WO2024105239A2 - Gasdiffusionselektrode, membran-elektroden-anordnung und elektrolysevorrichtung - Google Patents

Gasdiffusionselektrode, membran-elektroden-anordnung und elektrolysevorrichtung Download PDF

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WO2024105239A2
WO2024105239A2 PCT/EP2023/082218 EP2023082218W WO2024105239A2 WO 2024105239 A2 WO2024105239 A2 WO 2024105239A2 EP 2023082218 W EP2023082218 W EP 2023082218W WO 2024105239 A2 WO2024105239 A2 WO 2024105239A2
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    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised

Definitions

  • the invention relates to a gas diffusion electrode, also called gas diffusion layer (GDE), for a membrane electrode assembly (MEA) for use in a fuel cell, in particular a hydrogen-oxygen fuel cell, or a
  • Electrolysis device comprising a composite of a plurality of expanded metal layers arranged in layers, wherein an outer expanded metal layer arranged at one end of the composite serves to adhere with its surface facing away from the composite to the
  • Membrane of the membrane electrode assembly the surface of this outer expanded metal layer facing away from the composite being provided with an electrically conductive
  • the coating is formed from iridium and/or an iridium-containing compound. Furthermore, the invention relates to a membrane
  • Electrolysis device with a membrane electrode arrangement according to the invention.
  • Gas diffusion electrodes are known from the state of the art. They are used in electro-chemical processes, for example in
  • Fuel cells or in electrolysis devices designed as membrane electrolyzers designed as membrane electrolyzers.
  • a gas diffusion electrode which consists of an electrically conductive catalyst carrier and an electrical connection, the catalyst carrier serving to accommodate catalyst material.
  • a fabric, fleece, foam or felt made of electrically conductive material, an expanded metal plate or a metal plate with a large number of openings onto which the catalyst material is applied is used as the catalyst carrier.
  • the catalyst carrier is firmly connected to a gas-permeable metallic base plate, in particular made of nickel or its alloys, in a mechanical and electrically conductive manner by means of sintering in order to form a dimensionally stable gas diffusion electrode.
  • the advantage of this design is that, despite the open structure of the catalyst carrier for accommodating the catalyst material, a comparatively dimensionally stable gas diffusion electrode is provided, which is achieved by the comparatively rigid substructure of the base plate, which takes on the function of an abutment when the catalyst material is pressed in.
  • DE 10 2004 023 161 A1 discloses an electrolysis cell which proposes to provide an electrode with a large specific surface, the cathodes and/or anodes as Multilayer expanded metal electrodes are to be formed, which consist of at least two expanded metal layers contacted with each other and with an edge electrode via internal resistance paths.
  • the expanded metal layers each rest on base plates and are in a
  • Expanded metal layers preferably have porous intermediate layers arranged between them.
  • an electrolysis device which has a number of membrane electrolysis cells, each of which comprises a membrane provided with a contact layer on both sides.
  • a contact plate is arranged on each contact layer, with each contact plate having a channel system for transporting water and/or gas on its surface facing the contact layer assigned to it.
  • EP 2 985 096 B1 discloses a gas diffusion electrode which has a plurality of expanded metal layers.
  • the expanded metal layers can be arranged at right angles to one another with respect to their longitudinal extent.
  • an electrode for an electrochemical cell in particular for an electrolyzer, which has a carrier element with an active layer containing at least one catalyst, which active layer defines a contact surface for contact with an ion exchange membrane. It is provided that the active layer contains Pt, Ir, Ru or oxides of these elements and compounds to form a proton exchange membrane electrolyzer.
  • EP 3 670 703 A1 relates to a gas diffusion body comprising at least one base layer having through-openings, which is made of electrically conductive expanded metal, of electrically conductive fabric or mesh or of an electrically conductive,
  • Gas diffusion body has at least one additional layer which is applied as a powdery material using a thermal spraying process, wherein the powdery
  • Material consists at least largely of particles of electrically conductive material, in particular to a proportion of at least 70 wt.%, preferably to a proportion of at least 90 wt.%.
  • the invention proposes a
  • Gas diffusion electrode of the type mentioned at the outset which is characterized in that only the surface of this outer expanded metal layer facing away from the composite is coated with iridium and/or an iridium-containing compound and that a surface facing away from the composite of a second outer expanded metal layer arranged at the other end of the composite is coated with platinum and/or a platinum-containing compound.
  • the coating according to the invention of the outer expanded metal layer that is intended to be applied to the membrane of an MEA has various advantages.
  • it can catalyze the chemical reaction that is intended to take place on the electrode, offer corrosion protection for the material of the expanded metal layers and/or improve the electrical conductivity of the expanded metal layer.
  • the efficiency and durability of the electrode according to the invention can be improved.
  • the gas diffusion electrode according to the invention has a composite made of a plurality of expanded metal layers arranged in layers.
  • Expanded metal means a metal sheet with openings in the surface, whereby the openings, also called meshes, are created by offset cuts without loss of material and at the same time stretching the metal sheet.
  • Several layers of expanded metal form the gas diffusion electrode according to the invention, whereby adjacent expanded metal layers are welded together. This creates a dimensionally stable composite made of a plurality of expanded metal layers, whereby four, five, six or even more expanded metal layers can be provided depending on the later intended use of the gas diffusion electrode.
  • the coating is formed from iridium and/or an iridium-containing compound, in particular iridium oxide. It has been found that iridium and its compounds, in particular iridium oxide, with respect to the electrolysis in an electrolysis device, in particular the
  • Water electrolysis is particularly advantageous and provides catalytic, anti-corrosive and conductivity-related improvements.
  • iridium is a relatively rare element, and its
  • the delivery rate is limited for an indefinite period of time. It is therefore provided according to the invention that only the surface of the outer
  • Expanded metal layer with iridium and/or an iridium-containing compound in particular
  • Electrode-adjacent surface of the associated expanded metal layer with iridium or an iridium-containing compound is sufficient to realize the associated advantages.
