DE102018105115A1 - Electrode, cell unit and electrolyzer - Google Patents

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Abstract

Um eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Elektrolyseur, umfassend ein Trägerelement mit einer mindestens einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht, welche aktive Schicht eine Anlagefläche zum Anlegen an eine Ionenaustauschmembran definiert, so zu verbessern, dass der Betrieb elektrochemischer Zellen verbessert wird, wird vorgeschlagen, dass das Trägerelement in einer Richtung quer zur Anlagefläche eine in Richtung auf die Anlagefläche hin abnehmende Porosität und/oder abnehmendem Porendurchmesser aufweist.Ferner werden eine verbesserte Zelleneinheit, ein verbesserter Elektrolyseur sowie verbesserte Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, einer Zelleneinheit und eines Elektrolyseurs vorgeschlagen.In order to improve an electrode for an electrochemical cell, in particular for an electrolyzer, comprising a carrier element with an active layer comprising at least one catalyst, which active layer defines a contact surface for application to an ion exchange membrane, so that the operation of electrochemical cells is improved It is proposed that the carrier element has a porosity and / or a decreasing pore diameter decreasing in a direction transverse to the contact surface. Furthermore, an improved cell unit, an improved electrolyzer and improved methods for producing an electrode, a cell unit and an electrolyzer are proposed ,

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Elektrolyseur, umfassend ein Trägerelement mit einer mindestens einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht, welche aktive Schicht eine Anlagefläche zum Anlegen an eine Ionenaustauschmembran definiert.The present invention relates to an electrode for an electrochemical cell, in particular for an electrolyzer, comprising a carrier element with an active layer containing at least one catalyst, which active layer defines a contact surface for application to an ion exchange membrane.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Zelleneinheit für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Elektrolyseur, welche Zelleneinheit eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Ionenaustauschmembran umfasst.Furthermore, the present invention relates to a cell unit for an electrochemical cell, in particular for an electrolyzer, which cell unit comprises a first electrode, a second electrode and an ion exchange membrane arranged between the first electrode and the second electrode.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Elektrolyseur, umfassend zwei Bipolarplatten und eine zwischen den beiden Bipolarplatten angeordnete Zelleneinheit.Furthermore, the present invention relates to an electrolyzer comprising two bipolar plates and a cell unit arranged between the two bipolar plates.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Elektrolyseur, bei welchem Verfahren ein Trägerelement mit einer mindestens einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht ausgebildet wird, welche aktive Schicht eine Anlagefläche zum Anlegen an eine Ionenaustauschmembran definiert.Furthermore, the present invention relates to a method for producing an electrode for an electrochemical cell, in particular for an electrolyzer, in which method a carrier element is formed with an active layer containing at least one catalyst, which active layer defines a contact surface for application to an ion exchange membrane.

Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Zelleneinheit für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Elektrolyseur, bei welchem Verfahren eine Ionenaustauschmembran zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet wird.Moreover, the present invention relates to a method for manufacturing a cell unit for an electrochemical cell, in particular for an electrolyzer, in which method an ion exchange membrane is arranged between a first electrode and a second electrode.

Und schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrolyseurs, bei welchem eine Zelleneinheit zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet wird.Finally, the present invention relates to a method for manufacturing an electrolyzer, in which a cell unit is arranged between two bipolar plates.

Wasserstoff gewinnt als Energieträger für die Zukunft zunehmend an Bedeutung. Insbesondere kann Wasserstoff auf einfache Weise durch Elektrolyse von Wasser hergestellt werden. Derzeit bilden Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (PEMWE) und alkalische Wasserelektrolyseure (AWE) die Haupttechnologien. Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure weisen den Nachteil auf, dass sie mit hohen Investitionskosten verbunden sind, und zwar aufgrund der erforderlichen Edelmetallkatalysatoren und Bipolarplatten auf Basis von Titan. Herkömmliche alkalische Wasserelektrolyseure haben den Nachteil, dass sie nur mit geringen Stromdichten betreibbar sind, einen geringen Betriebsdruck aufweisen und zudem der erzeugte Wasserstoff nur von eingeschränkter Reinheit ist.Hydrogen is becoming increasingly important as an energy source for the future. In particular, hydrogen can be prepared in a simple manner by electrolysis of water. Currently, proton exchange membrane water electrolyzers (PEMWE) and alkaline water electrolysers (AWE) are the major technologies. Proton exchange membrane water electrolysers have the disadvantage that they are associated with high investment costs, due to the required precious metal catalysts and bipolar plates based on titanium. Conventional alkaline water electrolysers have the disadvantage that they can only be operated with low current densities, have a low operating pressure and, in addition, the hydrogen produced is only of limited purity.

Vergleichbare Probleme existieren auch für andere elektrochemische Zellen und Reaktoren, insbesondere auch für Brennstoffzellen.Similar problems exist for other electrochemical cells and reactors, especially for fuel cells.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrode, eine Zelleneinheit, einen Elektrolyseur, ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, ein Verfahren zum Herstellen einer Zelleneinheit sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrolyseurs der jeweils eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass der Betrieb elektrochemischer Zellen verbessert wird.It is therefore an object of the present invention to improve an electrode, a cell unit, an electrolyzer, a method for producing an electrode, a method for manufacturing a cell unit and a method for producing an electrolyzer of the type described in each case such that the operation electrochemical cells is improved.

Diese Aufgabe wird bei einer Elektrode der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Trägerelement in einer Richtung quer zur Anlagefläche eine in Richtung auf die Anlagefläche hin abnehmende Porosität und/oder einen in Richtung auf die Anlagefläche hin abnehmenden Porendurchmesser aufweist.This object is achieved in an electrode of the type described above according to the invention in that the carrier element in a direction transverse to the contact surface has a decreasing in the direction of the contact surface porosity and / or decreasing in the direction of the contact surface pore diameter.

Mit anderen Worten nehmen die Porosität und/oder der Porendurchmesser des Trägerelements ausgehend von der Anlagefläche zu. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, beispielsweise bei Elektrolyseuren erzeugte Gase aufgrund der von der Anlagefläche weg zunehmenden Porosität und/oder des zunehmenden Porendurchmessers des Trägerelements hocheffizient abzuleiten. Eine verbesserte Ableitung der bei der Elektrolyse entwickelten Gase ermöglicht zudem, eine Elektrolysezelle unter hohem Druck und mit einer hohen Stromdichte betreiben zu können. Eine sich ändernde Porosität und/oder ein sich ändernder Porendurchmesser kann insbesondere durch unterschiedliche Netz- oder Gitterstrukturen oder dergleichen, aber auch durch gewebte Materialien zur Ausbildung des Trägerelements erzielt werden. Eine sich ändernde Porosität kann beispielsweise auch durch poröse Beschichtungen und/oder poröse Schichten erreicht werden, bei denen sich eine Porosität von Beschichtung zu Beschichtung oder von Schicht zu Schicht ändert. Insbesondere können unterschiedliche Porendurchmesser durch eine Größe eingesetzter Pulverteilchen oder Partikel eingestellt werden.In other words, the porosity and / or the pore diameter of the carrier element increase starting from the contact surface. This embodiment makes it possible, for example, to derive highly efficient gases produced in electrolyzers on account of the porosity which increases away from the contact surface and / or the increasing pore diameter of the carrier element. An improved derivation of the gases developed during the electrolysis also makes it possible to operate an electrolysis cell under high pressure and with a high current density. A changing porosity and / or a changing pore diameter can be achieved in particular by different mesh or lattice structures or the like, but also by woven materials for forming the carrier element. A changing porosity can also be achieved, for example, by means of porous coatings and / or porous layers in which a porosity changes from coating to coating or from layer to layer. In particular, different pore diameters can be set by a size of powder particles or particles used.

