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Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur mit einer Schutzschicht auf einem Bauteil. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung des Elektrolyseurs.
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Auf der Anodenseite einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) eines Elektrolyseurs herrschen sehr korrosive Bedingungen. Bauteile auf der Anodenseite können einem niedrigen pH-Wert zwischen 0 und 2, einer erhöhten Temperatur zwischen 50 °C und 80 °C und einer Spannung von bis zu 2 V ausgesetzt sein. Es kann erforderlich sein, dass Bauteile auf der Anodenseite unter diesen Bedingungen eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen und auch langfristig behalten müssen, um effektiv Wasserstoff zu erzeugen. Die Bildung einer elektrisch nichtleitenden Oxidschicht im Betrieb kann die Leistung eines Elektrolyseurs drastisch reduzieren.
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Eine Polymer-Elektrolyt-Membran wird auch Protonen-Austausch-Membran genannt.
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Ein oder mehrere Bauteile auf der Anodenseite eines Elektrolyseurs mit einer PEM können im Wesentlichen aus Titan gebildet sein. Bauteile auf der Anodenseite eines Elektrolyseurs mit einer PEM können eine Schutzschicht aus einem Edelmetall wie Platin umfassen. Durch eine Edelmetallschicht auf Titan kann erreicht werden, dass eine nachteilhafte Oxidation vernachlässigbar klein bleibt. Es kann so eine gute und beständige Leitfähigkeit unter Betriebsbedingungen gewährleistet werden.
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Titan ohne eine Schutzschicht würde oxidieren bzw. passivieren. Es kann sich dann ein elektrisch schlecht leitendes Oxid bilden. Eine effiziente Herstellung von Wasserstoff kann dadurch verhindert werden. Auch auf anderen Metallen kann ein solches Problem auftreten. Dies kann auch im Fall von elektrisch leitfähigen Keramiken wie TiN passieren.
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Durch die vorliegende Erfindung soll ein Elektrolyseur bereitgestellt werden, mit dem Wasserstoff effizient erzeugt werden kann.
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Die Aufgabe kann durch einen Elektrolyseur mit den Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur. Der Elektrolyseur kann eine Polymer-Elektrolyt-Membran, also eine PEM, umfassen. Ein Bauteil auf der Anodenseite kann eine Schutzschicht umfassen.
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Die Schutzschicht ist grundsätzlich elektrisch leitfähig. Die Schutzschicht kann zwei Metalle mit unterschiedlicher Wertigkeit in Oxiden umfassen. Die Schutzschicht kann also aus einer Metalllegierung bestehen. Kann ein Metall unterschiedliche Wertigkeiten in einem Oxid aufweisen, dann ist die stabilste und damit häufigste Wertigkeit gemeint.
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Die Wertigkeit eines Metalls gibt an, wie viele Bindungen ein Metallatom mit anderen Atomen eingehen kann. Sie beschreibt also die Anzahl der Elektronen, die das Metall in einer chemischen Reaktion abgeben oder aufnehmen kann. Im vorliegenden Fall ist das andere Atom Sauerstoff. Die Wertigkeit von Titan ist dann +4. Die Wertigkeit von Tantal ist dann +5. Die Metalllegierung kann daher Titan und Tantal umfassen.
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Durch eine Schutzschicht, die zwei Metalle mit unterschiedlicher Wertigkeit in Oxiden umfasst, kann erreicht werden, dass sich während des Betriebs des Elektrolyseurs eine vernachlässigbar dünne Oxidschicht auf der Legierung bildet und/oder eine elektrisch leitfähige Oxidschicht. Es kann damit langlebig Wasserstoff effizient erzeugt werden.
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Ein Metall in der Schutzschicht kann ein Refraktärmetall sein. Das Metall mit der höheren Wertigkeit kann ein Refraktärmetall sein.