  • the electrode according to the invention can be manufactured in a resource-saving manner.
  • a second outer expanded metal layer arranged at the other end of the composite with respect to the membrane-side first outer expanded metal layer of the composite is coated with platinum and/or a platinum-containing compound, namely the surface of the second outer expanded metal layer facing away from the composite.
  • platinum and/or a platinum-containing compound namely the surface of the second outer expanded metal layer facing away from the composite.
  • the second outer expanded metal layer which is also called the spring layer
  • platinum and/or a platinum-containing compound are also called the spring layer.
  • the expanded metal layer is coated with iridium or an iridium compound
  • the surface of the second outer expanded metal layer facing away from the composite is coated with platinum and/or a platinum-containing compound as a comparatively readily available metal.
  • platinum has a higher modulus of elasticity than iridium and is therefore less brittle.
  • the expanded metal layer coated with platinum serves as a spring layer for the composite.
  • it has proven to be an additional Improvement has been found if not both outer surfaces of the composite are coated with iridium or an iridium compound, but only the membrane side
  • the surface of the second outer expanded metal layer facing away from the composite would be coated with platinum or a platinum compound, leaving all other expanded metal layers of the composite completely uncoated. This is particularly the case because the composite consists of
  • Expanded metal layers in the uncoated state have an unfavorable ohmic resistance with regard to conductivity, which makes electron transport difficult.
  • the ohmic resistance in an MEA reaches its maximum value at the interface between the outer expanded metal layer and the membrane, while it decreases with increasing distance from the membrane.
  • a corresponding coating in precisely this boundary area has already resulted in a significant reduction in the ohmic
  • the composite comprises at least partially uncoated expanded metal layers, wherein for the formation of the
  • Composite coated and at least partially uncoated expanded metal layers are welded and pressed together.
  • the expanded metal layers which are preferably connected to one another by welding, advantageously form a smooth, flat and stable support for the proton-conducting membrane of the membrane electrode arrangement.
  • this membrane is located between two gas diffusion electrodes, whereby one of the two gas diffusion electrodes in the case of water electrolysis, for example, is made of titanium (oxygen side) and the other gas diffusion electrode is made of stainless steel (hydrogen side).
  • Neighboring expanded metal layers are preferably connected to one another in a surface-wide manner at contact points on their mutually facing flat sides by means of resistance pulse welding.
  • “Surface-wide” in the sense of the invention does not mean over the entire surface due to the lattice design of the expanded metal layers. However, in the sense of a surface-wide design, a connection takes place at the contact points of two neighboring expanded metal bearings, which, due to the lattice design of the expanded metal layers, regularly extend over the entire flat sides of the expanded metal layers facing one another.
  • the individual expanded metal layers Due to the manufacturing process, the individual expanded metal layers have a plastic height that is greater than the sheet thickness of the metal panels selected as the starting material. This plastic height gives the expanded metal certain spring properties, which are advantageously retained when the expanded metal layers are connected using resistance pulse welding.
  • the expanded metal layers that are finally welded together to form a composite thus have defined spring properties that can be calculated and reproduced using the spring characteristics of the individual expanded metal layers. It is therefore advantageously possible, due to the structural design according to the invention, to specifically influence the subsequent contact force between the gas diffusion electrode on the one hand and the membrane attached to it on the other, with the aim of ensuring that the membrane permanently and securely adheres to the associated gas diffusion electrode(s) over the entire surface.
  • joining by means of resistance pulse welding also has the advantage that expanded metal layer composites with a defined thickness, i.e. a small tolerance, can be produced, for example a tolerance of +/- 0.5 mm, preferably +/- 0.3 mm, even more preferably of +/- 0.05 mm.
  • a small tolerance proves particularly useful in the
  • Each expanded metal layer has meshes with different mesh sizes.
  • a specific mesh size is provided for each expanded metal layer.
  • This mesh size can vary from expanded metal layer to expanded metal layer. This design is particularly advantageous in two respects.
  • the mesh of the expanded metal layer resting on the membrane of the membrane electrode arrangement has the smallest mesh size. Accordingly, it is therefore provided that the expanded metal layer that comes into contact with the membrane of the membrane electrode arrangement in the intended application has the finest possible expanded metal. This advantageously provides the membrane resting on it with a surface that is as smooth as possible, but nevertheless porous.
  • the mesh size of the meshes of the expanded metal layers decreases in the layer thickness direction to the expanded metal layer adjacent to the membrane of the membrane electrode arrangement.
  • coarser expanded metals are used in the inner layers of the composite further away from the membrane, with the mesh size decreasing in the direction of the membrane, i.e. the coarser expanded metals are followed by finer expanded metals in the direction of the membrane.
  • the task of the coarser expanded metals is, on the one hand, to form a stable and flat surface, but on the other hand, to build up a certain spring effect. This spring effect is created by selected expanded metal combinations and can be varied over a wide range. In this way, the spring characteristic value of the later expanded metal layer composite, i.e.
  • the gas diffusion electrode can be influenced in a targeted manner.
  • the spring characteristic value of the later expanded metal layer composite i.e. the gas diffusion electrode, can be influenced in a targeted manner.
  • the spring characteristic value of the later The spring effect emanating from the expanded metal layer composite is crucial for ensuring that the membranes fit securely on the associated gas diffusion electrodes in later use. Due to its construction, the design according to the invention allows this spring effect to be adjusted very precisely, which is why the gas diffusion electrodes according to the invention are particularly suitable for high-pressure applications, for example at pressures of over 30 bar, 40 bar, 50 bar and more.
  • a further expanded metal layer is provided which is connected to the expanded metal layer opposite the expanded metal layer resting on the membrane of the membrane electrode arrangement. Accordingly, a further expanded metal layer is used which, in the final assembled state, is designed to lie opposite the expanded metal layer which, in the intended use, rests on the membrane of the membrane electrode arrangement.