Günstig ist es, wenn die aktive Schicht durch Plasmabeschichtung, durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), durch Laserspritzen, galvanisch oder durch Flammspritzen, insbesondere durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Kaltgasspritzen, ausgebildet ist. Mit den angegebenen Beschichtungsverfahren lassen sich aktive, mindestens einen Katalysator enthaltende Schichten in gewünschter Weise mit gewünschten Dicken, Porositäten und/oder Porendurchmessern, die einen optimalen Betrieb der elektrochemischen Zelle sicherstellen, ausbilden. Weitere mögliche Verfahren zum Ausbilden der aktiven Schicht sind insbesondere Verfahren zum nassen Auftragen von Katalysator-Lösungsmittel-Zusatz-Gemischen wie Siebdruck, Rakelverfahren, Spritzen, Airbrushen, Foliengießen, Tintenstrahldrucken sowie trockene Verfahren wie Trockensprühverfahren mit Pressen oder Walzen. It is favorable if the active layer is formed by plasma coating, by physical vapor deposition (PVD), by laser spraying, galvanically or by flame spraying, in particular by high-speed flame spraying or cold gas spraying. The coating methods described can be used to form active layers containing at least one catalyst in the desired manner with desired thicknesses, porosities and / or pore diameters which ensure optimum operation of the electrochemical cell. Other possible methods for forming the active layer are in particular methods for wet application of catalyst-solvent-additive mixtures such as screen printing, doctor blade method, spraying, airbrushing, film casting, ink jet printing and dry processes such as dry spraying with presses or rollers.

Vorteilhaft ist es, wenn die durch Plasmabeschichtung ausgebildete aktive Schicht durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), Schutzgas Plasmaspritzen, Vakuum Plasmaspritzen (VPS), Kalt-Plasmaspritzen, Induktionsplasmaspritzen, flüssigkeitsstabilisiertes Plasmaspritzen oder Überdruck Plasmaspritzen ausgebildet ist. Insbesondere durch atmosphärisches Plasmaspritzen ausgebildete aktive Schichten ermöglichen im Vergleich zu aktiven Schichten, die durch Vakuum-Plasmaspritzen ausgebildet sind, die Herstellungskosten für die Elektrode signifikant zu reduzieren.It is advantageous if the active layer formed by plasma coating is formed by atmospheric plasma spraying (APS), protective gas plasma spraying, vacuum plasma spraying (VPS), cold plasma spraying, induction plasma spraying, liquid-stabilized plasma spraying or plasma spraying overpressure. In particular, active layers formed by atmospheric plasma spraying make it possible to significantly reduce the manufacturing costs for the electrode compared to active layers formed by vacuum plasma spraying.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die aktive Schicht insbesondere zur Ausbildung eines Anionenaustauschmembran-Elektrolyseurs Ni, NiFe, NiCo, NiMo, NiCoFe, NiMoFe, NiCoMo, NixAlyMoz oder Oxide dieser Elemente und Verbindungen oder wasserhaltige Oxide dieser Elemente und Verbindungen enthält. Die angegebenen Elemente und Verbindungen ermöglichen es insbesondere, hocheffiziente Anionenaustauschmembran-Elektrolyseure auszubilden. Zudem können diese elektrochemischen Zellen mit deutlich geringeren Kosten ausgebildet werden als beispielsweise Edelmetallkatalysatoren enthaltende Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure.According to a preferred embodiment of the invention it can be provided that the active layer in particular for forming an anion exchange membrane electrolyzer Ni, NiFe, NiCo, NiMo, NiCoFe, NiMoFe, NiCoMo, Ni x Al y Mo z or oxides of these elements and compounds or hydrous oxides contains these elements and compounds. The specified elements and compounds make it possible in particular to form highly efficient anion exchange membrane electrolyzers. In addition, these electrochemical cells can be formed at significantly lower cost than, for example, proton exchange membrane electrolyzers containing precious metal catalysts.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die aktive Schicht insbesondere zur Ausbildung eines Protonenaustauschmembran-Elektrolyseurs Pt, Ir, Ru, IrRu oder Oxide dieser Elemente oder Verbindungen enthält. Insbesondere für Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure lassen sich mit den genannten Elementen und Verbindungen hocheffiziente Katalysatoren bereitstellen, die eine optimale Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) sowie eine optimale Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) ermöglichen.Furthermore, it is advantageous if the active layer, in particular for forming a proton exchange membrane electrolyzer, contains Pt, Ir, Ru, IrRu or oxides of these elements or compounds. In particular, for proton exchange membrane electrolyzers can be provided with said elements and compounds highly efficient catalysts that allow optimal hydrogen evolution reaction (HER) and an optimal oxygen evolution reaction (OER).

Ferner kann es günstig sein, wenn die aktive Schicht insbesondere zur Ausbildung eines CO2-Reduktions-Membranreaktors Cu, In, Sn, Pb oder Oxide dieser Elemente enthält. Elektrochemische Zellen mit derartigen aktiven Schichten ermöglichen einen effizienten Betrieb eines CO2-Reduktions-Membranreaktors zum Reduzieren von CO2.Furthermore, it may be favorable if the active layer contains Cu, In, Sn, Pb or oxides of these elements, in particular for forming a CO 2 reduction membrane reactor. Electrochemical cells having such active layers enable efficient operation of a CO 2 reduction membrane reactor for reducing CO 2 .

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die aktive Schicht insbesondere zur Ausbildung eines Ammoniak-Synthese-Membranreaktors Ru, Pt, Fe, Ni, Mo, Rh, Sc, Y, Ti, Zr, Legierungen aus diesen Elementen oder korrespondierende Nitride dieser Elemente enthält. Aktive Schichten, die die genannten Elemente, Legierungen und Nitride dieser Elemente als Katalysatoren enthalten, ermöglichen eine effiziente Synthese von Ammoniak.In addition, it is advantageous if the active layer, in particular for forming an ammonia synthesis membrane reactor, contains Ru, Pt, Fe, Ni, Mo, Rh, Sc, Y, Ti, Zr, alloys of these elements or corresponding nitrides of these elements. Active layers containing these elements, alloys and nitrides of these elements as catalysts enable efficient synthesis of ammonia.

Günstig ist es, wenn die Porosität und/oder der Porendurchmesser des Trägerelements in Richtung auf die Anlagefläche hin kontinuierlich und/oder in mindestens einem diskreten Schritt abnimmt. Beispielsweise kann das Trägerelement zwei Schichten unterschiedlicher Porosität und/oder unterschiedlichem Porendurchmesser aufweisen, sodass die Porosität und/oder der Porendurchmesser beim Übergang von der einen Schicht zu der anderen Schicht in einem diskreten Schritt abnimmt. Mehr als zwei Schichten ermöglichen dann eine entsprechende Anzahl diskreter Schritte zur Änderung der Porosität und/oder des Porendurchmessers. Die Ausbildung von Trägerelementen, deren Porosität und/oder Porendurchmesser in mindestens einem diskreten Schritt in der der angegebenen Richtung abnimmt, ist auf einfache Weise möglich, beispielsweise durch Verbinden von Materialschichten unterschiedlicher Porosität und/oder unterschiedlichem Porendurchmesser. Um einen kontinuierlichen verbesserten Abtransport sich entwickelnder Gase zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn sich die Porosität und/oder der Porendurchmesser des Trägerelements kontinuierlich ändert. Es sind jedoch auch Kombinationen von sich kontinuierlich ändernden Bereichen des Trägerelements und von Bereichen, deren Porosität und/oder Porendurchmesser über eine bestimmte Dicke konstant ist und sich in diskreten Schritten beim Übergang zu einem oder mehreren Schichten des Trägerelements ändert, möglich. So lassen sich Gase definiert und optimiert insbesondere bei einem Elektrolyseur von der Anlagefläche weg ableiten oder beispielsweise bei einer Brennstoffzelle zur Anlagefläche hin leiten.It is favorable if the porosity and / or the pore diameter of the carrier element decrease continuously in the direction of the contact surface and / or in at least one discrete step. For example, the carrier element may have two layers of different porosity and / or different pore diameter, so that the porosity and / or the pore diameter decreases in the transition from the one layer to the other layer in a discrete step. More than two layers then allow a corresponding number of discrete steps to change the porosity and / or pore diameter. The formation of carrier elements whose porosity and / or pore diameter decreases in at least one discrete step in the specified direction is possible in a simple manner, for example by joining material layers of different porosity and / or different pore diameter. In order to achieve a continuous improved removal of evolving gases, it is advantageous if the porosity and / or the pore diameter of the carrier element changes continuously. However, combinations of continuously changing regions of the carrier element and of regions whose porosity and / or pore diameter is constant over a certain thickness and changes in discrete steps in the transition to one or more layers of the carrier element are also possible. In this way, gases can be defined and optimized, especially in the case of an electrolyzer, derived from the contact surface or, for example, lead to the contact surface in the case of a fuel cell.

