the channel structure can be designed as a bipolar plate, for example. Bipolar plates allow several electrolytic cells to be stacked to form an electrolytic cell module by electrically conductively connecting the anode of an electrolytic cell to the cathode of a neighboring electrolytic cell. In addition, the bipolar plate enables gas separation between adjacent electrolytic cells.
  • the first catalyst material can be selected from a group formed by platinum/palladium, platinum/ruthenium, platinum/nickel, platinum/lead/platinum, core-shell catalyst materials, non-noble metal catalyst materials, metal oxides and their mixtures.
  • the notation metal A/metal B means that it is a mixed metal catalyst of metals A and B.
  • the first catalyst material can have one or more of the materials mentioned or consist of one or more of the materials mentioned.
  • Core-shell catalysts can be designed, for example, as PtPb/Pt catalysts.
  • Base metal catalysts can be formed, for example, as M-N-C composites, where M stands for transition metal, N for nitrogen and C for carbon.
  • the required amount of the first catalyst Mate rials can be reduced, so that the manufacturing cost of the electrolytic cell can also be reduced.
  • the first catalyst layer can have at least one carrier material selected from a group formed by soot particles, carbon fiber fleece, carbon fiber fabric, stainless steel fleece, stainless steel fabric and stainless steel grids.
  • the first catalyst layer can have one or more of the materials mentioned or consist of one or more of the materials mentioned.
  • the term "grid” refers to a fine-meshed network.
  • the carrier materials mentioned are characterized by high corrosion resistance.
  • the terms “mesh” and “fabric” describe a directional structure, the term “fleece” a non-directional structure.
  • the first catalyst material can be applied to the support material. This advantageously enables a uniform distribution of the first catalyst material.
  • the first catalyst material can be provided with the largest possible surface area, so that the catalytic effect can be improved with the same amount of first catalyst material or less first catalyst material is required for the same catalytic effect.
  • one advantage of a support material is that a higher specific surface area can be generated, as a result of which the activity of the corresponding catalyst material increases accordingly.
  • Another advantage is the contact points with the second catalyst layer that are created by the higher surface area, which increases the contact resistance with the second catalyst layer and improves the transverse conductivity.
  • Another aspect of the invention relates to a method for producing an electrolytic cell for polymer electrolyte membrane electrolysis.
  • the method comprises: providing a polymer electrolyte membrane, forming an anodic half-cell adjoining the polymer electrolyte membrane and forming a cathodic half-cell adjoining the polymer electrolyte membrane, the cathodic half-cell and the anodic half-cell being arranged separately from one another by means of the polymer electrolyte membrane and a first Catalyst material designed to catalyze a reduction of molecular oxygen, is arranged in the cathodic half-cell, the first catalyst material being introduced into a first catalyst layer, application of a second catalyst layer having a second catalyst material, designed to catalyze a reduction of hydrogen ions, to the polymer electrolyte membrane, applying the first catalyst layer to the second catalyst layer, and applying a gas diffusion layer to the first catalyst layer.
  • the first catalyst material is introduced into a first catalyst layer.
  • the first cata- tormaterial can be applied to a carrier material.
  • the carrier material with the applied first catalyst material can form the first catalyst layer.
  • the first catalyst layer is also possible and can be advantageous in terms of production technology for the first catalyst layer to be applied to the gas diffusion layer, for example by applying the first catalyst material to the gas diffusion layer or by applying it to it, this being applied directly to the gas diffusion layer.
  • the first catalyst layer contains, for example, a fine mesh of a highly corrosion-resistant support material, e.g. B. a stainless steel lattice on which the first catalyst material, for example Pt/Pd, is applied.
  • the carrier material can be at least partially formed by the material and the structure of the gas diffusion layer itself. The gas diffusion layer then partially forms the carrier material.
  • the carrier material is selected, for example, from a group consisting of soot particles, carbon fiber fleece, carbon fiber fabrics, stainless steel fleece, stainless steel mesh and stainless steel grids.
  • the first catalyst layer and the gas diffusion layer remain configured functionally and spatially as different layers that are arranged directly adjacent to each other.
  • the first catalyst layer and the second catalyst layer are spatially and functionally different Layers with a respective layer material, so that a two-layer system is formed.
  • This two-layer system is applied to the gas diffusion layer, so that a layer system with at least three spatially and functionally different layers is applied to the polymer electrolyte membrane in the cathodic half-cell, which comprises the second catalyst layer, the first catalyst layer and the gas diffusion layer.
  • the first catalyst material can be applied to the support material, for example by means of chemical vapor deposition (CVD) and/or physical vapor deposition (PVD).
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • Chemical vapor deposition may be preferred for porous structures and substrates, while physical vapor deposition may be preferred for non-porous structures. Both chemical vapor deposition and physical vapor deposition advantageously enable the production of thin layers with a layer thickness in the range from a few nanometers to a few micrometers. As a result, catalyst material can be saved.
  • the formation of the cathodic half-cell has the following steps: applying a second catalyst layer with a second catalyst material designed to catalyze a reduction of hydrogen ions on the polymer electrolyte membrane, applying the first catalyst layer to the second catalyst layer, and applying a gas diffusion layer to the first catalyst layer .
  • forming the cathodic half-cell can also include applying a channel structure to the gas diffusion layer.
  • the term "apply to” does not necessarily refer to a specific spatial arrangement in the sense of "above”. Rather, it should only be expressed that the layers mentioned are arranged adjacent to one another. Also, the order of the procedural steps can be reversed or changed, i. H. alternatively, the cathodic half-cell can be formed starting from the gas diffusion layer or the channel structure. Further alternatively, one of the middle layers, e.g. B. the gas diffusion layer or the first Ka catalyst layer can be selected as a starting point on which the adjacent layers are applied on both sides.
  • the structure of the anodic half-cell can be done in an analogous manner, i. H. on the second catalyst layer opposite side surface of the polymer electrolyte membrane, a catalytic layer for catalyzing the anode reaction, z. B. according to equation (I), then a gas diffusion layer and optionally a channel structure, z. B. in the form of a Bipo larplatte applied.
  • the materials used for this can preferably be adapted to the conditions prevailing in the anodic half-cell, e.g. B. in terms of their corrosion resistance.
  • a further aspect of the invention relates to the use of an electrolytic cell as described above for the electrolytic production of hydrogen.
  • a further aspect of the invention relates to the use of a catalyst material for catalyzing a reduction of molecular oxygen in a cathodic half-cell of an electrolytic cell.
  • the catalyst material can be, for example, the first catalyst material described above, so that reference is made to the relevant explanations and advantages.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrolysis cell for polymer electrolyte membrane electrolysis according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary electrolytic cell
  • FIG. 3 shows a flow chart of an exemplary method.
  • Fig. 1 shows an electrolytic cell 1 for polymer electrolyte membrane electrolysis according to the prior art in a schematic representation.
  • the electrolytic cell 1 is used for the electrolytic generation of hydrogen.
  • the electrolytic cell 1 has a polymer electrolyte membrane 4 .
  • the cathodic one Arranged half-cell 2 of the electrolytic cell 1 on the other side of the polymer electrolyte membrane 4, in the illustration according to FIG. 1 on the right, the anodic half-cell 3 of the electrolytic cell 1 is arranged.
  • the anodic half cell 3 comprises an anodic catalyst layer 12 arranged directly adjacent to the polymer electrolyte membrane 4, a gas diffusion layer 9b arranged directly adjacent to the anodic catalyst layer 12 and a channel structure 11b arranged directly adjacent to the gas diffusion layer 9b.
  • the anodic catalyst layer 12 catalyzes the anode reaction according to equation (I).
  • the gas diffusion layer 9b is made of a material on the surface of which a passivation layer is quickly formed, e.g. B. made of titanium.
  • the channel structure 11b is designed as a bipolar plate, so that a stacking of several electrolytic cells 1 is made possible.
  • the cathodic half cell 2 comprises a catalyst layer 8 with a catalyst material 6 which is arranged directly adjacent to the polymer electrolyte membrane 4 .
  • the catalyst material 6 is designed to catalyze a reduction of hydrogen ions, in particular according to equation (II) to form molecular hydrogen.