  • This further expanded metal layer can be made of a particularly coarse expanded metal and preferably serves to provide a precisely defined spring force.
  • the further expanded metal layer is spot-welded to its adjacent expanded metal layer, i.e., in contrast to the other expanded metal layers, it is not welded over the entire surface to its adjacent expanded metal layer.
  • the aim of the additional expanded metal layer is therefore not to additionally stabilize the expanded metal layer composite, but rather to provide a type of bracing agent which, particularly in the case of high-pressure applications, ensures that the gas diffusion electrodes of the individual membrane-electrode arrangements combined to form a stack are permanently in full contact with their associated membranes, thus ensuring reliable use with a high level of efficiency, along with advantageous current conduction due to the spot welds.
  • the invention further relates to a membrane electrode arrangement of a fuel cell, in particular a hydrogen-oxygen fuel cell, or a Electrolysis device, in particular an electrolysis device for the
  • Membrane is equipped with a catalyst layer on both sides and the first
  • the second gas diffusion electrode is preferably also provided with a catalyst layer arranged between the membrane and the
  • Gas diffusion electrode is formed.
  • the invention relates to an electrolysis device, in particular for water electrolysis, with a membrane electrode arrangement according to the invention.
  • Fig. 1 shows an exploded view of a membrane electrode arrangement
  • Fig. 2 shows an exploded view of a gas diffusion electrode
  • Fig. 3 shows a detailed view of an expanded metal layer
  • Fig. 1 shows a purely schematic representation of a membrane electrode assembly 1 (also called membrane electrode assembly, MEA for short).
  • the membrane electrode assembly 1 has a membrane 2 which is equipped with a catalyst layer 3 on both sides.
  • a first gas diffusion electrode 4 according to the invention and a second gas diffusion electrode 5 according to the invention are provided.
  • gas diffusion electrode 4 forms the anode side and gas diffusion electrode 5 forms the cathode side.
  • the gas diffusion electrodes 4 and 5 are formed from individual layers of expanded metal layers 6, 7, 8 welded together, as is shown by way of example using the gas diffusion electrode 4 in Fig. 2. As can be seen from Fig. 2, the gas diffusion electrode 4 in the shown
  • the embodiment has a total of six expanded metal layers, whereby expanded metal layers with different sized meshes are provided. There are two expanded metal layers 6 with relatively small mesh sizes, three expanded metal layers 7 with larger
  • the mesh size increases from coarse to fine in the direction of arrow 11, that is, with reference to the illustration in Fig. 1, in the direction of the
  • the surface of the right outermost expanded metal layer 6 facing away from the composite is coated with iridium over its entire surface.
  • the left outer expanded metal layer 8 is coated with platinum on both sides at least in some areas.
  • the inner expanded metal layers 7, 6 can be coated with platinum in some areas and/or be uncoated. Overall, this can improve the conductivity of the expanded metal composite of the electrode 4, 5 by reducing the ohmic resistance.
  • the iridium coating also has
  • Fig. 3 shows a detail of the expanded metal layer 8.
  • the expanded metal layer 8 has a plurality of diamond-shaped meshes 9, each of which has the mesh width W. This results in the longitudinal alignment 10 of the expanded metal layer 8 in the direction of the
  • Gas diffusion electrodes 4 and 5 are welded together at contact points on their mutually facing flat sides. This creates a contact connection between adjacent expanded metal layers that can be described as surface-wide.
  • Expanded metal layer 8 is not connected to the composite formed from expanded metal layers 6 and 7 over the entire surface, but only at certain points, which is achieved by spot welding.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionselektrode (4, 5) für eine Membran-Elektroden-Anordnung (1) zum Einsatz in einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysevorrichtung, aufweisend einen Verbund aus einer Mehrzahl von schichtweise angeordneten Streckmetalllagen (6, 7, 8), wobei eine einendseitig des Verbunds angeordnete äußere Streckmetall läge (6) dazu dient, mit ihrer dem Verbund abgewandten Oberfläche an der Membran (2) der Membran-Elektroden-Anordnung (1) anzuliegen, wobei die dem Verbund abgewandte Oberfläche dieser äußeren Streckmetalllage (6) mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung aus Iridium und/oder einer iridiumhaltigen Verbindung gebildet ist, wobei ausschließlich die dem Verbund abgewandte Oberfläche dieser äußeren Streckmetalllage (6) mit Iridium und/oder einer iridiumhaltigen Verbindung beschichtet ist und wobei eine dem Verbund abgewandte Oberfläche einer anderendseitig des Verbundes angeordneten, zweiten äußeren Streckmetalllage (8) mit Platin und/oder einer platinhaltigen Verbindung beschichtet ist.

Description

Gasdiffusionselektrode, Membran-Elektroden-Anordnung und
Elektrolysevorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionselektrode, auch Gasdiffusionslayer (GDE) genannt, für eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zum Einsatz in einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, oder einer
Elektrolysevorrichtung, aufweisend einen Verbund aus einer Mehrzahl von schichtweise angeordneten Streckmetalllagen, wobei eine einendseitig des Verbunds angeordnete äußere Streckmetalllage dazu dient, mit ihrer dem Verbund abgewandten Oberfläche an der
Membran der Membran-Elektroden-Anordnung anzuliegen, wobei die dem Verbund abgewandte Oberfläche dieser äußeren Streckmetalllage mit einer elektrisch leitfähigen
Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung aus Iridium und/oder einer iridiumhaltigen Verbindung gebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Membran-
Elektroden-Anordnung mit zwei erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektroden und eine
Elektrolysevorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung.
Gasdiffusionselektroden sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Sie finden bei der Durchführung elektro-chemischer Prozesse Verwendung, so zum Beispiel in
Brennstoffeellen oder in als Membranelektrolyseur ausgebildeten Elektrolysevorrichtungen.