Vorzugsweise nehmen die Porosität und/oder der Porendurchmesser des Trägerelements in Richtung auf die Anlagefläche hin in mehreren diskreten Schritten ab. Ein solches Trägerelement lässt sich wie beschrieben auf einfache Weise herstellen, indem unterschiedliche Schichten mit unterschiedlicher Porosität und/oder Porendurchmesser miteinander flächig verbunden werden.The porosity and / or the pore diameter of the carrier element preferably decrease in the direction of the contact surface in a plurality of discrete steps. Such a support element can be like described in a simple manner, by different layers with different porosity and / or pore diameter are connected to each other surface.

Günstig ist es, wenn das Trägerelement mindestens zwei Trägerelementschichten unterschiedlicher Porosität und/oder Porendurchmesser umfasst. Insbesondere kann das Trägerelement zwei, drei, vier oder mehr Trägerelementschichten umfassen. Das Trägerelement kann so beispielsweise durch flächiges Verbinden der Trägerelementschichten ausgebildet werden.It is favorable if the carrier element comprises at least two carrier element layers of different porosity and / or pore diameter. In particular, the carrier element may comprise two, three, four or more carrier element layers. The carrier element can thus be formed, for example, by planar connection of the carrier element layers.

Um einen Herstellungsaufwand und damit verbundene Kosten zu vermindern, ist es vorteilhaft, wenn das Trägerelement maximal 20 Trägerelementschichten unterschiedlicher Porosität und/oder Porendurchmesser umfasst. Ferner kann durch eine Begrenzung einer Anzahl der Trägerelementschichten auch eine Dicke des Trägerelements begrenzt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen in einem begrenzten Volumen ausgebildet werden sollen.In order to reduce production costs and associated costs, it is advantageous if the carrier element comprises a maximum of 20 carrier element layers of different porosity and / or pore diameter. Furthermore, by limiting a number of carrier element layers, it is also possible to limit a thickness of the carrier element. This is particularly advantageous when a plurality of electrochemical cells are to be formed in a limited volume.

Vorzugsweise ist die Porosität und/oder der Porendurchmesser der mindestens zwei Trägerelementschichten homogen oder im Wesentlichen homogen. So kann insbesondere eine Ableitung sich entwickelnder Gase von der Anlagefläche weg in gewünschter Weise sichergestellt werden. Die Porosität und/oder der Porendurchmesser kann insbesondere senkrecht und/oder parallel zu einer von den mindestens zwei Trägerelementschichten definierten Ebene homogen oder im Wesentlichen homogen vorgesehen werden.Preferably, the porosity and / or the pore diameter of the at least two carrier element layers is homogeneous or substantially homogeneous. In particular, a derivative of evolving gases away from the contact surface can be ensured in the desired manner. The porosity and / or the pore diameter may in particular be provided homogeneously or substantially homogeneously perpendicular and / or parallel to a plane defined by the at least two carrier element layers.

Um das Ableiten sich entwickelnder Gase insbesondere bei Elektrolyseuren weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn eine Trägerelementschicht mit größerer Porosität und/oder größerem Porendurchmesser dicker ist als eine Trägerelementschicht mit geringerer Porosität und/oder geringerem Porendurchmesser.In order to further improve the removal of evolving gases, in particular in the case of electrolysers, it is advantageous if a carrier element layer having a greater porosity and / or larger pore diameter is thicker than a carrier element layer having a lower porosity and / or a smaller pore diameter.

Einfach und kostengünstig ausbilden lässt sich das Trägerelement aus Edelstahl, Nickel, einer Nickellegierung, Titan, einer Titanlegierung oder Graphit.The carrier element can be made simple and cost-effective from stainless steel, nickel, a nickel alloy, titanium, a titanium alloy or graphite.

Die Herstellung einer Elektrode lässt sich weiter vereinfachen und insbesondere auch kostengünstig realisieren, wenn das Trägerelement in Form eines Streckmetalls, eines Drahtgewebes, eines Metallnetzes, eines Lochblechs, eines Vlieses, eines Metallschaums oder einer Sinterstruktur ausgebildet ist. Streckmetalle und Drahtgewebe sind insbesondere in Form von metallischen Maschenverbünden ausgebildet, kostengünstig und in zahlreichen unterschiedlichen Maschenweiten und Materialien verfügbar. So lassen sich mit Streckmetallen insbesondere auch Trägerelemente mit zwei oder mehr Trägerelementschichten unterschiedlicher Porosität und/oder Porendurchmesser auf einfache und kostengünstige Weise realisieren.The production of an electrode can be further simplified and, in particular, realized cost-effectively, if the carrier element in the form of an expanded metal, a wire mesh, a metal mesh, a perforated plate, a non-woven, a metal foam or a sintered structure is formed. Expanded metals and wire mesh are in particular in the form of metallic mesh composites, inexpensive and available in many different mesh sizes and materials. In particular, carrier elements with two or more carrier element layers of different porosity and / or pore diameter can be realized in a simple and cost-effective manner with expanded metals.

Vorteilhaft ist es, wenn das Trägerelement eine Porosität in einem Bereich von etwa 10% bis etwa 80%, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 15% bis etwa 50%, aufweist. Insbesondere kann die Porosität ausgehend von der aktiven Schicht von etwa 10% auf etwa 80% zunehmen, beispielsweise auch von etwa 15% auf etwa 50%. Trägerelemente mit Porositäten in den angegebenen Bereich ermöglichen ein optimales Ableiten entstandener Gase von der Anlagefläche weg.It is advantageous if the carrier element has a porosity in a range from about 10% to about 80%, preferably in a range from about 15% to about 50%. In particular, the porosity from the active layer may increase from about 10% to about 80%, for example from about 15% to about 50%. Carrier elements with porosities in the specified range allow optimal removal of gases generated away from the contact surface.