  • a gas diffusion layer 9a is also provided on the catalyst layer 8.
  • the gas diffusion layer 9a of the cathodic half-cell 2 is made of stainless steel. This is possible due to the lower oxidation potential in the cathodic half-cell 2 compared to the anodic half-cell 3 and reduces the costs of the electrolytic cell 2.
  • a channel structure 11a is also arranged directly adjacent to the gas diffusion layer 9a, which, analogously to the anodic half-cell 3, is designed as a bipolar plate.
  • a disadvantage of this known from the prior art electrolytic cell 1 is, as explained above, the corrosion susceptibility of the materials in the cathodic half-cell 2 to acid corrosion promoted by elemental oxygen. In addition, the hydrogen generated in the cathodic half-cell 2 is contaminated by oxygen.
  • a first catalyst material 5 into the cathodic half-cell, which is designed to catalyze a reduction of molecular oxygen, in particular according to equation (X), ie with the formation of water.
  • a modified electrolytic cell 1 is shown schematically as an example in FIG.
  • the anodic half-cell 3 of the exemplary embodiment of an electrolytic cell 1 shown in FIG. 2 is constructed analogously to the electrolytic cell according to FIG. 1, so that reference can be made to the relevant explanations.
  • the cathodic half-cell 2 has a gas diffusion layer 9a and a channel structure 11a.
  • a second catalyst layer 8 with a second catalyst material 6 is arranged directly adjacent to the polymer electrolyte membrane 4, the second catalyst material 6 being designed to catalyze the reduction of hydrogen ions, in particular according to equation (II) to form molecular hydrogen.
  • a first catalyst layer 7 is additionally arranged directly adjacent to the first catalyst layer 8 .
  • the first catalyst layer 7 consists of a fine mesh of a highly corrosion-resistant carrier material 10, e.g. B. a stainless steel grid on which the first catalyst material 5, z. B. Pt / Pd, is applied.
  • the first catalyst material 5 is designed to catalyze the reduction of molecular oxygen according to equation (X), ie water is formed from molecular oxygen.
  • equation (X) molecular oxygen
  • the oxygen concentration in the cathodic half-cell 2 decreases and the corrosion favored by oxygen, in particular of the gas diffusion layer 9a, can be reduced.
  • the result is a longer service life, especially for the gas diffusion layer.
  • the reduced corrosion may allow the use of less expensive materials in the cathodic half-cell 2.
  • the electrolytically generated hydrogen is less contaminated with oxygen, i. H. the purity of the product hydrogen is increased. A low proportion of oxygen in the hydrogen produced reduces the effort required for subsequent purification for various applications. The hydrogen produced is thus upgraded.
  • the hydrogen therefore reaches the gas diffusion layer 9a, which is arranged directly adjacent to the first catalyst layer 7, with a significantly lower oxygen content, and then leaves the electrolytic cell 2 with high purity via the channel structure 11a arranged directly adjacent to the gas diffusion layer 9a
  • Catalyst material 5 according to equation (X) formed water is led to together with the gas stream.
  • Figure 3 shows a flowchart of an exemplary method 100 for producing an electrolytic cell 1, for example the electrolytic cell 1 shown in Figure 2.
  • a polymer electrolyte membrane 4 is provided in step S1.
  • an anodic half-cell 3 adjoining the polymer electrolyte membrane 4 is formed.
  • the anodic catalyst layer 12, the gas diffusion layer 9b and the channel structure 11b can be arranged one on top of the other, e.g. B. are deposited on each other.
  • the cathodic half-cell 2 is formed, also adjacent to the polymer electrolyte membrane 4, but opposite to the anodic half-cell 3.
  • the first catalyst material 5, which is designed to catalyze a reduction of molecular oxygen is arranged in the cathodic half-cell 2. Steps S2 and S3 can also be carried out at the same time or in reverse order.
  • the step S3 comprises the sub-steps S4 to S7, i. H. the cathodic half-cell 2 is formed in the exemplary embodiment with means of steps S4 to S7.
  • a second catalyst layer 8 with a second catalyst material 6, which is designed to catalyze a reduction of hydrogen ions to molecular hydrogen, is first applied to the side of the polymer electrolyte membrane 4 opposite the anodic half-cell 2.
  • a first catalyst layer 7 is then applied to the second catalyst layer 8 in step S5.
  • the second catalyst layer 8 contains the first catalyst material 5.
  • a support material 10 is first provided, on the surface of which the first catalyst material 5 is applied by means of chemical vapor deposition and/or physical vapor deposition.
  • step S6 a gas diffusion layer 9a is applied to the first catalyst layer 7 before a channel structure 11a in the form of a bipolar plate is applied to the gas diffusion layer 9a in step S7.
  • the cathodic half-cell 2 can also be formed starting from the channel structure 11a. i.e. As a starting point, the channel structure 11a can be selected, on which the gas diffusion layer 9a, then the first catalyst layer 7, then the two te catalyst layer 8 and finally the polymer electrolytic membrane 4 is applied. A corresponding procedure is possible for the anodic half-cell 3. Consequently, the layers and structures of the electrolytic cell 1 can alternatively also be built up starting from the channel structure 11a of the cathodic half-cell 2 or starting from the channel structure 11b of the anodic half-cell 3 .
  • the first cata- tor GmbH 7 contains, for example, a fine mesh of a highly corrosion-resistant carrier material 10, z. B. a stainless steel grid on which the first catalyst material 5, for example Pt / Pd, is applied.
  • the carrier material 10 can be formed at least partially by the material and the structure of the gas diffusion layer 9a itself.
  • the gas diffusion layer 9a then forms the carrier material 10, which is selected, for example, from a group formed by soot particles, carbon fiber fleece, carbon fiber fabric, stainless steel fleece, stainless steel fabric and stainless steel grids.
  • the term "and/or" when used in a series of two or more elements means that each of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used.

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Abstract

Es wird eine Elektrolysezelle (1) zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse mit einer kathodischen Halbzelle (2) und einer anodischen Halbzelle (3) angegeben, wobei die kathodische Halbzelle (2) und die anodische Halbzelle (3) mittels einer Polymerelektrolytmembran (4) voneinander getrennt sind. Die kathodische Halbzelle (2) weist ein erstes Katalysatormaterial (5), ausgebildet zur Katalyse einer Reduktion von molekularem Sauerstoff sowie ein zweites Katalysatormaterial (6), ausgebildet zur Katalyse einer Reduktion von Wasserstoffionen auf. Dabei ist das erste Katalysatormaterial (5) in eine erste Katalysatorschicht (7) und das zweite Katalysatormaterial (6) in eine von der ersten Katalysatorschicht (7) verschiedene zweite Katalysatorschicht (8) eingebracht, wobei die erste Katalysatorschicht (7) direkt benachbart zur zweiten Katalysatorschicht (8) angeordnet ist. Daneben wird ein Verfahren (100) zur Herstellung einer Elektrolysezelle (1) zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse angegeben.

Description

Beschreibung
Elektrolysezelle zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Polymer- elektrolytmembran-Elektrolyse, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrolysezelle, die Verwendung einer solchen Elektrolysezelle sowie die Verwendung eines Katalysatormate rials.
Wasserstoff kann mittels Elektrolyse aus deionisiertem Wasser gewonnen werden. Dabei laufen die elektrochemischen Zellreak tionen der Wasserstoffbildungsreaktion (HER) und Sauerstoff bildungsreaktion (OER) ab. Im Fall der sauren Elektrolyse können die genannten Reaktionen an Anode und Kathode wie folgt definiert werden:
Anode 2 H20 -> 4 H+ + 02 + 4 e (I)
Kathode H+ + 2 e
Bei der sogenannten Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse) werden die zwei Teilreaktionen gemäß den Gleichungen (I) und (II) räumlich getrennt voneinander durch geführt. Die Trennung der Reaktionsräume erfolgt mittels ei ner protonenleitfähigen Membran, der Polymer-Elektrolyt- Membran (PEM), auch unter dem Begriff Protonenaustauschmemb ran bekannt. Die PEM sorgt für eine weitgehende Trennung der Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff, die elektrische Iso lierung der Elektroden sowie die Leitung der Wasserstoffionen als positiv geladene Teilchen. Eine PEM-Elektrolyseanlage ist beispielsweise aus der EP 3489 394 Al bekannt. Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer PEM-Elektrolysezelle gemäß dem Stand der Technik.