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Ein Refraktärmetall ist ein Metall mit einem sehr hohen Schmelzpunkt von mehr als 2000 °C. Typische Refraktärmetalle sind Wolfram (W) mit einem Schmelzpunkt von 3422 °C, Rhenium (Re) mit einem Schmelzpunkt: von 3186 °C, Tantal (Ta) mit einem Schmelzpunkt von 3017 °C, Molybdän (Mo) mit einem Schmelzpunkt von 2623 °C, Niob (Nb) mit einem Schmelzpunkt von 2477 °C.
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Die häufigste und stabilste Wertigkeit von Wolfram in einem Oxid ist +6: (Wolfram(VI)-oxid (WO3)). Die häufigste und stabilste Wertigkeit von Rhenium in einem Oxid ist +7: (Rhenium(VII)-oxid (Re2O7)). Die häufigste und stabilste Wertigkeit von Tantal in einem Oxid ist +5: (Tantal(V)-oxid (Ta2O5)). Die häufigste und stabilste Wertigkeit von Molybdän in einem Oxid ist +6: (Tantal(V)-oxid (Molybdän(VI)-oxid (MoO3)). Die häufigste und stabilste Wertigkeit von Niob in einem Oxid ist +5: (Niob(V)-oxid (Nb2O5)). Das Refraktärmetall kann Hafnium (Hf) mit einem Schmelzpunkt von 2233 °C und einer Wertigkeit von +4 in Oxiden sein: (Hafnium(IV)-oxid (HfO2)).
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Ein Metall in der Schutzschicht kann Zirkonium (Zr) mit einer Wertigkeit von +4 sein: (Zirkonium(IV)-oxid (ZrO2)). Ein Metall in der Metalllegierung kann Titan mit einer Wertigkeit von +4 sein: (Titandioxid (TiO2)).
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Das Bauteil auf der Anodenseite kann aus Titan bestehen oder Titan umfassen. Das Bauteil kann Edelstahl umfassen, der mit Titan beschichtet ist. Das Bauteil kann im Inneren aus Edelstahl bestehen und eine äußere Schicht aus Titan umfassen. Edelstahl kann vollständig durch die Schicht aus Titan nach außen hin abgeschirmt sein. Anstelle von Edelstahl kann ein anderes Metall vorhanden sein. Das Bauteil kann aus einer elektrisch leitfähigen Keramik wie zum Beispiel Titannitrid (TiN) bestehen oder TiN umfassen. Die Schutzschicht auf dem Bauteil umfasst dann besonders bevorzugt ebenfalls Titan. Die Schutzschicht auf dem Bauteil umfasst dann vorzugsweise ein zweites Metall mit einer höheren Wertigkeit als +4. Besonders bevorzugt umfasst dann die Schutzschicht ein Metall mit einer Wertigkeit von +5. Die Schutzschicht kann dann Titan und Niob oder Titan und Tantal umfassen.
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Titan kann mit einem Refraktärmetall legiert werden, um eine geeignete Schutzschicht zu erhalten. Beispiele für eine Legierung aus Titan und einem Refraktärmetall sind: Titan-Molybdän (Ti-Mo), Titan-Tantal (Ti-Ta), Titan-Niob (Ti-Nb) oder Titan-Wolfram (Ti-W).
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Die Schutzschicht kann mehr als zwei Metalle umfassen. Die Schutzschicht kann beispielsweise ein Metall mit einer niedrigeren Wertigkeit und zwei Metalle mit einer höheren Wertigkeit umfassen. Die Schutzschicht kann beispielsweise Titan und Niob und Tantal umfassen.
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Die Schutzschicht kann aus Chrom und Niob gebildet sein. Die Schutzschicht muss also kein Titan umfassen.
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Die Schutzschicht auf dem Bauteil kann zur Lösung der Aufgabe einen Film umfassen, der aus einer elektrisch leitfähigen Oxidschicht gebildet ist. Die elektrisch leitfähige Oxidschicht kann sich durch den Betrieb des Elektrolyseurs ausbilden. Der Film ist dünner als die Schutzschicht.