Aus der DE 127 339 A1 ist eine Gasdiffusionselektrode bekannt, die aus einem elektrisch leitenden Katalysatorträger und einem Elektroanschluss besteht, wobei der Katalysatorträger der Aufnahme von Katalysatormaterial dient. Als Katalysatorträger kommt ein Gewebe, Vlies, Schaum oder Filz aus elektrisch leitendem Material, eine Streckmetallplatte oder eine mit einer Vielzahl von Öffnungen versehene Metallplatte zum Einsatz, auf der das Katalysatormaterial aufgebracht ist. Dabei ist der Katalysatorträger zur Ausbildung einer dimensionsstabilen Gasdiffusionselektrode mit einer gasdurchlässigen metallischen Grundplate, insbesondere aus Nickel oder seinen Legierungen mechanisch und elektrisch leitend mittels Versintern fest verbunden. Von Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass trotz der offenen Struktur des Katalysatorträgers zur Aufnahme des Katalysatormaterials eine vergleichsweise formstabile Gasdiffusionselektrode bereitgestellt ist, was durch die vergleichsweise steife Unterstruktur der Grundplatte erreicht ist, die beim Einpressen des Katalysatormaterials die Funktion eines Widerlagers übernimmt
Die DE 10 2004 023 161 A1 offenbart eine Elektrolysezelle, die zur Bereitstellung eine Elektrode mit großer spezifischer Oberfläche vorschlägt, die Katoden und/oder Anoden als Mehrlagen-Streckmetall-Elektroden auszubilden, die aus mindestens zwei miteinander und mit einer Randelektrode über interne Widerstandsstrecken kontaktierte Streckmetall-Lagen bestehen. Die Streckmetall-Lagen liegen jeweils auf Grundplatten auf und sind in einem
Zellentrog oder in mehreren miteinander verspannten Elektrodenrahmen angeordnet. Zur weiteren Vergrößerung der spezifischen Elektrodenoberfläche sind zwischen den
Streckmetall-Lagen vorzugsweise poröse Zwischenlagen angeordnet.
Aus der DE 197 29 429 C1 ist eine Elektrolysevorrichtung bekannt, die eine Anzahl von Membran-Elektrolyse-Zellen aufweist, von denen jede eine beidseitig mit einer Kontaktschicht versehene Membran umfasst. Damit die Elektrolysevorrichtung bei kompakter Bauweise auch für vergleichsweise hohe Wasserstoffproduktionsraten geeignet und somit besonders flexibel einsetzbar ist, ist an jeder Kontaktschicht jeweils eine Kontaktplatte angeordnet, wobei jede Kontaktplate auf ihrer der ihr zugeordneten Kontaktschicht zugewandten Oberfläche eine Kanalsystem zum Transport von Wasser und/oder Gas aufweist.
Aus der EP 2 985 096 B1 ist eine Gasdiffusionselektrode bekannt, welche eine Mehrzahl von Streckmetalllagen aufweist. Die Streckmetalllagen können dabei mit Bezug auf Ihre Längserstreckung im rechten Winkel zueinander angeordnet sein.
Aus der DE 10 2018 105 115 A1 ist eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Elektrolyseur, bekannt, die ein Trägerelement mit einer mindestens einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht aufweist, welche aktive Schicht eine Anlagefläche zum Anlegen an eine lonenaustauschmembran definiert. Dabei ist vorgesehen, dass die aktive Schicht zur Ausbildung eines Protonenaustauschmembran- Elektrolyseurs Pt, Ir, Ru oder Oxide dieser Elemente und Verbindungen enthält.
Die EP 3 670 703 A1 betrifft einen Gasdiffusionskörper umfassend zumindest eine Durchgangsöffnungen aufweisende Basisschicht, die aus elektrisch leitendem Streckmetall, aus elektrisch leitendem Gewebe oder Giter oder aus einer elektrisch leitenden, mit
Durchgangsöffnungen versehenen Metallplatte hergestellt ist, wobei der
Gasdiffusionskörper zumindest eine Zusatzschicht aufweist, die als pulverförmiges Material unter Einsatz eines thermischen Spritzverfahrens aufgetragen ist, wobei das pulverförmige
Material zumindest zum Großteil aus Partikeln aus elektrisch leitendem Material besteht, insbesondere zu einem Anteil von wenigstens 70 Gew.-%, bevorzugt zu einem Anteil von wenigstens 90 Gew.-%.
Obgleich Brennstoffzellen und Elektrolysevorrichtungen sowie darin zum Einsatz kommende Gasdiffusionselektroden in vielerlei Ausgestaltungsformen bekannt sind, besteht Verbesserungsbedarf.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Gasdiffusionselektrode vorzuschlagen, die hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Beständigkeit verbessert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen eine
Gasdiffusionselektrode der eingangs genannten Art, die sich dadurch auszeichnet, dass ausschließlich die dem Verbund abgewandte Oberfläche dieser äußeren Streckmetalllage mit Iridium und/oder einer iridiumhaltigen Verbindung beschichtet ist und dass eine dem Verbund abgewandte Oberfläche einer anderendseitig des Verbundes angeordneten, zweiten äußeren Streckmetalllage mit Platin und/oder einer platinhaltigen Verbindung beschichtet ist.
Die erfindungsgemäße Beschichtung der an der bestimmungsgemäß an der Membran einer MEA anliegenden äußeren Streckmetalllage hat verschiedene Vorteile. Sie kann insbesondere eine Katalyse der an der Elektrode bestimmungsgemäß ablaufenden chemischen Reaktion bewirken, Korrosionsschutz für das Material der Streckmetalllagen bieten und/oder die elektrische Leitfähigkeit der Streckmetalllage verbessern. Auf diesem Wege können Wirkungsgrad und Beständigkeit der erfindungsgemäßen Elektrode verbessert werden.