Die genannten Zellreaktionen gemäß den Gleichungen (I) und (II) befinden sich unter Berücksichtigung des Entropiezuwach- ses bei Wechsel des flüssigen Wassers zum gasförmigen Wasser stoff bzw. Sauerstoff bei einer Zellspannung von 1,48 V mit ihren Rückreaktionen im Gleichgewicht. Um entsprechend hohe Produktströme in angemessener Zeit (Produktionsleistung) und damit einen Stromfluss zu erreichen, ist eine höhere Span nung, die Überspannung, notwendig. Die PEM-Elektrolyse wird deshalb bei einer Zellspannung von ca. 1,8 - 2,1 V durchge führt.
Die PEM-Elektrolysezelle gemäß dem Stand der Technik, siehe z. B. Kumar, S, et al., Hydrogen production by PEM water electrolysis - A review, Materials Science for Energy Techno logies, 2 (3) 2019, 442-454. https://doi.Org/10.1016/j.mset.2019.03.002, besteht von außen nach innen betrachtet aus zwei Bipolarplatten, Gasdiffusions schichten, Katalysatorschichten und der PEM. An der Anode er geben sich auf Grund der Bildungsreaktion des Sauerstoffs ho he oxidative Potentiale, weshalb Werkstoffe mit schneller Passivierungskinetik, z. B. Titan, beispielsweise für die Gasdiffusionsschicht eingesetzt werden.
Kathodisch ist das Potential weniger oxidativ, so dass Gas diffusionsschichten aus Edelstahl gefertigt werden können. Allerdings korrodieren diese unter anderem durch das saure Milieu der PEM-Elektrolyse. Dieser Korrosionsprozess wird Säurekorrosion genannt. Hierbei ist ein Vorliegen von elemen tarem Sauerstoff nicht notwendig, da dieser durch die Disso ziation des umliegenden Wassers bereitgestellt wird. Die Me tallionen an der Grenzfläche der Metalloberfläche werden durch das Hydroxidanion zum jeweiligen Hydroxidsalz oxidiert. Dies führt zu einer Degradation der Zelle, welche sich durch einen erhöhten Innenwiderstand und durch Fremdeintrag von Io nen in die PEM äußert.
Beispielhaft sind die an der Bildung von Fe(II)-hydroxid durch Säurekorrosion beteiligten Reaktionen nachfolgend in den Gleichungen (3) bis (6) dargestellt. Fe -> Fe2+ + 2 e- (III) H20 -> H+ + OH- (IV) 2 H+ + 2 e- > H2 (V) Fe2+ + 2 OH- -) Fe (OH)2 (VI)
Falls zusätzlich Sauerstoff im Elektrolyten vorhanden ist, kommt es zur sogenannten Sauerstoffkorrosion (Gleichungen (VII) bis (IX)). Hierbei werden Hydroxidionen direkt über den Sauerstoff zur Verfügung gestellt:
Dadurch, dass auf Grund des stark sauren Milieus nur ein ge ringer Anteil an dissoziiertem Wasser vorliegt, ist anzuneh men, dass der Eintrag von Sauerstoff in den Elektrolyten zu einer höheren Hydroxidionenkonzentration und damit zu einer deutlich höheren Korrosionsrate der Sauerstoffkorrosion im Vergleich zur Säurekorrosion führt. Die Problematik der Druckabhängigkeit des vorstehend beschriebenen sog. Sauer stoff-Crossover wird näher erläutert in: Schalenbach, M. et al. Pressurized PEM water electrolysis: Efficiency and gas crossover, Intern. J. Hydr. Ener., 38 (35) 2013, 14921 -
14933. https://doi.Org/10.1016/j.ijhydene.2013.09.013
Anzumerken ist zudem, dass bei hoher Hydroxidionenkonzentra tion, d. h. bei einem hohen pH-Wert (alkalisches Milieu), die gesamte Oberfläche von einer Oxidschicht bedeckt ist. Dieser Mechanismus ist als Passivierung bekannt und führt dazu, dass keine Metallionen an der Grenzfläche vorliegen und das Metall sich somit nicht mehr auflösen kann.
Es bleibt festzuhalten, dass Sauerstoff im Kathodenraum somit zu erhöhten Korrosionsraten und einer geringen Wasserstoff reinheit führt. Der Transport des Sauerstoffs von der Anode zur Kathode kann durch zwei Effekte erfolgen: die konzentra tionsgetriebene Diffusion und den „elektroosmotischen drag". Der erste Effekt bezieht sich auf ein Lösungs-Diffusions- Modell der PEM, bei dem der Sauerstoff sich zunächst an der Grenzfläche im Polymer löst und anschließend durch den Kon zentrationsgradienten getrieben auf die Kathodenseite wan dert. Im Fall des „elektroosmotischen drags" werden die Sau erstoffmoleküle durch die sich durch die PEM bewegenden Ionen mitgerissen und gelangen somit auf die Kathodenseite. Letzt genannter Effekt ist auf Grund des nicht vorhandenen Dipolmo ments des Sauerstoffs meist zu vernachlässigen.
Durch die vorstehend beschriebene Korrosion erhöht sich die Impedanz des Gesamtsystems, wodurch mit geringerer Effizienz des Elektrolyseprozesses zu rechnen ist. Außerdem kann durch den Eintrag der gelösten Ionen aus dem Metall in die PEM de ren Struktur nachhaltig geschädigt werden, was sich unter an derem negativ auf die mechanische Stabilität auswirken kann. Insbesondere ist die Gasdiffusionsschicht mit ihrer großen Oberfläche prädestiniert für einen korrosiven Angriff.
Durch die Verunreinigung des Wasserstoffs mit Sauerstoff ist zudem je nach angedachter Verwendung des erzeugten Wasser stoffs eine aufwändige Aufreinigung des Wasserstoffs erfor derlich.
Aus dem Stand der Technik sind einige Ansätze zur Lösung vor stehend erläuterter Probleme bekannt. So kann durch die Be triebsweise des Elektrolyseurs bei kleinem Druck im Anoden- und Kathodenraum die Löslichkeit des Sauerstoffs in der PEM verringert werden, wodurch ebenfalls die Permeabilität des Sauerstoffs durch die PEM sinkt. Damit sinkt ebenfalls die Sauerstoffkonzentration im Kathodenraum. Auf Grund der ener getischen Vorteile einer Elektrolyseeinheit mit elektrochemi scher Verdichtung ist diese Betriebsweise in der Regel keine Lösung für das eigentliche Problem. Durch kathodenseitige Beschichtung der Gasdiffusionsschichten kann eine gewisse Korrosionsstabilität und damit eine Stabi lität gegenüber dem Angriff durch Sauerstoff erzielt werden. Die Herstellung solcher beschichteter Gasdiffusionsschichten erweist sich auf Grund der großporigen Gasdiffusionsschicht als aufwändig.
Materialseitig sind Chrom-Nickel-Basisstähle mit einem Masse anteil an Nickel von > 8 % sowie hohen Chromanteilen auf Grund deren schneller Passivierungskinetik zu bevorzugen. Chrom bildet dicke CrCh-Passivierungsschichten aus, welche vom Sauerstoff nur schwer zu durchdringen sind.
Die vorstehend genannten Ansätze lösen jedoch das eigentliche Problem der Sauerstoffkorrosion nicht, sondern erhöhen ledig lich die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen diesen Kor rosionstyp .
Die Erhöhung der Reinheit des Wasserstoffs kann gemäß dem Stand der Technik, siehe z. B. Du, Z.; Liu, C.; Zhai, J.;
Guo, X.; Xiong, Y.; Su, W.; He, G. A Review of Hydrogen Puri- fication Technologies for Fuel Cell Vehicles. Catalysts 2021, 11, 393. https://doi.org/10.3390/catalll030393, großtechnisch durch Ausfrieren oder mittels hochselektiver Membranverfahren erfolgen. Nachteilig an beiden Maßnahmen ist der hohe Ener giebedarf.