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Die Schutzschicht kann überwiegend ein erstes Metall umfassen und zusätzlich zumindest ein weiteres Metall mit einer höheren Wertigkeit. Der Anteil des Metalls bzw. der Metalle mit der höheren Wertigkeit ist also dann geringer als der Anteil des Metalls mit der niedrigeren Wertigkeit. Ist der Anteil von höherwertigen Metallen übermäßig groß, dann kann es nachteilhaft schwierig sein, das höherwertige Metall bzw. die höherwertigen Metalle in dem niederwertigen Metall aufzulösen. Der Anteil des Metalls oder der Metalle mit der höheren Wertigkeit kann daher weniger als 30 Atomprozent oder weniger als 20 Atomprozent oder weniger als 10 Atomprozent betragen. Der Anteil des Metalls oder der Metalle mit der höheren Wertigkeit in der Schutzschicht kann mehr als 0,5 Atomprozent oder mehr als 1 Atomprozent oder mehr als 2 Atomprozent betragen, um zu guten Ergebnissen zu gelangen.
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Die Schutzschicht kann neben Metallen Verunreinigungen aufweisen, so zum Beispiel Sauerstoff, Stickstoff und/ oder Kohlenstoff. Die Schutzschicht kann Titannitrid und zusätzlich ein Metall mit einer höheren Wertigkeit im Vergleich zu Titan aufweisen. Der Reinheitsgrad in der Schutzschicht kann niedrig sein. Der Reinheitsgrad der Schutzschicht kann lediglich wenigstens 90% oder wenigstens 95% betragen. Die Schutzschicht kann bis zum gewünschten Reinheitsgrad ausschließlich Metalle umfassen. Verunreinigungen können herstellungsbedingt vorhanden sein. Verunreinigungen können beispielsweise ein Edelgas wie Argon, Helium oder Krypton umfassen, das während der Herstellung verwendet wurde. Edelgase können beispielsweise beim Sputtern verwendet worden sein.
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Es müssen nicht zwingend Verunreinigungen sein, die zusätzlich zu den Metallen in der Schutzschicht vorhanden sind. Es können also auch nichtmetallische Stoffe planmäßig eingebracht worden sein.
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Die Schutzschicht kann in einer Ausgestaltung der Erfindung nicht dicker als 300 µm oder nicht dicker als 200 µm oder nicht dicker als 100 µm oder nicht dicker als 100 nm sein. Die Schutzschicht kann dicker als 1 nm oder dicker als 10 nm sein. Dickere Schichten sind aber möglich. Das Bauteil kann auch aus dem Material bestehen, aus dem die Schutzschicht erfindungsgemäß gebildet wird.
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Das Bauteil mit der Schutzschicht kann ein gasdurchlässiges Bauteil sein. Das Bauteil kann ein poröses Bauteil sein. Das Bauteil kann aus einem Vlies gebildet sein. Das Bauteil kann aus einem Streckmetall gebildet sein.
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Das Bauteil kann unmittelbar an eine Elektrode angrenzen. Die Elektrode kann einen Katalysator für die Durchführung der Elektrolyse umfassen. Ein Bauteil, welches an eine Elektrode unmittelbar angrenzt und diese also kontaktiert, ist im besonderen Maße schwierigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Daher umfasst insbesondere das Bauteil, welches an eine Elektrode angrenzt, die Schutzschicht. Eine Elektrode kann ein poröser Körper sein, der für ein Fluid durchlässig ist.
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Das Bauteil kann eine Schicht sein. Die Schicht kann eine Schicht in einem Schichtsystem sein.
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Es kann genügen, dass sich die Schutzschicht nur auf der Seite des Bauteils befindet, die der Membran zugewendet ist. Dies gilt insbesondere für eine bipolare Platte. Aber auch bei einer Transportschicht kann eine Schutzschicht auf nur einer Seite genügen. Gemeint ist also die Seite, die den geringsten Abstand zur Membran aufweist. Die Schutzschicht kann sich aber auch auf allen Seiten des Bauteils befinden.