Damit sich entwickelnde Gase in einer elektrochemischen Zelle insbesondere schnell und sicher von dem Ort weg geleitet werden können, an dem sie entstehen, ist es günstig, wenn die aktive Schicht porös ausgebildet ist.In order that evolving gases in an electrochemical cell can in particular be conducted quickly and safely away from the place where they are formed, it is favorable if the active layer is porous.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die aktive Schicht das Trägerelement bildet. Dies bedeutet insbesondere, dass auch die aktive Schicht eine sich von der Anlagefläche weg gerichtete, zunehmende Porosität und/oder einen zunehmenden Porendurchmesser aufweist. Die aktive Schicht als Trägerelement vorzusehen hat insbesondere den Vorteil, dass keine weiteren Elemente zur Ausbildung der Elektrode benötigt werden. Beispielsweise kann die aktive Schicht mehrere Lagen unterschiedlicher Porositäten und/oder Porendurchmesser aufweisen, die dann eine Zunahme der Porosität und/oder der Porendurchmesser in diskreten Schritten von der Anlagefläche weg ermöglichen. Eine Porosität und/oder ein Porendurchmesser innerhalb der Lagen kann homogen sein oder ebenfalls von der Anlagefläche weg gerichtet zunehmen. Optional kann die aktive Schicht auf einem Substrat ausgebildet werden. Als Substrat können insbesondere Metallgitter oder -netze genutzt werden.According to a preferred embodiment of the invention it can be provided that the active layer forms the carrier element. This means, in particular, that the active layer also has an increasing porosity directed away from the contact surface and / or an increasing pore diameter. The provision of the active layer as a carrier element has the particular advantage that no further elements for forming the electrode are required. For example, the active layer may have multiple layers of different porosities and / or pore diameters, which then allow for an increase in porosity and / or pore diameters in discrete steps away from the abutment surface. Porosity and / or pore diameter within the layers may be homogeneous or may also increase away from the abutment surface. Optionally, the active layer may be formed on a substrate. In particular metal grids or nets can be used as the substrate.

Eine besonders kompakte Elektrode kann insbesondere dadurch hergestellt werden, dass die aktive Schicht selbsttragend ausgebildet ist. Es wird also kein weiteres Trägerelement benötigt, auf dem die aktive Schicht aufgebracht wird. Insbesondere kann die aktive Schicht durch Herstellungsverfahren wie oben angegeben ausgebildet werden.A particularly compact electrode can be produced, in particular, in that the active layer is self-supporting. Thus, no further carrier element is required on which the active layer is applied. In particular, the active layer may be formed by manufacturing methods as stated above.

Vorzugsweise umfasst die aktive Schicht mindestens zwei Schichtlagen unterschiedlicher Porosität und/oder Porendurchmesser. Insbesondere können zwei, drei, vier oder mehr Schichtlagen vorgesehen sein. Die mindestens zwei Schichtlagen können durch ein oder mehrere der oben beschriebenen Verfahren zur Ausbildung der aktiven Schicht hergestellt sein. Insbesondere können auch zwei oder mehr Schichtlagen zur Ausbildung der aktiven Schicht mit zwei oder mehr Trägerelementschichten kombiniert werden. Preferably, the active layer comprises at least two layers of different porosity and / or pore diameter. In particular, two, three, four or more layer layers may be provided. The at least two layer layers may be made by one or more of the above described methods of forming the active layer. In particular, two or more layer layers for forming the active layer can also be combined with two or more carrier element layers.

Vorteilhaft ist es, wenn eine Trägerelementdicke des Trägerelements in einem Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 30 mm liegt. Je nachdem, ob die aktive Schicht das Trägerelement bildet und selbsttragend ausgebildet ist oder nicht, können so insbesondere sehr dünne Elektroden ausgebildet werden.It is advantageous if a carrier element thickness of the carrier element is in a range of about 0.01 mm to about 30 mm. Depending on whether the active layer forms the carrier element and is self-supporting or not, in particular very thin electrodes can be formed.

Vorzugsweise liegt eine Trägerelementschichtdicke einer Trägerelementschicht in einem Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 30 mm. Insbesondere können Trägerelementschichten mit unterschiedlichen Schichtdicken vorgesehen sein, insbesondere abhängig davon, ob sie durch eine aktive Schicht gebildet werden oder nicht.Preferably, a carrier element layer thickness of a carrier element layer is in a range of about 0.01 mm to about 30 mm. In particular, carrier element layers with different layer thicknesses can be provided, in particular depending on whether they are formed by an active layer or not.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer Zelleneinheit der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode in Form einer der oben beschriebenen Elektroden ausgebildet sind.The object stated in the introduction is also achieved according to the invention in a cell unit of the type described in the introduction in that the first electrode and / or the second electrode are in the form of one of the electrodes described above.

Die Zelleneinheit weist dann insbesondere die oben in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen von Elektroden beschriebenen Vorteile auf. Insbesondere können eine oder auch beide Elektroden der Zelleneinheit in Form einer der oben beschriebenen Elektroden ausgebildet sein. Die Zelleneinheit kann insbesondere ausgebildet werden, indem die Elektroden und die Ionenaustauschmembran miteinander flächig zusammengefügt werden, insbesondere zusammengepresst.The cell unit then has, in particular, the advantages described above in connection with preferred embodiments of electrodes. In particular, one or even both electrodes of the cell unit may be in the form of one of the electrodes described above. The cell unit can in particular be formed by the electrodes and the ion exchange membrane are joined together flat, in particular pressed together.

Zur Ausbildung eines Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs ist es günstig, wenn die Ionenaustauschmembran in Form einer Anionenaustauschmembran ausgebildet ist. Zur Ausbildung eines Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs ist es vorteilhaft, wenn die Ionenaustauschmembran in Form einer Protonenaustauschmembran ausgebildet ist. Die Anionenaustauschmembran ermöglicht es insbesondere, als sogenannter fester Elektrolyt und Separator zwischen Anode und Kathode einer elektrochemischen Zelle eingesetzt zu werden.For the formation of an anion exchange membrane water electrolyzer, it is favorable if the ion exchange membrane is in the form of an anion exchange membrane. To form a proton exchange membrane water electrolyzer, it is advantageous if the ion exchange membrane is in the form of a proton exchange membrane. The anion exchange membrane makes it possible in particular to be used as a so-called solid electrolyte and separator between the anode and cathode of an electrochemical cell.

Vorteilhaft ist es, wenn die Ionenaustauschmembran eine erste Elektrodenseitenfläche und eine zweite Elektrodenseitenfläche umfasst und wenn die erste und/oder die zweite Elektrodenseitenfläche mit einer einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht versehen sind. Unter der ersten und zweiten Elektrodenseitenfläche sind insbesondere die Seitenflächen der Ionenaustauschmembran zu verstehen, die mit der jeweiligen Elektrode, also der Kathode oder Anode, flächig in Kontakt stehen. Die beschriebene Ausgestaltung ermöglicht es insbesondere, eine einen Katalysator enthaltende aktive Schicht direkt auf die Ionenaustauschmembran aufzubringen, und zwar sowohl auf der der Anode als auch auf der der Kathode zugewandten Seitenfläche der Ionenaustauschmembran. Eine solche Ausgestaltung kann insbesondere auch kombiniert werden mit Elektroden, die ein Trägerelement mit einer mindestens einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht umfassen.It is advantageous if the ion exchange membrane comprises a first electrode side surface and a second electrode side surface, and if the first and / or the second electrode side surface are provided with an active layer containing a catalyst. The first and second side surfaces of the electrodes are to be understood as meaning, in particular, the side surfaces of the ion exchange membrane, which are in area contact with the respective electrode, that is to say the cathode or anode. In particular, the embodiment described makes it possible to apply an active layer containing a catalyst directly to the ion exchange membrane, both on the anode surface and on the side surface of the ion exchange membrane facing the cathode. Such a configuration can in particular also be combined with electrodes which comprise a carrier element with an active layer containing at least one catalyst.

Die eingangs gestellt Aufgabe wird ferner bei einem Elektrolyseur der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zelleneinheit in Form einer der oben beschriebenen Zelleneinheiten ausgebildet ist.The object set in the beginning is further achieved in an electrolyzer of the type described above according to the invention in that the cell unit is designed in the form of one of the cell units described above.