In der EP 3453 785 Al ist eine Elektrolysezelle beschrieben, bei der eine kathodische Halbzelle und eine anodische Halb zelle über eine Membran verbunden und zu einer Zelle verbaut sind. Die kathodische Halbzelle weist dabei wahlweise eine kathodische Katalysatorschicht auf, die auf die Membran auf gebracht ist, sowie eine Gasdiffusionsschicht, die auf die wahlweise vorgesehene kathodische Katalysatorschicht aufge bracht ist. Dabei ist die kathodische Katalysatorschicht bei spielsweise durch einen Sputter-Prozess oder durch eine Sus pensionsbeschichtung auf die Gasdiffusionsschicht aufgetra- gen. Es ist aber auch möglich, dass die Gasdiffusionsschicht bereits zugleich als katalytisch aktive Schicht fungiert, so dass eine separate kathodische Katalysatorschicht in der ka- thodischen Halbzelle gar nicht erforderlich ist. Die anodi sche Halbzelle ist entsprechend aus einer anodischen Kataly satorschicht und einer Gasdiffusionsschicht aufgebaut. Die Gasdiffusionsschichten bestehen aus einem jeweiligen porösen, elektrisch leitfähigen Material. Die Elektrolysezelle der EP 3 453 785 Al ist besonders für Anwendungen als Polymer- Elektrolyt-Membran-Fuel-Cell (PEFC), also in Brennstoffzellen vorgesehen. Ein Einsatz als Elektrolysezelle zur Erzeugung von Wasserstoff ist zwar möglich, die Problematik der Rein heit des in der Elektrolysezelle erzeugten Wasserstoffs und die Erhöhung der Wasserstoffreinheit wird hingegen nicht nä her behandelt.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Elektrolysezelle zur Verfügung zu stellen, mit der die vor stehend genannten Probleme verringert oder sogar gänzlich vermieden werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektro lysezelle anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhän gigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzug te Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrolysezel le zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse mit einer katho- dischen Halbzelle und einer anodischen Halbzelle, wobei die kathodische Halbzelle und die anodische Halbzelle mittels ei ner Polymerelektrolytmembran voneinander getrennt sind. Die kathodische Halbzelle weist ein erstes Katalysatormaterial, ausgebildet zur Katalyse einer Reduktion von molekularem Sau erstoff sowie ein zweites Katalysatormaterial, ausgebildet zur Katalyse einer Reduktion von Wasserstoffionen auf, wobei das erste Katalysatormaterial in eine erste Katalysator- Schicht und das zweite Katalysatormaterial in eine von der ersten Katalysatorschicht verschiedene zweite Katalysator schicht eingebracht ist, und wobei die erste Katalysator schicht direkt benachbart zur zweiten Katalysatorschicht an geordnet ist.
Durch den Zweischichtaufbau für die Elektrolysezelle der Er findung mit einer ersten Katalysatorschicht mit dem ersten Katalysatormaterial und mit einer zweiten Katalysatorschicht mit einem zweiten Katalysatormaterial ist eine räumliche und funktionale Trennung der Katalyseprozesse ermöglicht. Durch diese Separierung in verschiedene Katalysatorschichten ist eine besonders hohe Wasserstoffreinheit in der kathodischen Halbzelle erzielbar und der in die kathodische Halbzelle dif fundierende Sauerstoff als Fremdgas kann sehr effizient redu ziert werden. Die Katalyse der Reduktion von molekularem Sau erstoff ist dadurch deutlich begünstigt. Hierdurch werden die durch Sauerstoffmigration verursachten Degradationseffekte infolge Korrosion in der kathodischen Halbzelle unterbunden. Es ist die Wirkung einer Sperrschicht oder Barriere für die Sauerstoffpenetration erzielt. Durch die Anordnung der ersten Katalysatorschicht in direktem Kontakt und in unmittelbarer Nachbarschaft zu der zweiten Katalysatorschicht ist eine hohe Reaktionseffizienz erzielbar sowie eine sehr kompakte räumli che Bauweise und Einschluss der Reaktionspartner, die etwa Diffusionsverluste vermindert. Dadurch wird der Sperrwirkung der ersten Katalysatorschicht gegenüber schädigender Sauer stoffpenetration in die zweite Katalysatorschicht und ggf. nachfolgende Schichten, wie etwa einer Gasdiffusionsschicht, deutlich erhöht. Bereits in der ersten Katalysatorschicht kann der Sauerstoff mit Wasserstoffionen vollständig reagie ren und zu Wasser reduziert werden. Nachteilige Korrosionsef fekte sind wirksam verhindert.
Zu den Begriffen Elektrolyse und Polymerelektrolytmembran so wie den ablaufenden Reaktionen und (Korrosions)prozessen wird auf die einleitenden Erläuterungen verwiesen. Die Polymer- elektrolytmembran kann beispielsweise aus einem tetrafluo- rethylen-basierten Polymer mit sulfonierten Seitengruppen ge bildet sein. Die kathodische Halbzelle bildet den Reaktions raum, in dem die Kathodenreaktion (en), z. B. gemäß Gleichung (II) ablaufen. Die anodische Halbzelle bildet den Reaktions raum, in dem die Anodenreaktion (en), z. B. gemäß Gleichung (I) ablaufen.
Mittels des Katalysatormaterials kann molekularer Sauerstoff beispielsweise zu molekularem Wasser gemäß nachfolgender Gleichung (X) reduziert werden.
02 + 2 H+ + 2 e > H20 (X)
Dadurch kann der Sauerstoffanteil in der kathodischen Halb zelle verringert werden, so dass die einleitend erläuterten Prozesse der Sauerstoffkorrosion in geringerem Ausmaß ablau fen oder sogar gänzlich vermieden werden können. Mit anderen Worten kann die Sauerstoffkorrosion durch Bekämpfung der Ur sache, nämlich des Vorhandenseins von Sauerstoff in der ka thodischen Halbzelle, aktiv verringert oder sogar vermieden werden. Im Gegensatz dazu erhöhen die eingangs erläuterten, aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen lediglich die Resistenz gegen diesen Korrosionstyp, beeinflussen jedoch nicht dessen Ursache.
Durch Verringerung oder Vermeidung der Sauerstoffkorrosion können die Nutzungsdauer der Elektrolysezelle verlängert und Kosten für Wartung und Instandhaltung sowie Austauschmateria lien verringert werden.
Zudem wird das in der kathodischen Halbzelle gebildete Reak tionsprodukt der Elektrolyse, z. B. Wasserstoff, in geringe rem Ausmaß mit Sauerstoff verunreinigt. Eine zeit- und ener gieintensive Aufreinigung des gewünschten Reaktionsprodukts der Elektrolyse kann folglich weitgehend vermieden werden. Dabei weist die Elektrolysezelle ein zweites Katalysatormate rial auf, das zur Katalyse einer Reduktion von Wasserstoffio- nen ausgebildet ist. Der Wasserstoff gelangt somit bereits mit einer deutlich höheren Reinheit und geringeren Sauer stoffkonzentration als Fremdgas in die zweite Katalysator schicht mit dem zweiten Katalysatormaterial, da der Sauer stoff bereits in der ersten Katalysatorschicht reduziert wur de.
Somit kann das zweite Katalysatormaterial eine katalytische Reduktion von Wasserstoffionen zu molekularem Wasserstoff ge mäß Gleichung (II) in der kathodischen Halbzelle bewirken, so dass Wasserstoff als gewünschtes Reaktionsprodukt der Elekt rolyse in ausreichendem Maß gebildet wird. Mögliche Materia lien für das zweite Katalysatormaterial sind beispielsweise Edelmetallverbindungen, wie z. B. Platin, Platin-Ruthenium oder Übergangsmetallverbindungen. Weitere geeignete Materia lien werden beschrieben in Yu, J. et al. A mini-review of no- ble-metal-free electrocatalysts for overall water Splitting in non-alkaline electrolytes, Mat. Rep.: Energy, 1 (2) 2021,
100024. https://doi.Org/10.1016/j.matre.2021.100024
Das zweite Katalysatormaterial trägt somit in besonders vor teilhafter Weise zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindig keit der Kathodenreaktion (en) bei, so dass die Wirtschaft lichkeit der Elektrolyse verbessert werden kann.