Die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode verfügt über einen Verbund aus einer Mehrzahl von schichtweise angeordneten Streckmetalllagen. Dabei meint „Streckmetall“ eine mit Öffnungen in der Oberfläche ausgebildete Metalltafel, wobei die Öffnungen, auch Maschen genannt, durch versetzte Schnite ohne Materialverlust unter gleichzeitig streckender Verformung der Metalltafel entstehen. Mehrere Lagen Streckmetall bilden die erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode aus, wobei jeweils benachbarte Streckmetalllagen miteinander verschweißt sind. Es ist so ein formstabiler Verbund aus einer Mehrzahl von Streckmetalllagen gegeben, wobei je nach späterem Verwendungszweck der Gasdiffusionselektrode vier, fünf, sechs oder noch mehr Streckmetalllagen vorgesehen sein können. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung aus Iridium und/oder einer iridiumhaltigen Verbindung, insbesondere Iridiumoxid, gebildet ist. Es hat sich herausgestellt, dass Iridium und dessen Verbindungen, insbesondere Iridiumoxid, mit Bezug auf die bei einer Elektrolyse in einer Elektrolysevorrichtung, insbesondere der
Wasserelektrolyse, ablaufenden Reaktionen besonders vorteilhaft ist und sowohl katalytische, anti-korrosive und leitfähigkeitsbezogene Verbesserungen erbringt.
Allerdings handelt es sich bei Iridium um ein vergleichsweise seltenes Element, dessen
Fördermenge auf unabsehbare Zeit begrenzt ist. Es ist deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, dass ausschließlich die dem Verbund abgewandte Oberfläche der äußeren
Streckmetalllage mit Iridium und/oder einer iridiumhaltigen Verbindung, insbesondere
Iridiumoxid, beschichtet ist. Es hat sich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Verbund aus
Streckmetalllagen gezeigt, dass eine Beschichtung der bestimmungsgemäß an der
Membran anliegenden Oberfläche der zugehörigen Streckmetalllage mit Iridium oder einer iridiumhaltigen Verbindung ausreichend ist, um die damit verbundenen Vorteile zu realisieren. Gleichzeitig kann die erfindungsgemäße Elektrode ressourcenschonend hergestellt werden.
Erfindungsgemäß ist des Weiteren vorgesehen, dass eine mit Bezug auf die membranseitige erste äußere Streckmetalllage des Verbunds anderendseitig des Verbunds angeordnete zweite äußere Streckmetalllage mit Platin und/oder einer platinhaltigen Verbindung beschichtet ist, und zwar die dem Verbund abgewandte Oberfläche der zweiten äußeren Streckmetalllage. Zur weiteren Verbesserung der korrosions- und/oder leitfähigkeitsbezogenen Eigenschaften ist es von Vorteil, die dem Verbund abgewandte
Oberfläche der zweite äußere Streckmetalllage, welche auch Federlage genannt wird, mit Platin und/oder einer platinhaltigen Verbindung zu beschichten.
Insbesondere jedoch, wenn die membranseitige Oberfläche der ersten äußeren
Streckmetalllage mit Iridium oder einer Iridiumverbindung beschichtet ist, ist es von Vorteil, wenn die dem Verbund abgewandte Oberfläche der zweiten äußeren Streckmetalllage mit Platin und/oder einer platinhaltigen Verbindung als einem vergleichsweise gut verfügbaren Metall beschichtet ist. Hinzu kommt in diesem Zusammenhang in vorteilhafter Weise, dass Platin ein höheres Elastizitätsmodul als Iridium aufweist und somit weniger spröde ist. Dies ist deshalb von besonderem Vorteil, weil die mit Platin beschichtete Streckmetalllage dem Verbund als Federlage dient. Insofern hat es sich in der Gesamtheit als zusätzliche Verbesserung herausgestellt, wenn nicht beide Außenoberfläche den Verbundes mit Iridium oder einer Iridiumverbindung beschichtet sind, sondern nur die membranseitige
Außenoberfläche, wohingegen die andere Außenoberfläche mit Platin oder einer Platinverbindung ausgerüstet ist.
Der vorbeschriebene Vorteil kommt insbesondre zum Tragen, wenn - wie dies im nachfolgenden noch näher erläutert werden wird - die einzelnen Streckmetalllagen über unterschiedlich groß ausgebildete Maschenweiten verfügen, wobei die Maschenweite in
Richtung auf die Membran abnimmt. In diesem Fall ist für einen Verbund aus möglichst dicht aneinander anliegenden Streckmetalllagen, einschließlich eines dichten Anliegens des
Verbundes an der zugehhörigen Membran von Vorteil, die der Membran abgewandte
Streckmetalllage vergleichsweise elastisch auszubilden.
Ferner erlaubt die erfindungsgemäße Beschichtung der membranseitigen Oberfläche der ersten äußeren Streckmetalllage mit Iridium oder einer Iridiumverbindung und der dem
Verbund abgewandten Oberfläche der zweiten äußeren Streckmetall läge mit Platin oder einer Platinverbindung alle übrigen Streckmetalllagen des Verbunds vollständig unbeschichtet auszubilden. Dies insbesondere deshalb, da der Verbund aus
Streckmetalllagen im unbeschichteten Zustand mit Bezug auf die Leitfähigkeit einen unvorteilhaften ohmschen Widerstand aufweist, der den Elektronentransport erschwert. Es hat sich jedoch gezeigt, dass der ohmsche Widerstand in einer MEA seinen Maximalwert an der Grenzschicht zwischen äußerer Streckmetalllage und Membran erreicht, während er mit zunehmendem Abstand zu der Membran abnimmt. Eine entsprechende Beschichtung in gerade diesem Grenzbereich hat bereits eine erhebliche Reduzierung des ohmschen
Widerstands und eine damit verbundene Steigerung der Leitfähigkeit zur Folge. Hierdurch werden die mit der in Bezug genommenen Beschichtung zusammenhängenden Vorteile hinsichtlich Katalyse, Korrosionsschutz und insbesondere Leitfähigkeit in ausreichendem
Maße, jedoch besonders ressourcenschonender erreicht
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbund zumindest bereichsweise unbeschichtete Streckmetalllagen aufweist, wobei zur Bildung des
Verbunds beschichtete und zumindest bereichsweise unbeschichtete Streckmetalllagen miteinander verschweißt und verpresst sind. Die vorzugsweise durch Schweißen miteinander verbundenen Streckmetalllagen bilden in vorteilhafter Weise eine glatte, ebene und stabile Auflage für die protonenleitende Membran der Membran-Elektroden-Anordnung. Diese Membran befindet sich im endmontierten Zustand der Membran-Elektroden- Anordnung zwischen zwei Gasdiffusionselektroden, wobei die eine der beiden Gasdiffusionselektroden im Falle beispielsweise der Wasserelektrolyse aus Titan (Sauerstoff-Seite) und die andere Gasdiffusionselektrode aus Edelstahl (Wasserstoff-Seite) gebildet ist.