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Das Bauteil kann eine durchlässige, elektrisch leitfähige Transportschicht sein, die gewährleistet, dass während des Betriebs Wasser zur Membran gelangen und Sauerstoff abtransportiert werden kann. Durch die Transportschicht kann während des Betriebs ein elektrischer Strom fließen. Eine Transportschicht ist im besonderen Maße schwierigen Bedingungen ausgesetzt. Der Transportschicht kann aus Titan bestehen oder Titan als äußere Schicht umfassen. Die Transportschicht kann durch ein Vlies oder ein Streckmetall oder ein Gitter gebildet sein. Die Transportschicht kann ein poröser Körper sein, der beispielsweise durch Sintern hergestellt worden ist.
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Ein Vlies besteht aus Fasern. Fasern des Vlieses können unterschiedlich gerichtet verlaufen. Fasern eines Vlieses können im Wesentlichen in einer Ebene verlaufen. Die Fasern können miteinander so verbunden sein, dass ein Zusammenhalt zwischen den Fasern vorliegt.
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Ein Streckmetall ist ein strukturiertes Metall, das durch das sogenannte Strecken hergestellt wird. Dabei handelt es sich um ein Flachmaterial, das in einer Presse durch Ziehen und Dehnen so bearbeitet wird, dass es ein Netz aus Rauten- oder Diamantmustern bildet.
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Das Bauteil kann ein Interkonnektor wie zum Beispiel eine bipolare Platte sein. Die Umgebungsbedingungen für einen Interkonnektor sind weniger kritisch. Dennoch kann es von Vorteil sein, auch einen Interkonnektor mit einer erfindungsgemäßen Schutzschicht zu versehen. Der Interkonnektor kann aus Titan bestehen oder Titan als äußere Schicht umfassen.
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Eine Schutzschicht kann durch Sputtern, thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, Laserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen, Molekularstrahlepitaxie oder Ionenplattieren auf einem Bauteil hergestellt worden sein.
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Es kann eine Schutzschicht durch thermisches Spritzen wie zum Beispiel Kaltgasspritzen oder Plasmaspritzen unter Schutzgas oder niedrigem Druck auf ein Bauteil aufgebracht worden sein. Zur Deposition können bereits vorlegierte Materialien genutzt werden, z. B. ein Pulver für das thermische Spritzen, welches bereits aus einer gewünschten Legierung besteht oder ein Target aus der gewünschten Legierung für das Sputtern.
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Alternativ können bei einigen Depositionsmethoden auch die einzelnen Elemente benutzt werden, sodass beispielsweise eine Legierung erst während der Deposition besteht. Z. B. kann beim Sputtern ein Titantarget und ein Refraktärmetalltarget gleichzeitig verwendet werden. Dies erhöht die Flexibilität bei der Zusammensetzung der Legierung.
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Wenn eine Methode mit zwei unterschiedlichen Targets gewählt wird, gibt es zusätzlich die Möglichkeit, das zu beschichtende Bauteil so rotieren zu lassen, dass dieses abwechselnd parallel zum Titantarget und dem Refraktärmetalltarget ausgerichtet ist. Dadurch entsteht eine lamellenartige Schicht mit titanreichen und refraktärmetallreichen Phasen. Diese Struktur kann Eigenschaften der Schutzschicht verbessern.
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Eine Herstellung durch Sputtern ist wie folgt möglich.
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Zur Herstellung der Schutzschicht kann eine Sputterkammer mit einer beispielsweise rechteckigen Grundfläche an drei der vier Innenseiten der Kammer ein Titantarget und an der vierten ein Refraktärmetalltarget aufweisen. In der Mitte kann sich ein beispielsweise säulenförmiger Probenhalter befinden, der sich um die eigene Achse drehen kann. Werden ein oder mehrerer der zu beschichtende Bauteile daran befestigt, sind diese abwechselnd näher an den Titantargets oder an dem Refraktärmetalltarget. Dadurch bekommt die entstehende Schicht eine Lamellen-Struktur aus Titan und Refraktärmetall.