Dabei ist das erste Katalysatormaterial in eine erste Kataly satorschicht und das zweite Katalysatormaterial in eine zwei te Katalysatorschicht eingebracht. Durch diesen Zweischicht aufbau der Erfindung in der kathodischen Halbzelle ist eine räumliche und funktionale Trennung der jeweiligen Kataly seprozesse bewirkt, wobei vorteilhaft eine schädigende Sauer stoffpenetration in die zweite Katalysatorschicht unterbunden ist. Unter einer Schicht kann im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein flächiges Gebilde verstanden werden, dessen Ab messungen in der Schichtebene, Länge und Breite, deutlich größer als die Abmessung in der dritten Dimension, die Schichtdicke, sind.
Das Einbringen der Katalysatormaterialien in Schichten ermög licht auf einfache Art und Weise die Realisierung einer vor- gebbaren Verteilung der Katalysatormaterialien in der katho- dischen Halbzelle. Zudem kann die Handhabung der Katalysator materialien erleichtert sein.
Optional können das erste Katalysatormaterial und das zweite Katalysatormaterial auch gemeinsam in einer Schicht vorlie gen. Dies kann den Vorteil einer einfacheren Herstellung mit sich bringen, da anstelle von zwei Schichten nur noch eine Schicht hergestellt werden muss. Es hat sich aber gezeigt, dass der beschriebene Zweischichtaufbau mit der räumlichen Trennung zu einer sehr wirkungsvollen Barriere gegenüber ei ner schädigenden Sauerstoffpenetration führt. Der Sauerstoff wird bereits in der ersten Katalysatorschicht mit dem ersten Katalysatormaterial nahezu vollständig reduziert, weshalb die räumliche und funktionale Trennung der Reaktionen mittels des Zweischichtaufbaus gegenüber einer gemeinsamen Schicht zu be vorzugen ist.
Dabei ist die erste Katalysatorschicht benachbart, bevorzugt direkt benachbart, also in direktem Kontakt, zu der zweiten Katalysatorschicht angeordnet. Hierdurch ist ein besonders einfacher katalytischer Zweischichtaufbau realisiert, um die Katalyse der jeweiligen Reaktion zu ermöglichen bei einer gleichzeitig erzielten räumlichen Trennung.
Mit anderen Worten, können die flächig ausgebildete erste und zweite Katalysatorschicht unter Ausbildung einer parallel zu den jeweiligen Schichtebenen angeordneten Grenzfläche direkt aneinandergrenzen, z. B. direkt aufeinander angeordnet sein. Dabei ist die zweite Katalysatorschicht benachbart, bevorzugt direkt benachbart, also in direktem und unmittelbarem Kon takt, zur Polymerelektrolytmembran angeordnet sein.
Mit anderen Worten können die ebenfalls flächig ausgebildete Polymerelektrolytmembran und die zweite Katalysatorschicht unter Ausbildung einer parallel zu der Schichtebene angeord neten Grenzfläche direkt aneinandergrenzen, z. B. direkt auf einander angeordnet sein.
Ist die erste Katalysatorschicht ebenfalls benachbart zur zweiten Katalysatorschicht angeordnet, ergibt sich eine An ordnung, bei der die zweite Katalysatorschicht auf der einen Seite an die erste Katalysatorschicht und auf der gegenüber liegenden Seite an die Polymerelektrolytmembran angrenzt.
Bei einer solchen Anordnung wurde gefunden, dass überra schenderweise auf eine ionische Kontaktierung der ersten Ka talysatorschicht verzichtet werden, ohne dass die Katalysere aktion in der ersten Katalysatorschicht, z. B. gemäß Glei chung (X), in größerem Ausmaß negativ beeinflusst wird, also das erste Katalysatormaterial die vorstehend erläuterte Funk tion erfüllen kann. Ein unverbindlicher und nicht beschrän kender Erklärungsversuch der Erfinder der vorliegenden Erfin dung hierfür wird im Vorliegen von saurem Prozesswasser gese hen. Mit anderen Worten ist ein direkter Kontakt zwischen erster Katalysatorschicht und Polyelektrolytmembran nicht er forderlich .
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die kathodische Halbzelle der Elektrolysezelle eine Gasdiffusionsschicht auf weisen. Die Gasdiffusionsschicht kann benachbart, bevorzugt direkt benachbart, zur ersten Katalysatorschicht angeordnet sein. Die Gasdiffusionsschicht dient dem Abtransport der gasförmi gen Reaktionsprodukte der katalytischen Reaktion (en) von dem bzw. den Katalysatormaterial(ien) sowie der elektrischen Kon taktierung. Sie kann daher auch als Stromkollektorschicht oder Gasdiffusionselektrode bezeichnet werden.
Die Gasdiffusionsschicht der kathodischen Halbzelle weist zur Gewährleistung der Gasdurchlässigkeit ein poröses Material auf. Sie kann beispielsweise aus Edelstahl gefertigt sein.
Indem mittels des ersten Katalysatormaterials die Sauerstoff konzentration in der kathodischen Halbzelle verringert wird, kann die durch Sauerstoff beschleunigte Korrosion und die da mit verbundene Degradation der Gasdiffusionsschicht verrin gert oder sogar vermieden werden. Die Nutzungsdauer bzw. Le bensdauer der Gasdiffusionsschicht kann erhöht werden.
Optional kann benachbart, bevorzugt direkt benachbart, zur Gasdiffusionsschicht eine Kanalstruktur angeordnet sein. Die Kanalstruktur dient dem Sammeln und Austragen des gasförmigen Reaktionsprodukts der Elektrolyse in der kathodischen Halb zelle, also z. B. Wasserstoff gemäß Gleichung (II). Die Ka nalstruktur kann beispielsweise als Bipolarplatte ausgebildet sein. Bipolarplatten ermöglichen das Stapeln mehrerer Elekt rolysezellen zu einem Elektrolysezellenmodul, indem sie die Anode einer Elektrolysezelle mit der Kathode einer benachbar ten Elektrolysezelle elektrisch leitend verbindet. Zudem er möglicht die Bipolarplatte eine Gastrennung zwischen aneinan der angrenzenden Elektrolysezellen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das erste Kata lysatormaterial ausgewählt sein aus einer Gruppe, die gebil det wird von Platin/Palladium, Platin/Ruthenium, Pla tin/Nickel, Platin/Blei/Platin, Kern-Schale-Katalysator- materialien, Nichtedelmetallkatalysatormaterialien, Me talloxiden und deren Mischungen. Die Schreibweise Metall A/Metall B bedeutet dabei, dass es sich um einen Mischmetallkatalysator der Metalle A und B han delt.
Mit anderen Worten kann das erste Katalysatormaterial eines oder mehrere der genannten Materialien aufweisen oder aus ei nem oder mehreren der genannten Materialien bestehen.
Kern-Schale-Katalysatoren (engl, core-shell catalyst) können beispielsweise als PtPb/Pt-Katalysatoren ausgebildet sein. Nichtedelmetallkatalysatoren können beispielsweise als M-N-C- Verbunde ausgebildet sein, wobei M für Übergangsmetall, N für Stickstoff und C für Kohlenstoff steht.
Durch spezifische Anpassung des ersten Katalysatormaterials an die Sauerstoffreduktion, z. B. in Hinblick auf Zusammen setzung und Morphologie der entsprechenden Katalysator schicht, kann die benötigte Menge des ersten Katalysatormate rials verringert werden, so dass die Herstellungskosten der Elektrolysezelle ebenfalls verringert werden können.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die erste Katalysa torschicht zumindest ein Trägermaterial ausgewählt aus einer Gruppe, die gebildet wird von Rußpartikeln, Kohlefaservlie sen, Kohlefasergeweben, Edelstahlvliesen, Edelstahlgeweben und Edelstahlgittern, aufweisen.
Mit anderen Worten kann die erste Katalysatorschicht eines oder mehrere der genannten Materialien aufweisen oder aus ei nem oder mehreren der genannten Materialien bestehen.
Der Begriff „Gitter" bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang ein feinmaschiges Netz. Die genannten Trägermaterialien zeichnen sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus.