Ein derart weitergebildeter Elektrolyseur weist insbesondere die oben in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen von Zelleneinheiten beschriebenen Vorteile auf.Such a further developed electrolyzer has, in particular, the advantages described above in connection with preferred embodiments of cell units.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine elektrochemische Zelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Trägerelement mit einer in einer Richtung quer zur Anlagefläche in Richtung auf die Anlagefläche hin abnehmenden Porosität und/oder abnehmendem Porendurchmesser ausgebildet wird.The object stated at the outset is also achieved in a method for producing an electrode for an electrochemical cell according to the invention in that the carrier element is formed with a porosity and / or decreasing pore diameter decreasing in a direction transverse to the contact surface in the direction of the contact surface.

Wie oben beschrieben ermöglicht eine derartige Elektrode ein optimales Wegströmen beziehungsweise Ableiten von sich im Bereich der Anlagefläche entwickelnden Gase.As described above, such an electrode makes possible an optimal flow-away or discharge of gases which develop in the area of the contact surface.

In besonders definierter Weise und optional auch mit einer gewünschten Porosität und/oder einem gewünschten Porendurchmesser kann die Elektrode ausgebildet werden, wenn die aktive Schicht durch Plasmabeschichtung, durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), durch Laserspritzen, galvanisch oder durch Flammspritzen, insbesondere durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Kaltgasspritzen, ausgebildet wird. Insbesondere kann die Ausbildung der Schicht wie oben beschrieben realisiert werden.In a particularly defined manner and optionally also with a desired porosity and / or a desired pore diameter, the electrode can be formed when the active layer by plasma coating, by physical vapor deposition (PVD), by laser spraying, galvanic or by Flame spraying, in particular by high-speed flame spraying or cold gas spraying is formed. In particular, the formation of the layer can be realized as described above.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen einer Zelleneinheit für eine elektrochemische Zelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode gemäß einem der oben beschriebenen Verfahren zum Ausbilden einer Elektrode ausgebildet werden. The object stated in the introduction is achieved in a method for producing a cell unit for an electrochemical cell according to the invention in that the first electrode and / or the second electrode are formed according to one of the methods described above for forming an electrode.

Eine Zelleneinheit in dieser Weise auszubilden, weist die bereits oben im Zusammenhang mit Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine elektrochemische Zelle beschriebenen Vorteile auf.Forming a cell unit in this manner has the advantages already described above in connection with methods of manufacturing an electrode for an electrochemical cell.

Ferner wird die eingangs gestellte Aufgabe bei einem Verfahren zum Herstellen eines Elektrolyseurs erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zelleneinheit gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen einer Zelleneinheit für eine elektrochemische Zelle ausgebildet wird.Furthermore, in a method for producing an electrolyzer, the object stated at the outset is achieved according to the invention in that the cell unit is formed in accordance with the above-described method for producing a cell unit for an electrochemical cell.

Das wie vorgeschlagen weitergebildete Verfahren zum Herstellen eines Elektrolyseurs weist die bereits oben im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Herstellen einer Zelleneinheit für eine elektrochemische Zelle beschriebenen Vorteile auf.The method of manufacturing an electrolyzer as proposed has the advantages already described above in connection with the proposed method of manufacturing a cell unit for an electrochemical cell.

Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die nachfolgend in Form durchnummerierter Sätze definierten Ausführungsformen von Elektroden, Zelleneinheiten und Elektrolyseuren sowie von Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, einer Zelleneinheit und eines Elektrolyseurs:

  1. 1. Elektrode (32; 40; 64; 66) für eine elektrochemische Zelle (56), insbesondere für einen Elektrolyseur (58), umfassend ein Trägerelement (22; 84; 86) mit einer mindestens einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82), welche aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) eine Anlagefläche (36) zum Anlegen an eine Ionenaustauschmembran (44; 62) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22; 84; 86) in einer Richtung quer zur Anlagefläche (36) eine in Richtung auf die Anlagefläche (36) hin abnehmende Porosität und/ oder einen in Richtung auf die Anlagefläche hin abnehmenden Porendurchmesser aufweist.
  2. 2. Elektrode nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) durch Plasmabeschichtung, durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), durch Laserspritzen, galvanisch oder durch Flammspritzen, insbesondere durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Kaltgasspritzen, ausgebildet ist.
  3. 3. Elektrode nach Satz 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Plasmabeschichtung ausgebildete aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), Schutzgas Plasmaspritzen, Vakuum Plasmaspritzen (VPS), Kalt-Plasmaspritzen, Induktionsplasmaspritzen, flüssigkeitsstabilisiertes Plasmaspritzen oder Überdruck Plasmaspritzen ausgebildet ist.
  4. 4. Elektrode nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) insbesondere zur Ausbildung eines Anionenaustauschmembran-Elektrolyseurs Ni, NiFe, NiCo, NiMo, NiCoFe, NiMoFe, NiCoMo, NixAlyMoz oder Oxide dieser Elemente und Verbindungen oder wasserhaltige Oxide dieser Elemente und Verbindungen enthält.
  5. 5. Elektrode nach einem der Sätze 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) insbesondere zur Ausbildung eines Protonenaustauschmembran-Elektrolyseurs Pt, Ir, Ru, IrRu oder Oxide dieser Elemente und Verbindungen enthält.
  6. 6. Elektrode nach einem der Sätze 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) insbesondere zur Ausbildung eines CO2-Reduktions-Membranreaktors Cu, In, Sn, Pb oder Oxide dieser Elemente enthält.
  7. 7. Elektrode nach einem der Sätze 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) insbesondere zur Ausbildung eines Ammoniak-Synthese-Membranreaktors Ru, Pt, Fe, Ni, Mo, Rh, Sc, Y, Ti, Zr, Legierungen aus diesen Elementen oder korrespondierende Nitride dieser Elemente enthält.
  8. 8. Elektrode nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität und/oder der Porendurchmesser des Trägerelements (22) in Richtung auf die Anlagefläche (36) hin kontinuierlich und/ oder in mindestens einem diskreten Schritt abnimmt.
  9. 9. Elektrode nach Satz 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität und/oder der Porendurchmesser des Trägerelements (22; 84; 86) in Richtung auf die Anlagefläche (36) hin in mehreren diskreten Schritten abnimmt.
  10. 10. Elektrode nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22) mindestens zwei Trägerelementschichten (10, 12, 14) unterschiedlicher Porosität und/oder unterschiedlicher Porendurchmesser umfasst, insbesondere zwei, drei, vier oder mehr.
  11. 11. Elektrode nach Satz 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22) maximal 20 Trägerelementschichten (10, 12, 14) unterschiedlicher Porosität und/oder Porendurchmesser umfasst.
  12. 12. Elektrode nach Satz 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität und/oder der Porendurchmesser der mindestens zwei Trägerelementschichten (10, 12, 14) homogen oder im Wesentlichen homogen ist.
  13. 13. Elektrode nach einem der Sätze 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerelementschicht (10, 12, 14) mit größerer Porosität und/oder größerem Porendurchmesser dicker ist als eine Trägerelementschicht (10, 12, 14) mit kleinerer Porosität und/oder kleinerem Porendurchmesser.
  14. 14. Elektrode nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22) aus Edelstahl, Nickel, einer Nickellegierung, Titan, einer Titanlegierung oder Graphit ausgebildet ist.
  15. 15. Elektrode nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22) in Form eines Streckmetalls (24), eines Drahtgewebes, eines Metallnetzes, eines Lochblechs, eines Vlieses, eines Metallschaums oder einer Sinterstruktur ausgebildet ist.
  16. 16. Elektrode nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22; 84; 86) eine Porosität in einem Bereich von etwa 10% bis etwa 80%, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 15% bis etwa 50%, aufweist.
  17. 17. Elektrode nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48) porös ausgebildet ist.
  18. 18. Elektrode nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (80; 82) das Trägerelement (84; 86) bildet.
  19. 19. Elektrode nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (80; 82) selbsttragend ausgebildet ist.
  20. 20. Elektrode nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (80; 82) mindestens zwei Schichtlagen (68, 70, 72; 74, 76, 78) unterschiedlicher Porosität und/oder unterschiedlichem Porendurchmesser umfasst, insbesondere zwei, drei, vier oder mehr.
  21. 21. Elektrode nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerelementdicke (88) des Trägerelements (22; 84; 86) in einem Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 30 mm liegt.
  22. 22. Elektrode nach einem der Sätze 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerelementschichtdicke (26; 28; 30) einer Trägerelementschicht (10; 12; 14) in einem Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 30 mm liegt.
  23. 23. Zelleneinheit (38; 60) für eine elektrochemische Zelle (56), insbesondere für einen Elektrolyseur (58), welche Zelleneinheit (38;60) eine erste Elektrode (32: 64), eine zweite Elektrode ((40; 66) und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Ionenaustauschmembran (44; 62) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (32; 64) und/oder die zweite Elektrode (40; 66) in Form einer Elektrode (32; 40; 64; 66) nach einem der voranstehenden Sätze ausgebildet ist.
  24. 24. Zelleneinheit nach Satz 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenaustauschmembran (44; 62) in Form einer Anionenaustauschmembran (50) oder in Form einer Protonenaustauschmembran ausgebildet ist.
  25. 25. Zelleneinheit nach Satz 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenaustauschmembran (44; 62) eine erste Elektrodenseitenfläche und eine zweite Elektrodenseitenfläche umfasst und dass die erste und/oder die zweite Elektrodenseitenfläche mit einer einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht (46; 48) versehen sind.
  26. 26. Elektrolyseur (58), umfassend zwei Bipolarplatten (52, 54) und eine zwischen den beiden Bipolarplatten (52, 54) angeordnete Zelleneinheit (38; 60), dadurch gekennzeichnet, dass die Zelleneinheit (38; 60) in Form einer Zelleneinheit (38; 60) nach einem der Sätze 23 bis 25 ausgebildet ist.
  27. 27. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode (32; 40; 64; 66) für eine elektrochemische Zelle (56), insbesondere für einen Elektrolyseur (58), bei welchem Verfahren ein Trägerelement (22; 84; 86) mit einer mindestens einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) ausgebildet wird, welche aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) eine Anlagefläche (36) zum Anlegen an eine Ionenaustauschmembran (44; 62) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22; 84; 86) mit einer in einer Richtung quer zur Anlagefläche (36) in Richtung auf die Anlagefläche (36) hin abnehmenden Porosität und/oder abnehmendem Porendurchmesser ausgebildet wird.
  28. 28. Verfahren nach Satz 27, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) durch Plasmabeschichtung, durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), durch Laserspritzen, galvanisch oder durch Flammspritzen, insbesondere durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Kaltgasspritzen, ausgebildet wird.
  29. 29. Verfahren zum Herstellen einer Zelleneinheit (38; 60) für eine elektrochemische Zelle (56), insbesondere für einen Elektrolyseur (58), bei welchem Verfahren eine Ionenaustauschmembran (44; 62) zwischen einer ersten Elektrode (32; 64) und einer zweiten Elektrode (40; 66) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (32; 64) und/oder die zweite Elektrode (40; 66) gemäß einem Verfahren nach einem der Sätze 24 oder 25 ausgebildet werden.
  30. 30. Verfahren zum Herstellen eines Elektrolyseurs (58), bei welchem eine Zelleneinheit (38; 60) zwischen zwei Bipolarplatten (52; 54) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelleneinheit (38; 60) gemäß einem Verfahren nach Satz 29 ausgebildet wird.
The above description thus includes in particular the embodiments of electrodes, cell units and electrolyzers, which are defined below in the form of numbered sets, and of methods for producing an electrode, a cell unit and an electrolyzer:
  1. 1. electrode ( 32 ; 40 ; 64 ; 66 ) for an electrochemical cell ( 56 ), in particular for an electrolyzer ( 58 ), comprising a carrier element ( 22 ; 84 ; 86 ) with an active layer containing at least one catalyst ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ; 80 ; 82 ), which active layer ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ; 80 ; 82 ) a contact surface ( 36 ) for application to an ion exchange membrane ( 44 ; 62 ), characterized in that the carrier element ( 22 ; 84 ; 86 ) in a direction transverse to the contact surface ( 36 ) one in the direction of the contact surface ( 36 ) has decreasing porosity and / or decreasing in the direction of the contact surface pore diameter.
  2. 2nd electrode by set 1 , characterized in that the active layer ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ; 80 ; 82 ) is formed by plasma coating, by physical vapor deposition (PVD), by laser spraying, galvanically or by flame spraying, in particular by high-speed flame spraying or cold gas spraying.
  3. 3. Electrode by set 2 , characterized in that the active layer formed by plasma coating ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ; 80 ; 82 ) is formed by atmospheric plasma spraying (APS), protective gas plasma spraying, vacuum plasma spraying (VPS), cold plasma spraying, induction plasma spraying, liquid-stabilized plasma spraying or overpressure plasma spraying.
  4. 4. Electrode according to one of the preceding sentences, characterized in that the active layer ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ; 80 ; 82 ), in particular for forming an anion exchange membrane electrolyzer Ni, NiFe, NiCo, NiMo, NiCoFe, NiMoFe, NiCoMo, Ni x Al y Mo z or oxides of these elements and compounds or hydrous oxides of these elements and compounds.
  5. 5. Electrode according to one of the sentences 1 to 4 , characterized in that the active layer ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ; 80 ; 82 ), in particular for forming a proton exchange membrane electrolyzer Pt, Ir, Ru, IrRu or oxides of these elements and compounds.
  6. 6. Electrode according to one of the sentences 1 to 4 , characterized in that the active layer ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ; 80 ; 82 ) contains in particular for forming a CO 2 reduction membrane reactor Cu, In, Sn, Pb or oxides of these elements.
  7. 7. Electrode according to one of the sentences 1 to 4 , characterized in that the active layer ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ; 80 ; 82 ) contains, in particular for the formation of an ammonia synthesis membrane reactor Ru, Pt, Fe, Ni, Mo, Rh, Sc, Y, Ti, Zr, alloys of these elements or corresponding nitrides of these elements.
  8. 8. Electrode according to one of the preceding sentences, characterized in that the porosity and / or the pore diameter of the carrier element ( 22 ) in the direction of the contact surface ( 36 ) decreases continuously and / or in at least one discrete step.
  9. 9. Electrode by set 8th , characterized in that the porosity and / or the pore diameter of the carrier element ( 22 ; 84 ; 86 ) in the direction of the contact surface ( 36 ) decreases in several discrete steps.
  10. 10. Electrode according to one of the preceding sentences, characterized in that the carrier element ( 22 ) at least two carrier element layers ( 10 . 12 . 14 ) of different porosity and / or different pore diameter, in particular two, three, four or more.
  11. 11. Electrode by set 10 , characterized in that the carrier element ( 22 ) a maximum of 20 carrier element layers ( 10 . 12 . 14 ) of different porosity and / or pore diameter.
  12. 12. Electrode by set 10 or 11 , characterized in that the porosity and / or the pore diameter of the at least two carrier element layers ( 10 . 12 . 14 ) is homogeneous or substantially homogeneous.
  13. 13. Electrode according to one of the sentences 10 to 12 , characterized in that a carrier element layer ( 10 . 12 . 14 ) with greater porosity and / or larger pore diameter is thicker than a carrier element layer ( 10 . 12 . 14 ) with smaller porosity and / or smaller pore diameter.
  14. 14. Electrode according to one of the preceding sentences, characterized in that the carrier element ( 22 ) is made of stainless steel, nickel, a nickel alloy, titanium, a titanium alloy or graphite.
  15. 15. Electrode according to one of the preceding sentences, characterized in that the carrier element ( 22 ) in the form of an expanded metal ( 24 ), a wire mesh, a metal mesh, a perforated sheet, a nonwoven fabric, a metal foam, or a sintered structure.
  16. 16. Electrode according to one of the preceding sentences, characterized in that the carrier element ( 22 ; 84 ; 86 ) has a porosity in a range of about 10% to about 80%, preferably in a range of about 15% to about 50%.
  17. 17. Electrode according to one of the preceding sentences, characterized in that the active layer ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ) is porous.
  18. 18. Electrode according to one of the preceding sentences, characterized in that the active layer ( 80 ; 82 ) the carrier element ( 84 ; 86 ).
  19. 19. An electrode according to one of the preceding sentences, characterized in that the active layer ( 80 ; 82 ) is self-supporting trained.
  20. 20. Electrode according to one of the preceding sentences, characterized in that the active layer ( 80 ; 82 ) at least two layers ( 68 . 70 . 72 ; 74 . 76 . 78 ) of different porosity and / or different pore diameter, in particular two, three, four or more.
  21. 21. Electrode according to one of the preceding sentences, characterized in that a carrier element thickness ( 88 ) of the carrier element ( 22 ; 84 ; 86 ) is in a range of about 0.01 mm to about 30 mm.
  22. 22. Electrode according to one of the sentences 10 to 21 , characterized in that a carrier element layer thickness ( 26 ; 28 ; 30 ) a carrier element layer ( 10 ; 12 ; 14 ) is in a range of about 0.01 mm to about 30 mm.
  23. 23. cell unit ( 38 ; 60 ) for an electrochemical cell ( 56 ), in particular for an electrolyzer ( 58 ), which cell unit ( 38 60) a first electrode ( 32 : 64 ), a second electrode (( 40 ; 66 ) and one disposed between the first electrode and the second electrode Ion exchange membrane ( 44 ; 62 ), characterized in that the first electrode ( 32 ; 64 ) and / or the second electrode ( 40 ; 66 ) in the form of an electrode ( 32 ; 40 ; 64 ; 66 ) is formed according to one of the preceding sentences.
  24. 24. Cell unit by sentence 23 , characterized in that the ion exchange membrane ( 44 ; 62 ) in the form of an anion exchange membrane ( 50 ) or in the form of a proton exchange membrane.
  25. 25th cell unit by sentence 23 or 24 , characterized in that the ion exchange membrane ( 44 ; 62 ) comprises a first electrode side surface and a second electrode side surface and that the first and / or the second electrode side surface with a catalyst-containing active layer ( 46 ; 48 ) are provided.
  26. 26. Electrolyzer ( 58 ) comprising two bipolar plates ( 52 . 54 ) and one between the two bipolar plates ( 52 . 54 ) arranged cell unit ( 38 ; 60 ), characterized in that the cell unit ( 38 ; 60 ) in the form of a cell unit ( 38 ; 60 ) after one of the sentences 23 to 25 is trained.
  27. 27. Method for producing an electrode ( 32 ; 40 ; 64 ; 66 ) for an electrochemical cell ( 56 ), in particular for an electrolyzer ( 58 ), in which method a carrier element ( 22 ; 84 ; 86 ) with an active layer containing at least one catalyst ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ; 80 ; 82 ), which active layer ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ; 80 ; 82 ) a contact surface ( 36 ) for application to an ion exchange membrane ( 44 ; 62 ), characterized in that the carrier element ( 22 ; 84 ; 86 ) with one in a direction transverse to the contact surface ( 36 ) in the direction of the contact surface ( 36 ) is formed decreasing porosity and / or decreasing pore diameter.
  28. 28. Procedure according to sentence 27 , characterized in that the active layer ( 34 ; 42 ; 46 ; 48 ; 80 ; 82 ) is formed by plasma coating, by physical vapor deposition (PVD), by laser spraying, galvanically or by flame spraying, in particular by high-speed flame spraying or cold gas spraying.
  29. 29. Method for producing a cell unit ( 38 ; 60 ) for an electrochemical cell ( 56 ), in particular for an electrolyzer ( 58 ), in which process an ion exchange membrane ( 44 ; 62 ) between a first electrode ( 32 ; 64 ) and a second electrode ( 40 ; 66 ), characterized in that the first electrode ( 32 ; 64 ) and / or the second electrode ( 40 ; 66 ) according to a method of one of the sentences 24 or 25 be formed.
  30. 30. Method for producing an electrolyzer ( 58 ), in which a cell unit ( 38 ; 60 ) between two bipolar plates ( 52 ; 54 ), characterized in that the cell unit ( 38 ; 60 ) according to a procedure according to sentence 29 is trained.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:

  • 1: eine schematische Ansicht dreier Schichten unterschiedlicher Porosität und Porendurchmesser zur Ausbildung eines Trägerelements;
  • 2: eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Streckmetalls zur Ausbildung eines Trägerelements beziehungsweise einer Trägerelementschicht mit entsprechenden Abmessungen;
  • 3: eine schematische Darstellung eines Trägerelements umfassend drei Trägerelementschichten unterschiedlicher Dicke mit zunehmender Porosität und zunehmender Porendurchmesser;
  • 4: eine schematische Darstellung einer Elektrode für eine elektrochemische Zelle;
  • 5: eine schematische Explosionsdarstellung einer Zelleneinheit beim Zusammenfügen zweier Elektroden und einer Ionenaustauschmembran;
  • 6: eine schematische Darstellung eines Elektrolyseurs beim Zusammenfügen zweier Bipolarplatten, zweier Elektroden und einer Ionenaustauschmembran;
  • 7: eine beispielhafte Darstellung einer Zellenleistung eines Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs wie schematisch in 6 dargestellt;
  • 8: eine beispielhafte Darstellung der Stabilität des Anionenaustauschmem bran-Elektrolyseurs;
  • 9: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Zelleneinheit beim Zusammenfügen zweier Elektroden und einer Ionenaustauschmembran;
  • 10: eine Darstellung der Pulvermorphologie eines NiAIMo-Pulvers;
  • 11: ein Ausschnitt einer Elektronen-Mikroskopaufnahme eines NiAIMo-Pulvers;
  • 12: eine Darstellung der Pulvermorphologie eines NiAI-Pulvers;
  • 13: ein Ausschnitt einer Elektronen-Mikroskopaufnahme eines NiAI-Pulvers.
The following description of preferred embodiments of the invention is used in conjunction with the drawings for further explanation. Show it:
  • 1 a schematic view of three layers of different porosity and pore diameter to form a support member;
  • 2 : a schematic representation of a section of an expanded metal for forming a carrier element or a carrier element layer with corresponding dimensions;
  • 3 a schematic representation of a carrier element comprising three carrier element layers of different thickness with increasing porosity and increasing pore diameter;
  • 4 a schematic representation of an electrode for an electrochemical cell;
  • 5 a schematic exploded view of a cell unit when joining two electrodes and an ion exchange membrane;
  • 6 a schematic representation of an electrolyzer in the assembly of two bipolar plates, two electrodes and an ion exchange membrane;
  • 7 FIG. 2: an exemplary representation of a cell performance of an anion exchange membrane water electrolyzer as shown schematically in FIG 6 shown;
  • 8th : an exemplary representation of the stability of the Anionenaustauschmem bran electrolyzer;
  • 9 a schematic representation of a further embodiment of a cell unit when joining two electrodes and an ion exchange membrane;
  • 10 FIG. 4: a representation of the powder morphology of a NiAIMo powder; FIG.
  • 11 : a section of an electron micrograph of a NiAIMo powder;
  • 12 FIG. 2: a representation of the powder morphology of a NiAl powder; FIG.
  • 13 : A section of an electron micrograph of a NiAl powder.