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Diese Lamellen-Struktur kann auch verhindert werden, indem anstatt einzelner Targets, Targets mit der Ziellegierung aus Titan und Refraktärmetall verwendet werden. Alternativ kann die Sputteranlage auch so aufgebaut sein, dass die unterschiedlichen Targets sich auf einer Seite der Kammer befinden und immer parallel zum Werkstoff bzw. dem daraus gebildeten Bauteil sind, welcher sich zusätzlich im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen kann.
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Um dichte Schichten zu erzeugen, sollte der Probenhalter beheizt sein mit einer Temperatur zwischen 400 - 600 °C, um die Diffusionslänge der Adatome zu erhöhen. Zusätzliche sollte die Wachstumsrate nicht zu hoch gewählt sein und einzelne Kathoden unter 5000 Watt betrieben werden. Ein hohes Bias zwischen 90 - 200 V kann ebenfalls die Qualität der Schicht erhöhen.
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Die Kammer sollte vor dem Sputterprozess evakuiert werden. Als Sputtergase können Argon, Krypton oder eine Mischung daraus verwendet werden.
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Eine Herstellung durch thermisches Spritzen ist wie folgt möglich.
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Thermisches Spritzen kann genutzt werden, um poröse Transportschichten zu beschichten. Dafür kann fliessfähiges Pulver (10 - 50 µm) in einer gewünschten Legierung verwendet werden. Um die Oxidation des Pulvers während der Deposition zu verhindern, eignen sich verschiedene Methoden:
Kaltgasspritzen: Beim Kaltgasspritzen wird ein Prozessgas mit einer Temperatur von unter 1100 °C benutzt. Die niedrigere Temperatur sorgt dafür, dass das Pulver nicht aufschmilzt und kaum an der Atmosphäre oxidiert.
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Bei anderen thermischen Spritzprozessen wird das Pulver aufgeschmolzen. Um zu verhindern, dass dieses oxidiert, kann es von Sauerstoff abgeschirmt sein. Deshalb kann der Spritzprozess entweder in einer Vakuumkammer (Niedrigdruckkammer) stattfinden oder unter einer inerten Schutzgasatmosphäre. Jedoch ist auch eine Luftatmosphäre möglich, da die sich bildenden Oxidschichten leitfähig sind.
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Bei der Deposition mittels thermischen Spritzens sollten Bauteile, auf denen Schutzschichten aufgebracht werden, thermisch nicht zu stark zu belastet sein. Daher ist es vorteilhaft, Spritzabstände von über 100 mm und eine hohe Überlaufgeschwindigkeit in einem Bereich von 500 bis 2000 mm/s zu wählen.
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Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, die Bauteile nicht wie sonst beim thermischen Spritzen üblich, mit vorzuheizen. Eine Plasmaflamme oder ein heißes Gas kann für ein Vorheizen verwendet werden.
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Beim Kaltgasspritzen empfiehlt sich, als Prozessgas Stickstoff mit einer Gaseinlasstemperatur von 500 bis 900 °C und einem Einlassdruck von 40 bis 50 bar zu verwenden. Andere Gaszusammensetzungen, besonders die Zugabe von Heiium zum Stickstoff, sind möglich. Beim Plasmaspritzen sind diverse Brenner möglich wie F4, Sinplex Vakuum oder O3CP. Die Leistung kann über 40 kW liegen, je nach Brenner auch deutlich höher. Die Kammer kann auf einen Druck unter 10-2 mbar evakuiert und im Betrieb mit inertem Gas (N2, Ar) auf etwa 50 mbar geflutet werden. Typische Prozessgasströme sind 20 ~ 50 slpm Ar und geringere Flussmenge an Sekundärgasen wie H2, He, N2.