Die Begriffe „Gitter" und „Gewebe" beschreiben eine gerichte te Struktur, der Begriff „Vlies" eine ungerichtete Struktur. Auf das Trägermaterial kann das erste Katalysatormaterial aufgebracht werden. Dies ermöglicht vorteilhaft eine gleich mäßige Verteilung des ersten Katalysatormaterials. Zudem kann das erste Katalysatormaterial mit möglichst großer Oberfläche bereitgestellt werden, so dass bei gleichbleibender Menge an erstem Katalysatormaterial die katalytische Wirkung verbes sert werden kann bzw. für die gleiche katalytische Wirkung weniger erstes Katalysatormaterial benötigt wird.
Mit anderen Worten ist ein Vorteil eines Trägermaterials, dass eine höhere spezifische Oberfläche generiert werden kann, wodurch die Aktivität des entsprechenden Katalysatorma terials entsprechend steigt. Ein weiterer Vorteil sind die durch die höhere Oberfläche entstehenden Kontaktpunkte zur zweiten Katalysatorschicht, wodurch der Kontaktwiderstand zur zweiten Katalysatorschicht erhöht und die Querleitfähigkeit verbessert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle zur Polymerelektrolytmemb ran-Elektrolyse. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen einer Polymerelektrolytmembran, Ausbilden einer an die Polymer elektrolytmembran angrenzenden anodischen Halbzelle und Aus bilden einer an die Polymerelektrolytmembran angrenzenden ka- thodischen Halbzelle, wobei die kathodische Halbzelle und die anodische Halbzelle mittels der Polymerelektrolytmembran von einander getrennt angeordnet werden und ein erstes Katalysa tormaterial ausgebildet zur Katalyse einer Reduktion von mo lekularem Sauerstoff, in der kathodischen Halbzelle angeord net wird, wobei das erste Katalysatormaterial in eine erste Katalysatorschicht eingebracht wird, Aufbringen einer zweiten Katalysatorschicht mit einem zweiten Katalysatormaterial, ausgebildet zur Katalyse einer Reduktion von Wasserstoffio- nen, auf die Polymerelektrolytmembran, Aufbringen der ersten Katalysatorschicht auf die zweite Katalysatorschicht, und Aufbringen einer Gasdiffusionsschicht auf die erste Katalysa torschicht . Mittels des Verfahrens kann eine der vorstehend beschriebenen Elektrolysezelle zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse hergestellt werden. Entsprechend wird auf die vorstehenden Erläuterungen und Vorteile dieser Elektrolysezellen verwie sen.
Dabei wird das erste Katalysatormaterial in eine erste Kata lysatorschicht eingebracht.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das erste Katalysa tormaterial auf ein Trägermaterial aufgebracht werden.
Das Trägermaterial mit dem aufgebrachten ersten Katalysator material kann die erste Katalysatorschicht bilden.
Es ist auch möglich und kann fertigungstechnisch von Vorteil sein, dass die erste Katalysatorschicht auf die Gasdiffusi onsschicht aufgebracht wird, etwa indem das erste Katalysa tormaterial auf die Gasdiffusionsschicht aufgetragen oder auf diese aufgebracht wird, wobei diese direkt auf der Gasdiffu sionsschicht aufgetragen wird. Die erste Katalysatorschicht enthält beispielsweise ein feines Netz eines hoch korrosionsstabilen Trägermaterials, z. B. einem Edelstahlgit ter, auf das das erste Katalysatormaterial, zum Beispiel Pt/Pd, aufgebracht ist. Das Trägermaterial kann dabei zumin dest teilweise von dem Material und der Struktur der Gasdif fusionsschicht selbst gebildet sein. Die Gasdiffusionsschicht bildet dann teilweise das Trägermaterial aus. Das Trägermate rial ist beispielsweise ausgewählt ist aus einer Gruppe, die gebildet wird von Rußpartikeln, Kohlefaservliesen, Kohlefa sergeweben, Edelstahlvliesen, Edelstahlgeweben und Edelstahl gittern. Dabei bleiben die erste Katalysatorschicht und die Gasdiffusionsschicht funktional und räumlich als verschiedene Schichten ausgestaltet, die unmittelbar benachbart angeordnet sind. Ebenso sind die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht räumlich und funktional verschiedene Schichten mit einem jeweiligen Schichtmaterial, so dass ein Zweischichtsystem gebildet ist. Dieses Zweischichtsystem ist auf die Gasdiffusionsschicht aufgebracht, so dass dadurch in der kathodischen Halbzelle auf der Polymerelektrolytmembran ein Schichtsystem mit zumindest drei - räumlich und funktio nal - verschiedenen Schichten aufgebracht ist, welches die zweite Katalysatorschicht, die erste Katalysatorschicht und die Gasdiffusionsschicht umfasst.
Das erste Katalysatormaterial kann beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) und/oder physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) auf das Trägermaterial aufgebracht werden.
Ein Aufbringen mittels chemischer Gasphasenabscheidung kann bei porösen Strukturen und Trägermaterialien bevorzugt sein, während ein Aufbringen mittels physikalischer Gasphasenab scheidung bei nicht-porösen Strukturen bevorzugt sein kann. Sowohl chemische Gasphasenabscheidung als auch physikalische Gasphasenabscheidung ermöglichen vorteilhaft die Herstellung dünner Schichten mit einer Schichtdicke im Bereich von eini gen Nanometern bis einigen Mikrometern. Dadurch kann Kataly satormaterial eingespart werden.
Das Ausbilden der kathodischen Halbzelle weist folgende Schritte auf: Aufbringen einer zweiten Katalysatorschicht mit einem zweiten Katalysatormaterial, ausgebildet zur Katalyse einer Reduktion von Wasserstoffionen, auf die Polymerelektro lytmembran, Aufbringen der ersten Katalysatorschicht auf die zweite Katalysatorschicht, und Aufbringen einer Gasdiffusi onsschicht auf die erste Katalysatorschicht.
Durch diese Schritte wird in dem Verfahren in besonders vor teilhafter Weise eine Zweischichtaufbau realisiert, wobei ei ne räumliche und funktionale Trennung des jeweiligen Kataly seprozesses für die Reaktion der Wasserstoffionen und die Re duktion der Sauerstoffmoleküle zu Wasser erzielt wird. Optional kann das Ausbilden der der kathodischen Halbzelle des Weiteren ein Aufbringen einer Kanalstruktur auf die Gas diffusionsschicht aufweisen.
Der Begriff „aufbringen auf" bezeichnet im vorliegenden Zu sammenhang nicht zwingend eine konkrete räumliche Anordnung im Sinne von „oberhalb". Vielmehr soll lediglich zum Ausdruck gebracht werden, dass die genannten Schichten benachbart zu einander angeordnet werden. Auch die Reihenfolge der Verfah rensschritte kann umgekehrt oder geändert werden, d. h. die Ausbildung der kathodischen Halbzelle kann alternativ ausge hend von der Gasdiffusionsschicht oder der Kanalstruktur er folgen. Weiter alternativ kann auch eine der mittleren Schichten, z. B. die Gasdiffusionsschicht oder die erste Ka talysatorschicht als Ausgangspunkt gewählt werden, auf die beidseits, die jeweils angrenzenden Schichten aufgebracht werden.
Der Aufbau der anodischen Halbzelle kann in analoger Weise erfolgen, d. h. auf die der zweiten Katalysatorschicht gegen überliegenden Seitenfläche der Polymerelektrolytmembran kann eine katalytische Schicht zur Katalyse der Anodenreaktion, z. B. gemäß Gleichung (I), darauf eine Gasdiffusionsschicht und darauf optional eine Kanalstruktur, z. B. in Form einer Bipo larplatte, aufgebracht werden. Die dafür genutzten Materia lien können bevorzugt an die in der anodischen Halbzelle vor herrschenden Bedingungen angepasst werden, z. B. in Hinblick auf ihre Korrosionsbeständigkeit.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung ei ner Elektrolysezelle gemäß vorstehender Beschreibung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff.