Benachbarte Streckmetalllagen sind vorzugsweise in Kontaktpunkten ihrer einander zugewandten Flachseiten mittels Widerstands-Impulsschweißen flächenhaft miteinander verbunden, „Flächenhaft“ im Sinne der Erfindung meint dabei aufgrund der Gitterausgestaltung der Streckmetalllagen nicht vollflächig. Es findet aber im Sinne einer flächenhaften Ausgestaltung eine Verbindung in den Kontaktpunkten zweier benachbarten Streckmetalllager stat, die sich infolge der Giterausgestaltung der Streckmetalllagen regelmäßig über die gesamten einander zugewandten Flachseiten der Streckmetalllagen erstrecken. Es wird insofern nicht nur eine punktförmige Verbindung erreicht, sondern vielmehr eine solche, die insoweit flächenhaft ist, als dass sich in regelmäßiger Ausgestaltung zahllose Kontaktpunkte über die gesamte Oberfläche der einander in Kontakt stehenden Flachseiten benachbarter Streckmetalllagen ausbilden. Es wird so in vorteilhafter Weise ein sehr formstabiler Verbund an Streckmetalllagen bereitgestellt.
Die einzelnen Streckmetalllagen verfügen herstellungsbedingt über eine plastische Höhe, die größer ist, als die Blechdicke der als Ausgangsmaterial gewählten Metalltafeln. Diese plastische Höhe verleiht dem Streckmetall gewisse Federeigenschaften, die in vorteilhafter Weise bei einem Verbinden der Streckmetalllagen mittels Widerstands-Impulsschweißen erhalten bleibt. Die endfertig miteinander zu einem Verbund miteinander verschweißten Streckmetalllagen besitzen somit definierte Federeigenschaften, die sich anhand der Federkennlinien der einzelnen Streckmetalllagen berechnen und reproduzierbar ausbilden lassen. Es ist deshalb in vorteilhafterweise möglich, aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung nach der Erfindung gezielt Einfluss auf die spätere Kontaktkraft zwischen Gasdiffusionselektrode einerseits und daran anliegender Membran andererseits mit dem Ziel Einfluss zu nehmen, dass ein dauerhaft vollflächiges und sicheres Anliegen der Membran an der oder den zugeordneten Gasdiffusionselektroden sichergestellt ist. Gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Sintern hat das Verbinden mittels Widerstands-Impulsschweißen zudem den Vorteil, dass sich Streckmetalllagenverbunde mit definierter Dicke, das heißt einem geringen Toleranzmaß herstellen lassen, beispielsweise einem Toleranzmaß von +/- 0,5 mm, vorzugsweise von +/- 0,3 mm, noch mehr bevorzugt von +/- 0,05 mm. Ein solch geringes Toleranzmaß erweist sich insbesondere bei der
Verschaltung mehrerer Membran-Elektroden-Anordnungen zu einer Gesamtzelle als vorteilhaft, weil die sich negativ auf eine Membrankontaktierung auswirkenden
Setzerscheinungen minimiert sind.
Es ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass einige der
Streckmetalllagen jeweils Maschen mit unterschiedlicher Maschenweite aufweisen. Je
Streckmetalllage ist eine bestimmte Maschenweite vorgesehen. Diese Maschenweite kann von Streckmetalllage zu Streckmetalllage variieren. Diese Ausgestaltung ist insbesondere in zweierlei Hinsicht von Vorteil. Die wünschenswerterweise im bestimmungsgemäßen
Verwendungsfall zu erreichende turbulente Fluiddurchströmung wird so unterstützt. Ferner kommt es zu einer verungleichmäßigten Verteilung der sich zwischen den einzelnen
Streckmetalllagen ausbildenden Kontaktpunkten, was die Formstabilität des späteren
Verbundes zusätzlich fördert.