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Eine Herstellung durch lonenstrahlverdampfen ist wie folgt möglich.
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Um eine Legierung mittels lonenstrahlverdampfen auf einem Werkstück wie zum Beispiel einem Titanstreckmetall oder Titanvlies abzuscheiden, kann es wie beim Sputtern zwei Ansätze geben: die Verwendung eines Legierungstargets oder die Verwendung von mehreren separaten Targets.
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Wenn zwei oder mehr separate Targets eingesetzt werden, beispielsweise eines aus Titan und je eines aus dem gewünschten Metall mit anderer Wertigkeit, kann eine Dual (Triple etc.) Source-Ionenstrahlverdampfer-Anlage eingesetzt werden, die es erlaubt, mehrere Materialien simultan zu verdampfen. Die Zusammensetzung einer Legierungsschicht, also einer Schutzschicht, kann durch Steuerung der Verdampfungsraten der Targets bestimmt werden. Dies bietet Flexibilität bei der Anpassung der Legierung.
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Eine moderate Vorheizung des sauberen Bauteils auf etwa 300 bis 600 °C verbessert die Adhäsion und Dichte der Schicht. Der Prozessdruck sollte im Hoch- oder Ultrahochvakuumbereich (1 bis 10 mbar) liegen, um Verunreinigungen zu minimieren.
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Geeignete Werte für die Ionenstrahlenergie liegen zwischen 500 - 2000 eV, wobei höhere Energien die Dichte der Schuttschicht fördern, jedoch auch Resputtereffekte und Defekte verursachen können. Die Stromdichte des Ionenstrahls sollte bei etwa 0,1 - 1 mA/cm2 liegen, um eine gleichmäßige Materialabscheidung zu erzielen. Eine langsame Abscheidungsrate, z. B. 0,1 bis 0,5 nm/s, verbessert die Dichte und sorgt für eine gleichmäßige Struktur. Zusätzlich kann die Dichte noch mittels Mikrowellen, die die Teilchenenergien erhöhen, erhöht werden. Durch Rotation oder oszillierende Bewegungen der Bauteile wird eine gleichmäßige Schicht sichergestellt.
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Eine Herstellung durch Laserstrahlverdampfen ist wie folgt möglich.
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Um durch Laserstrahlverdampfen eine dichte Schutzschicht abzuscheiden, kann ein Laser Material eines vorlegierten Targets verdampfen. Das Material wird in einem Plasma transferiert und kondensiert auf dem gewünschten Bauteil. Laserstrahlverdampfen ist besonders für komplexe Legierungen vorteilhaft, da die stöchiometrische Zusammensetzung erhalten bleibt. Hier kann mit einer Laserenergie von 1 - 5 J/cm2, einer Pulsfrequenz von 10 bis 100 Hz, einem beheizten Bauteil von 400 bis 600 °C und einem niedrigen Prozessdruck von 10-3 bis 10-5 mbar gearbeitet werden. Das Bauteil sollte ebenfalls während der Abscheidung rotiert werden.
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Eine Herstellung durch Ionenplattieren ist wie folgt möglich.
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Beim Ionenplattieren werden verdampfte Materialatome ionisiert und durch elektrische Felder zum Bauteil beschleunigt. Auch hier kann mit einem vorlegierten Target oder unterschiedlichen Targets aus Titan und einem zweiten Metall mit anderer Wertigkeit gearbeitet werden. Das ionisierte Material wird mit hoher kinetischer Energie aufgebracht, was zu einer hohen Schichtdichte und einer ausgezeichneten Haftung führt. Eine präzise Steuerung der Targets erlaubt eine gleichmäßige Legierungszusammensetzung. Durch die hohe Partikelenergie kann das Verfahren auch zur Beschichtung von unregelmäßigen oder komplexen Bauteilgeometrien eingesetzt werden. Wie bei anderen Abscheidungsmethoden sollte auch hier bei einem niedrigen Druck von 10-3 - 10-4 mbar in Argon- oder Stickstoffatmosphäre und mit einem beheizten Bauteil gearbeitet werden. Für eine maximale Schichtdichte sollte eine hohe Ionenenergie von bis zu 1000 eV genutzt werden.