Mit anderen Worten können in der kathodischen bzw. anodischen Halbzelle die Reaktionen gemäß den Gleichungen (I) und (II) ausgeführt werden, wenn die Elektrolysezelle von elektrischem Strom durchflossen wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung ei nes Katalysatormaterials zur Katalyse einer Reduktion von mo lekularem Sauerstoff in einer kathodischen Halbzelle einer Elektrolysezelle.
Bei dem Katalysatormaterial kann es sich beispielsweise um das vorstehend beschriebene erste Katalysatormaterial han deln, so dass auf die diesbezüglichen Erläuterungen und Vor teile verwiesen wird.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Ausführungs formen erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkma le sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstel len können. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Elektrolysezel le zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Elektrolysezelle; und
Fig. 3 ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens.
Fig. 1 zeigt eine Elektrolysezelle 1 zur Polymerelektrolyt membran-Elektrolyse gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Darstellung. Die Elektrolysezelle 1 dient der elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff.
Die Elektrolysezelle 1 weist eine Polymerelektrolytmembran 4 auf. Auf der einen Seite der Polymerelektrolytmembran 4, in der Darstellung gemäß Figur 1 links, ist die kathodische Halbzelle 2 der Elektrolysezelle 1 angeordnet, auf der ande ren Seite der Polymerelektrolytmembran 4, in der Darstellung gemäß Figur 1 rechts, ist die anodische Halbzelle 3 der Elektrolysezelle 1 angeordnet.
Die anodische Halbzelle 3 umfasst eine direkt benachbart zur Polymerelektrolytmembran 4 angeordnete anodische Katalysator schicht 12, eine direkt benachbart zur anodischen Katalysa torschicht 12 angeordnete Gasdiffusionsschicht 9b und eine direkt benachbart zur Gasdiffusionsschicht 9b angeordnete Ka nalstruktur 11b. Die anodische Katalysatorschicht 12 kataly siert die Anodenreaktion gemäß Gleichung (I). Zur Verringe rung der Korrosion ist die Gasdiffusionsschicht 9b aus einem Material hergestellt, auf dessen Oberfläche sich schnell eine Passivierungsschicht ausbildet, z. B. aus Titan. Die Kanal struktur 11b ist als Bipolarplatte ausgebildet, so dass eine Stapelung mehrerer Elektrolysezelle 1 ermöglicht wird.
Die kathodische Halbzelle 2 umfasst eine Katalysatorschicht 8 mit einem Katalysatormaterial 6, die direkt benachbart zur Polymerelektrolytmembran 4 angeordnet ist. Das Katalysatorma terial 6 ist zur Katalyse einer Reduktion von Wasserstoffio- nen, insbesondere gemäß Gleichung (II) zu molekularem Wasser stoff, ausgebildet. Auf der Katalysatorschicht 8 ist eben falls eine Gasdiffusionsschicht 9a angeordnet. Im Unterschied zur Gasdiffusionsschicht 9b der anodischen Halbzelle 3 ist die Gasdiffusionsschicht 9a der kathodischen Halbzelle 2 aus Edelstahl gefertigt. Diese ist aufgrund des niedrigeren Oxi dationspotentials in der kathodischen Halbzelle 2 im Ver gleich zur anodischen Halbzelle 3 möglich und verringert die Kosten der Elektrolysezelle 2. Direkt benachbart zur Gasdif fusionsschicht 9a ist ebenfalls eine Kanalstruktur 11a ange ordnet, die, analog zur anodischen Halbzelle 3, als Bipolar platte ausgebildet ist.
Nachteilig an dieser aus dem Stand der Technik bekannten Elektrolysezelle 1 ist wie eingangs erläutert die Korrosions- anfälligkeit der Materialien in der kathodischen Halbzelle 2 im Hinblick auf die durch elementaren Sauerstoff begünstigte Säurekorrosion. Zudem wird der in der kathodischen Halbzelle 2 erzeugte Wasserstoff durch Sauerstoff verunreinigt.
Zur Behebung dieser Nachteile wird vorgeschlagen, in die ka- thodische Halbzelle ein erstes Katalysatormaterial 5 einzu bringen, das zur Katalyse einer Reduktion von molekularem Sauerstoff, insbesondere gemäß Gleichung (X), also unter Aus bildung von Wasser, ausgebildet ist. Eine solch modifizierte Elektrolysezelle 1 ist beispielhaft in Figur 2 schematisch dargestellt.
Die anodische Halbzelle 3 des in Figur 2 gezeigten Ausfüh rungsbeispiels einer Elektrolysezelle 1 ist analog zur Elekt rolysezelle gemäß Figur 1 aufgebaut, so dass auf die diesbe züglichen Ausführungen verwiesen werden kann.
Die kathodische Halbzelle 2 weist, ebenfalls in Analogie zur Elektrolysezelle gemäß Figur 1, eine Gasdiffusionsschicht 9a und eine Kanalstruktur 11a auf. Ebenso ist eine zweite Kata lysatorschicht 8 mit einem zweiten Katalysatormaterial 6 di rekt benachbart zur Polymerelektrolytmembran 4 angeordnet, wobei das zweite Katalysatormaterial 6 zur Katalyse der Re duktion von Wasserstoffionen, insbesondere gemäß Gleichung (II) zu molekularem Wasserstoff, ausgebildet ist.
Im Unterschied zur Elektrolysezelle 2 gemäß Figur 1 ist zu sätzlich eine erste Katalysatorschicht 7 direkt benachbart zur ersten Katalysatorschicht 8 angeordnet. Die erste Kataly satorschicht 7 besteht aus einem feinen Netz eines hoch korrosionsstabilen Trägermaterials 10, z. B. einem Edelstahl gitter, auf das das erste Katalysatormaterial 5, z. B. Pt/Pd, aufgebracht ist.
Das erste Katalysatormaterial 5 ist zur Katalyse der Redukti on von molekularem Sauerstoff gemäß Gleichung (X) ausgebil det, d. h. aus molekularem Sauerstoff wird Wasser gebildet. Dadurch nimmt die Sauerstoffkonzentration in der kathodischen Halbzelle 2 ab und die durch Sauerstoff begünstigte Korrosi on, insbesondere der Gasdiffusionsschicht 9a, kann verringert werden. Die Folge ist eine höhere Lebensdauer, insbesondere der Gasdiffusionsschicht. Zudem kann die verringerte Korrosi on die Verwendung von weniger kostenintensiven Materialien in der kathodischen Halbzelle 2 ermöglichen.
Zudem wird auch der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff weni ger mit Sauerstoff verunreinigt, d. h. die Reinheit des Pro duktwasserstoffs wird erhöht. Durch einen geringen Anteil an Sauerstoff im produzierten Wasserstoff sinkt der für ver schiedene Anwendungen notwendige Aufwand für eine nachstehen de Aufreinigung. Der erzeugte Wasserstoff wird somit aufge wertet.
Der Wasserstoff gelangt also mit einem deutlich geringeren Sauerstoffanteil zur Gasdiffusionsschicht 9a, welche direkt benachbart zur ersten Katalysatorschicht 7 angeordnet ist und verlässt anschließend über die direkt benachbart zur Gasdif fusionsschicht 9a angeordnete Kanalstruktur 11a mit hoher Reinheit die Elektrolysezelle 2. Das bei der katalytischen Reaktion des ersten Katalysatormaterials 5 gemäß Gleichung (X) gebildete Wasser wird zusammen mit dem Gasstrom abge führt.
Figur 3 zeigt ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfah rens 100 zur Herstellung einer Elektrolysezelle 1, beispiels weise der in Figur 2 gezeigten Elektrolysezelle 1.
Nach dem Start des Verfahrens 100 wird im Schritt S1 eine Po lymerelektrolytmembran 4 bereitgestellt. Anschließend wird im Schritt S2 eine an die Polymerelektrolytmembran 4 angrenzende anodische Halbzelle 3 ausgebildet. Hierfür können die anodi sche Katalysatorschicht 12, die Gasdiffusionsschicht 9b und die Kanalstruktur 11b entsprechend aufeinander angeordnet, z. B. aufeinander abgeschieden, werden. Im Schritt S3 wird die kathodische Halbzelle 2, ebenfalls an grenzen an die Polymerelektrolytmembran 4, jedoch gegenüber liegend zur anodischen Halbzelle 3, ausgebildet. Hierbei wird das erste Katalysatormaterial 5, welches zur Katalyse einer Reduktion von molekularem Sauerstoff ausgebildet ist, in der kathodischen Halbzelle 2 angeordnet. Die Schritte S2 und S3 können auch zeitlich parallel oder in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden.