Es ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass die Maschen der an der Membran der Membran-Elektroden-Anordnung anliegenden Streckmetalllage die kleinste Maschenweite aufweist. Demgemäß ist mithin vorgesehen, dass die im bestimmungsgemäßen Anwendungsfall mit der Membran der Membran-Elektroden- Anordnung in Kontakt kommende Streckmetalllage ein möglichst feines Streckmetall aufweist. Es wird so der aufliegenden Membran in vorteilhafter Weise eine möglichst glatte, gleichwohl aber poröse Oberfläche bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Merkmal wird in diesem Zusammenhang vorgeschlagen, dass die Maschengröße der Maschen der Streckmetalllagen in Schichtdickenrichtung auf die an der Membran der Membran-Elektroden-Anordnung anliegende Streckmetalllage abnimmt. Demgemäß kommen in den membranentfernten inneren Lagen des Verbunds gröbere Streckmetalle zum Einsatz, wobei sich die Maschenweite in Richtung auf die Membran verringert, das heißt den gröberen Streckmetallen feinere Streckmetalle in Richtung auf die Membran nachfolgen. Die Aufgabe der gröberen Streckmetalle ist es dabei, einerseits eine stabile und ebene Fläche auszubilden, andererseits aber auch eine gewisse Federwirkung aufzubauen. Diese Federwirkung entsteht durch ausgesuchte Streckmetallkombinationen und kann in einem weiten Bereich variiert werden. Es kann so gezielt Einfluss auf den Federkennwert des späteren Streckmetalllagenverbunds, das heißt der Gasdiffusionselektrode Einfluss genommen werden. Dabei ist die vom späteren Streckmetall lagenverbu nd ausgehende Federwirkung maßgeblich dafür, das im späteren Verwendungsfall sichere Anliegen der Membranen an den zugehörigen Gasdiffusionselektroden sicherzustellen. Dabei erlaubt es die erfindungsgemäße Ausgestaltung aufgrund ihrer Konstruktion, diese Federwirkung sehr genau einzustellen, weshalb sich die erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektroden insbesondere auch für die Hochdruckanwendung eignen, so zum Beispiel bei Drücken von über 30 bar, 40 bar, 50 bar und mehr.
Es ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung eine weitere Streckmetalllage vorgesehen, die mit der der an der Membran der Membran-Elektroden-Anordnung anliegenden Streckmetalllage gegenüberliegenden Streckmetalllage verbunden ist. Es kommt demgemäß eine weitere Streckmetalllage zum Einsatz, die im endmontierten Zustand der Streckmetalllage gegenüberliegend ausgebildet ist, die im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall an der Membran der Membran-Elektroden- Anordnung anliegt. Diese weitere Streckmetalllage kann aus einem besonders groben Streckmetall gebildet sein und dient vorzugsweise der Bereitstellung einer genau definierten Federkraft. Es ist dabei in diesem Zusammenhang ferner vorgesehen, dass die weitere Streckmetalllage mit ihrer benachbarten Streckmeta II läge punktverschweißt ist, das heißt im Unterschied zu den anderen Streckmetalllagen nicht flächenhaft mit ihrer benachbarten
Streckmetalllage verbunden ist. Durch diese punktverschweißte Ausgestaltung ist sichergestellt, dass die von der weiteren Streckmetalllage bereitgestellten Federeigenschaften auch im späteren Streckmetalllagenverbund zur Verfügung stehen. Ein flächenhaftes Verschweißen würde indes zu einer Minimierung dieser von der weiteren Streckmetalllage bereitgestellten Federeigenschaften führen. Die Zielsetzung mit der weiteren Streckmetalllage besteht also nicht darin, den Streckmetalllagenverbund ergänzend zu stabilisieren, sondern vielmehr darin, eine Art Verspannungsmitel bereitzustellen, das insbesondere im Falle der Hochdruckanwendung dafür sorgt, dass die Gasdiffusionselektroden der einzelnen zu einem Stack miteinander kombinierten Membran- Elektroden-Anordnungen dauerhaft vollflächig an ihren zugehörigen Membranen anliegen, so dass eine zuverlässige Verwendung bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad sichergestellt ist, einhergehend mit einer durch die Punktschweißungen begründeten vorteilhaften Stromleitung.
Die Erfindung betrifft ferner eine Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, oder einer Elektrolysevorrichtung, insbesondere einer Elektrolysevorrichtung für die
Wasserelektrolyse, mit einer Membran, einer ersten Gasdiffusionselektrode gemäß der
Erfindung und einer zweiten Gasdiffusionselektrode, welche beide jeweils an gegenüberliegenden Seiten der Membran anliegen. Es ist dabei bevorzugt, dass die
Membran beidseitig mit einer Katalysatorschicht ausgerüstet ist und die erste
Gasdiffusionselektrode und die zweite Gasdiffusionselektrode jeweils unter
Zwischenordnung einer Katalysatorschicht an der Membran anliegen. Vorzugsweise ist auch die zweite Gasdiffusionselektrode durch eine erfindungsgemäße
Gasdiffusionselektrode gebildet.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Elektrolysevorrichtung, insbesondere für die Wasserelektrolyse, mit einer Membran-Elektroden-Anordnung gemäß der Erfindung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen die Figuren in rein schematischer Darstellung gemäß
Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung eine Membran-Elektroden-Anordnung;
Fig. 2 in einer Explosionsdarstellung eine Gasdiffusionselektrode;
Fig. 3 in einer Detailansicht ausschnittsweise eine Streckmetalllage;
Fig. 1 lässt in rein schematischer Darstellung eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 (auch membrane - electrode - assembly, kurz: MEA genannt) erkennen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt die Membran-Elektroden-Anordnung 1 über eine Membran 2, die beidseitig mit einer Katalysatorschicht 3 ausgerüstet ist. Zu diesen Katalysatorschichten
3 benachbart sind eine erste erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode 4 und eine zweite erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode 5 vorgesehen. Dabei kann die
Gasdiffusionselektrode 4 beispielsweise die Anodenseite und die Gasdiffusionselektrode 5 die Kathodenseite bilden.
Nach der Erfindung sind die Gasdiffusionselektroden 4 beziehungsweise 5 aus einzelnen Schichten von miteinander verschweißten Streckmetalllagen 6, 7, 8 gebildet, wie dies beispielhaft anhand der Gasdiffusionselektrode 4 in Fig. 2 dargestellt ist. Wie Fig. 2 erkennen lässt, verfügt die Gasdiffusionselektrode 4 im gezeigten
Ausführungsbeispiel über insgesamt sechs Streckmetalllagen, wobei Streckmetalllagen mit unterschiedlich großen Maschen vorgesehen sind. Es sind zwei Streckmetalllagen 6 mit verhältnismäßig kleinen Maschenweiten, drei Streckmetalllagen 7 mit größeren
Maschenweiten sowie eine Streckmetalllage 8 mit einer vergleichsweise groben
Maschenweite vorgesehen. Dabei nimmt die Maschenweite von grob zu fein in Richtung des Pfeils 11 , das heißt mit Bezug auf die Darstellung nach Fig. 1 in Richtung auf die an der
Gasdiffusionselektrode im endmontierten Zustand anliegende Membran 2 ab.