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Eine Herstellung durch Lichtbogenverdampfen ist wie folgt möglich.
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Beim Lichtbogenverdampfen kann entweder ein Target mit der gewünschten Metallzusammensetzung benutzt werden oder es können, wenn ein Multi-Target-System zur Verfügung steht, mehrere separate Targets aus unterschiedlichen Elementen gleichzeitig verwendet werden, was die Flexibilität erhöht. Das Verfahren sollte in einer zunächst evakuierten Kammer (<10-6 mbar), die dann mit einem Inertgas wie z. B. Argon gefüllt wird, stattfinden. Während der Beschichtung sollte das gereinigte Bauteil beheizt werden (200 bis 600 °C), um die Adhäsion und Dichte zu verbessern. Der Arc-Strom, der typischerweise zwischen 50 bis 150 A liegt, sollte so kalibriert werden, dass die Ablationsrate ausreichend ist, ohne übermäßige Tröpfchenbildung zu verursachen. Ein Bauteil-Bias zwischen -50 und -200 V und eine niedrige Wachstumsrate kann vorteilhaft für die Qualität und die Dichte der Schutzschicht sein.
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Die beschichteten Werkstücke bzw. Bauteile (z.B. Titanvlies, Titanstreckmetall, pulvermetallurgisch hergestellte poröse Transportschichten oder Bipolarplatten) werden in einem Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyseur auf der Anodenseite eingebaut und als poröse Transportschicht (oder auch als Bipolarplatte) genutzt. Die aufgebrachte Schutzschicht, die in Richtung der Membran zeigen sollte, behält auch nach längerem Betrieb ihre Leitfähigkeit bei und zeigt keine signifikante Abnahme der Stromdichte.
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Es zeigen
- Figur 1:
- Schichtaufbau eines Elektrolyseurs;
- Figur 2:
- Bauteil mit Schutzschicht.
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In der Figur 1 wird der Schichtaufbau eines Elektrolyseurs 1 gezeigt. Der Elektrolyseur 1 umfasst eine Membran 2, die aus einem Polymer gebildet sein kann. An die Membran 2 grenzt eine Anode 3 an, die beispielsweise aus IrO2 bestehen kann. An die andere Seite der Membran 2 grenzt eine Kathode 4 an, die aus Platin oder Kohlenstoff gebildet sein kann. An die andere Seite der Anode 3 kann eine Transportschicht 5 angrenzen, die aus Titan mit einer Schutzschicht gebildet sein kann. An die andere Seite der Kathode 4 kann eine Transportschicht 6 angrenzen, die aus Kohlenstoff gebildet sein kann. An die gegenüberliegenden Seiten der Transportschichten 5, 6 können bipolare Platten 7 angrenzen, die aus Metall gebildet sein können. Um einen Transport von Gasen und Flüssigkeiten zu fördern, können die bipolaren Platten mit Rillen oder Kanälen 8 versehen sein, die in Richtung Transportschichten 5, 6 weisen.
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Die Transportschichten 5, 6 sind durchlässig für Flüssigkeit sowie Gas, also für ein Fluid. Insbesondere die Transportschicht 5 im Anodenraum und die bipolare Platte 7, die an die Transportschicht 5 angrenzt, können mit einer Schutzschicht versehen sein.
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In der Figur 2 wird eine Transportschicht 5 mit einer Schutzschicht 9 gezeigt. Die Transportschicht 5 ist fluiddurchlässig. Die Schutzschicht 9 ist in gleicher Weise fluiddurchlässig. Die Schutzschicht 9 befindet sich nur auf einer Seite des Bauteils 5. Es handelt sich um die Seite, die der Anode 3 zugewandt ist.