Der Schritt S3 weist die Teilschritte S4 bis S7 auf, d. h. die kathodische Halbzelle 2 wird im Ausführungsbeispiel mit tels der Schritte S4 bis S7 ausgebildet. Im Schritt S4 wird zunächst eine zweite Katalysatorschicht 8 mit einem zweiten Katalysatormaterial 6, welches zur Katalyse einer Reduktion von Wasserstoffionen zu molekularem Wasserstoff ausgebildet ist, auf die der anodischen Halbzelle 2 gegenüberliegende Seite der Polymerelektrolytmembran 4 aufgebracht.
Im Schritt S5 wird anschließend eine erste Katalysatorschicht 7 auf die zweite Katalysatorschicht 8 aufgebracht. Die zweite Katalysatorschicht 8 enthält das erste Katalysatormaterial 5. Zur Ausbildung der zweiten Katalysatorschicht 7 wird zunächst ein Trägermaterial 10 bereitgestellt, auf dessen Oberfläche das erste Katalysatormaterial 5 mittels chemischer Gasphasen abscheidung und/oder physikalischer Gasphasenabscheidung auf gebracht wird.
Im Schritt S6 wird eine Gasdiffusionsschicht 9a auf die erste Katalysatorschicht 7 aufgebracht, bevor im Schritt S7 auf die Gasdiffusionsschicht 9a eine Kanalstruktur 11a in Form einer Bipolarplatte aufgebracht wird.
Es sei angemerkt, dass die Ausbildung der kathodischen Halb zelle 2 auch ausgehend von der Kanalstruktur 11a erfolgen kann. D. h. als Ausgangspunkt kann die Kanalstruktur 11a ge wählt werden, auf die zunächst die Gasdiffusionsschicht 9a, anschließend die erste Katalysatorschicht 7, danach die zwei te Katalysatorschicht 8 und schließlich die Polymerelektro lytmembran 4 aufgebracht wird. Eine entsprechende Vorgehens weise ist für die anodische Halbzelle 3 möglich. Folglich können die Schichten und Strukturen der Elektrolysezelle 1 alternativ auch ausgehend von der Kanalstruktur 11a der ka- thodischen Halbzelle 2 oder ausgehend von der Kanalstruktur 11b der anodischen Halbzelle 3 aufgebaut werden.
Es ist auch möglich und kann fertigungstechnisch von Vorteil sein, dass die erste Katalysatorschicht 7 auf die Gasdiffusi onsschicht 9a aufgebracht wird, etwa indem das erste Kataly satormaterial 5 auf die Gasdiffusionsschicht 9a aufgetragen oder auf diese aufgebracht wird, wobei diese direkt auf der Gasdiffusionsschicht 9a aufgetragen wird. Die erste Katalysa torschicht 7 enthält beispielsweise ein feines Netz eines hoch-korrosionsstabilen Trägermaterials 10, z. B. einem Edel stahlgitter, auf das das erste Katalysatormaterial 5, zum Beispiels Pt/Pd, aufgebracht ist. Das Trägermaterial 10 kann dabei zumindest teilweise von dem Material und der Struktur der Gasdiffusionsschicht 9a selbst gebildet sein. Die Gasdif fusionsschicht 9a bildet dann das Trägermaterial 10 aus, das z.B. ausgewählt ist aus einer Gruppe, die gebildet wird von Rußpartikeln, Kohlefaservliesen, Kohlefasergeweben, Edel stahlvliesen, Edelstahlgeweben und Edelstahlgittern.
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden kön nen, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ab zuweichen. So können Merkmale der hierin beschriebenen Aus führungsbeispiels miteinander kombiniert werden können, so fern nicht spezifisch anders angegeben. Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Er findung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder" bedeutet bei Benut zung in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen, dass jedes der aufgeführten Elemente allein verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufge führten Elemente verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolysezelle (1) zur Polymerelektrolytmembran- Elektrolyse mit einer kathodischen Halbzelle (2) und einer anodischen Halbzelle (3), wobei die kathodische Halbzelle (2) und die anodische Halbzelle (3) mittels einer Polymerelektro lytmembran (4) voneinander getrennt sind, die kathodische Halbzelle (2) aufweisend:
- ein erstes Katalysatormaterial (5), ausgebildet zur Ka talyse einer Reduktion von molekularem Sauerstoff,
- ein zweites Katalysatormaterial (6), ausgebildet zur Ka talyse einer Reduktion von Wasserstoffionen, wobei das erste Katalysatormaterial (5) in eine erste Katalysator schicht (7) und das zweite Katalysatormaterial (6) in eine von der ersten Katalysatorschicht (7) verschiedene zweite Katalysatorschicht (8) eingebracht ist, und wobei die erste Katalysatorschicht (7) direkt benachbart zur zweiten Katalysatorschicht (8) angeordnet ist.
2. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1, wobei die zweite Katalysatorschicht (8) direkt benachbart zur Polymerelektro lytmembran (4) angeordnet ist.
3. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprü che, die kathodische Halbzelle (2) aufweisend:
- eine Gasdiffusionsschicht (9a), welche direkt benachbart zu der ersten Katalysatorschicht (7) angeordnet ist.
4. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprü che, wobei das erste Katalysatormaterial (5) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die gebildet wird von Platin/Palladium, Platin/Ruthenium, Platin/Nickel, Platin/Blei/Platin, Kern- Schale-Katalysatormaterialien, Nichtedelmetallkatalysatorma- terialien, Metalloxiden und deren Mischungen.
5. Elektrolysezelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprü che, wobei die erste Katalysatorschicht (7) zumindest ein Trägermaterial (10) ausgewählt aus einer Gruppe, die gebildet wird von Rußpartikeln, Kohlefaservliesen, Kohlefasergeweben, Edelstahlvliesen, Edelstahlgeweben und Edelstahlgittern, auf weist.
6. Verfahren (100) zur Herstellung einer Elektrolysezelle (1) zur Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse, das Verfahren (100) aufweisend:
- Sl: Bereitstellen einer Polymerelektrolytmembran (4),
- S2: Ausbilden einer an die Polymerelektrolytmembran (4) angrenzenden anodischen Halbzelle (3),
- S3: Ausbilden einer an die Polymerelektrolytmembran (4) angrenzenden kathodischen Halbzelle (2), wobei die katho- dische Halbzelle (2) und die anodische Halbzelle (3) mit tels der Polymerelektrolytmembran (4) voneinander getrennt angeordnet werden und ein erstes Katalysatormaterial (5), ausgebildet zur Katalyse einer Reduktion von molekularem Sauerstoff, in der kathodischen Halbzelle (2) angeordnet wird, wobei das erste Katalysatormaterial (5) in eine ers te Katalysatorschicht (7) eingebracht wird,S4: Aufbringen einer zweiten Katalysatorschicht (8) mit einem zweiten Ka talysatormaterial (6), ausgebildet zur Katalyse einer Re duktion von Wasserstoffionen, auf die Polymerelektrolyt membran (4),
- S5: Aufbringen der ersten Katalysatorschicht (7) auf die zweite Katalysatorschicht (8), und
- S6: Aufbringen einer Gasdiffusionsschicht (9a) auf die erste Katalysatorschicht (7).
7. Verfahren (100) zur Herstellung einer Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 6, wobei das erste Katalysatormaterial (5) auf ein Trägermaterial (10) aufgebracht wird.
8. Verfahren (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das erste Katalysatormaterial (5) mittels chemischer Gasphasenabschei dung und/oder physikalischer Gasphasenabscheidung auf das Trägermaterial (10) aufgebracht wird.
9. Verwendung einer Elektrolysezelle (1) nach einem der An sprüche 1 bis 5 zur elektrolytischen Erzeugung von Wasser stoff.
10. Verwendung eines Katalysatormaterials (5) zur Katalyse einer Reduktion von molekularem Sauerstoff in einer kathodi- schen Halbzelle (2) einer Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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