Mit Bezug auf die Darstellung nach Figur 2 ist die dem Verbund abgewandte Oberfläche der rechten äußersten Streckmetalllage 6 vollflächig mit Iridium beschichtet. Im vorliegenden Beispiel ist die linke äußere Streckmetalllage 8 beidseitig wenigstens bereichsweise mit Platin beschichtet. Die inneren Streckmetalllagen 7, 6 können vorliegend bereichsweise mit Platin beschichtet und/oder unbeschichtet ausgebildet sein. Insgesamt lässt sich hierdurch insbesondere die Leitfähigkeit des Streckmetallverbunds der Elektrode 4, 5 durch Senkung des ohmschen Widerstands verbessern. Insbesondere die Iridiumbeschichtung hat überdies
Vorteile mit Bezug auf Katalyse und Korrosionsbeständigkeit.
Fig. 3 lässt ausschnittsweise die Streckmetalllage 8 in einer Detailansicht erkennen. Wie sich aus der Darstellung ergibt, verfügt die Streckmetalllage 8 über eine Mehrzahl von rautenähnlich ausgebildeten Maschen 9, die jeweils die Maschenweite W aufweisen. Dabei ergibt sich die Längsausrichtung 10 der Streckmeta II läge 8 in Richtung der die
Maschengröße bestimmenden Maschenweite W.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die einzelnen Streckmetalllagen der
Gasdiffusionselektrode 4 beziehungsweise 5 miteinander in Kontaktpunkten ihrer einander zugewandten Flachseiten verschweißt sind. Damit entsteht ein insgesamt als flächenhaft zu bezeichnende Kontaktverbindung zwischen benachbarten Streckmetalllagen. Die weitere
Streckmetalllage 8 ist mit dem aus den Streckmetalllagen 6 und 7 gebildeten Verbund nicht flächenhaft, sondern nur punktweise verbunden, was durch Punktschweißen erreicht ist.
Bezugszeichen
1 Membran-Elektroden-Anordnung
2 Membran
3 Katalysatorschicht 4 Gasdiffusionselektrode
5 Gasdiffusionselektrode
6 Streckmetall läge
7 Streckmetall läge 8 Streckmetalllage
9 Masche
10 Längsausrichtung
11 Pfeil W Maschenweite

Claims

Patentansprüche
1. Gasdiffusionselektrode für eine Membran-Elektroden-Anordnung zum Einsatz in einer
Brennstoffzelle oder einer Elektrolysevorrichtung, aufweisend einen Verbund aus einer
Mehrzahl von schichtweise angeordneten Streckmetalllagen (6, 7, 8), wobei eine einendseitig des Verbunds angeordnete äußere Streckmetall läge (6) dazu dient, mit ihrer dem Verbund abgewandten Oberfläche an der Membran (2) der Membran- Elektroden-Anordnung (1) anzuliegen, wobei die dem Verbund abgewandte Oberfläche dieser äußeren Streckmetalllage (6) mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung aus Iridium und/oder einer iridiumhaltigen Verbindung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die dem Verbund abgewandte Oberfläche dieser äußeren Streckmetalllage (6) mit Iridium und/oder einer iridiumhaltigen Verbindung beschichtet ist und dass eine dem Verbund abgewandte Oberfläche einer anderendseitig des Verbundes angeordneten, zweiten äußeren Streckmetall läge (8) mit Platin und/oder einer platinhaltigen Verbindung beschichtet ist.
2. Gasdiffusionselektrode nach Ansprüche 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund zumindest bereichsweise unbeschichtete Streckmetalllagen (6, 7, 8) aufweist, wobei zur Bildung des Verbunds beschichtete und zumindest bereichsweise unbeschichtete
Streckmetalllagen (6, 7, 8) miteinander verschweißt und verpresst sind.
3. Gasdiffusionselektrode nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Streckmetalllagen (6, 7, 8) jeweils Maschen mit unterschiedlicher Maschenweite
(W) aufweisen.
4. Gasdiffusionselektrode nach Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschen der an der Membran (2) der Membran-Elektroden-Anordnung (1) anliegenden
Streckmetall läge (6) die kleinste Maschenweite (W) aufweist.
5. Gasdiffusionselektrode nach Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Maschenweite (W) der Maschen der Streckmetall lagen (6, 7, 8) in
Schichtdickenrichtung (11) auf die an der Membran (2) der Membran-Elektroden-
Anordnung (1 ) anliegende Streckmetalllage (6) abnimmt
6. Gasdiffusionselektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Streckmetalllage vorgesehen ist, die mit der der an der Membran (2) der Membran-Elektroden-Anordnung (1) anliegenden
Streckmetalllage (6) gegenüberliegenden Streckmetalllage (8) verbunden ist.
7. Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer
Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, oder einer Elektrolysevorrichtung, insbesondere einer Elektrolysevorrichtung für die Wasserelektrolyse, mit einer
Membran (2), einer ersten und zweiten Gasdiffusionselektrode (4, 5) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, welche beide jeweils an gegenüberliegenden Seiten der Membran (2) anliegen.
8. Membran-Elektrode-Anordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Membran (2) beidseitig mit einer Katalysatorschicht (3) ausgerüstet ist und die erste
Gasdiffusionselektrode (4) und die zweite Gasdiffusionselektrode (5) jeweils unter Zwischenordnung einer Katalysatorschicht (3) an der Membran (2) anliegen.
9. Elektrolysevorrichtung, insbesondere für die Wasserelektrolyse, mit einer Membran- Elektroden-Anordnung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8.
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