1 zeigt beispielhaft drei verschiedene Trägerelementschichten 10, 12, 14 die jeweils eine unterschiedliche Porosität und unterschiedliche Porendurchmesser aufweisen. Die Trägerelementschichten 10 sind insbesondere in Form metallischer Gitterstrukturen oder Netzstrukturen ausgebildet, beispielsweise in Form von Streckmetallschichten. 1 shows by way of example three different carrier element layers 10 . 12 . 14 each having a different porosity and different pore diameters. The carrier element layers 10 are formed in particular in the form of metallic lattice structures or network structures, for example in the form of expanded metal layers.

Eine Dicke der Trägerelementschichten 10, 12 und 14 ist unterschiedlich. Die Trägerelementschicht mit der geringsten Porosität 14 ist am dünnsten, die Trägerelementschicht 10 mit der größten Porosität ist am dicksten.A thickness of the carrier element layers 10 . 12 and 14 is different. The carrier element layer with the lowest porosity 14 is the thinnest, the carrier element layer 10 with the largest porosity is the thickest.

2 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt eines Streckmetalls mit zur Charakterisierung desselben wesentlichen Abmessungen. In 2 sind eine Maschenlänge 16, eine Maschenbreite 18 und eine Stegbreite 20 eingezeichnet. 2 shows an example of a section of an expanded metal with the characterization of the same essential dimensions. In 2 are a mesh length 16 , a mesh width 18 and a bridge width 20 located.

3 zeigt ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnetes Trägerelement, das beispielhaft aus drei Trägerelementschichten 10, 12 und 14 ausgebildet ist. Die Darstellung in 3 ist rein schematisch. Die Trägerelementschichten 10, 12 und 14 sind aus einem Streckmetall 24 wie in 2 schematisch dargestellt ausgebildet. 3 shows a total with the reference numeral 22 designated carrier element, the example of three carrier element layers 10 . 12 and 14 is trained. The representation in 3 is purely schematic. The carrier element layers 10 . 12 and 14 are made of an expanded metal 24 as in 2 formed schematically.

Die Trägerelementschicht 14 weist eine Maschenlänge 16 von 0,05 mm, eine Maschenbreite 18 von 0,03 mm und eine Stegbreite 20 von 0,01 mm auf. Eine Dicke 28 der Trägerelementschicht 14 beträgt 0,01 mm.The carrier element layer 14 has a mesh length 16 of 0.05 mm, one mesh width 18 of 0.03 mm and a web width 20 of 0.01 mm. A thickness 28 the carrier element layer 14 is 0.01 mm.

Die Trägerelementschicht 10 weist eine Maschenlänge 16 von 12 mm, eine Maschenbreite 18 von 6 mm und eine Stegbreite 20 von 1 mm auf. Eine Dicke 26 der Trägerelementschicht 10 beträgt 5 mm.The carrier element layer 10 has a mesh length 16 of 12 mm, one mesh width 18 of 6 mm and a bridge width 20 of 1 mm. A thickness 26 the carrier element layer 10 is 5 mm.

Die Abmessungen der Trägerelementschicht 12 liegen zwischen denen der Trägerelementschichten 10 und 14, mithin liegt also eine Maschenlänge 16 der Trägerelementschicht 12 in einem Bereich von 0,05 mm bis 12 mm, eine Maschenbreite 18 in einem Bereich von 0,03 mm bis 6 mm und eine Stegbreite 20 in einem Bereich von 0,01 mm bis 1 mm. Eine Dicke 28 der Trägerelementschicht 12 liegt in einem Bereich zwischen 0,01 mm und 5 mm.The dimensions of the carrier element layer 12 lie between those of the carrier element layers 10 and 14 , therefore, so there is a mesh length 16 the carrier element layer 12 in a range of 0.05 mm to 12 mm, one mesh width 18 in a range of 0.03 mm to 6 mm and a web width 20 in a range of 0.01 mm to 1 mm. A thickness 28 the carrier element layer 12 lies in a range between 0.01 mm and 5 mm.

Eine Dicke 88 des Trägerelements ergibt sich als Summe der Dicken 26, 28 und 30.A thickness 88 of the carrier element results as the sum of the thicknesses 26 . 28 and 30 ,

Die vorstehend angegebenen Abmessungen der Trägerelementschichten 10, 12 und 14 beschreiben ein konkretes Ausführungsbeispiel. Die Trägerelementschichten 10, 12 und 14 können insbesondere auch Abmessungen aufweisen derart, dass die Maschenlänge 16 in einem Bereich von etwa 0,05 mm bis etwa 30 mm liegt, die Maschenbreite 18 in einem Bereich von etwa 0,03 mm bis etwa 20 mm liegt und die Stegbreite in einem Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 5 mm liegt. Die Dicke 26, 28 und 30 der Trägerelementschichten 10, 12 und 14 kann in einem Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 20 mm liegen. Die Trägerelementschichten 10, 12 und 14 können wie beschrieben ausgehend von der Trägerelementschicht 14 zur Trägerelementschicht 10 hin insbesondere zunehmende Abmessungen aufweisen.The above dimensions of the carrier element layers 10 . 12 and 14 describe a concrete embodiment. The carrier element layers 10 . 12 and 14 In particular, dimensions may also be such that the mesh length 16 is in a range of about 0.05 mm to about 30 mm, the mesh width 18 is in a range of about 0.03 mm to about 20 mm and the ridge width is in a range of about 0.01 mm to about 5 mm. The fat 26 . 28 and 30 the carrier element layers 10 . 12 and 14 may be in a range of about 0.01 mm to about 20 mm. The carrier element layers 10 . 12 and 14 may be as described starting from the carrier element layer 14 to the carrier element layer 10 in particular have increasing dimensions.

Die Trägerelementschichten 10, 12 und 14 können beispielsweise aus Edelstahl, Nickel, einer Nickellegierung, Titan, einer Titanlegierung oder Graphit ausgebildet sein.The carrier element layers 10 . 12 and 14 For example, they may be formed of stainless steel, nickel, a nickel alloy, titanium, a titanium alloy, or graphite.

In den 1 und 3 sind beispielhaft drei Trägerelementschichten 10, 12 und 14 dargestellt. Grundsätzlich sind beliebig viele Trägerelementschichten denkbar. Vorzugsweise wird das Trägerelement 22 aus zwei bis zwanzig Trägerelementschichten ausgebildet.In the 1 and 3 are exemplary three carrier element layers 10 . 12 and 14 shown. In principle, any number of carrier element layers are conceivable. Preferably, the carrier element 22 formed from two to twenty carrier element layers.

Das Trägerelement 22 mit den Trägerelementschichten 10, 12 und 14 weist eine Porosität auf, die sich in zwei diskreten Schritten ändert, nämlich jeweils beim Übergang zwischen zwei Trägerelementschichten, also beim Übergang von der Trägerelementschicht 14 zur Trägerelementschicht 12 und beim Übergang von der Trägerelementschicht 12 zur Trägerelementschicht 14.The carrier element 22 with the carrier element layers 10 . 12 and 14 has a porosity which changes in two discrete steps, namely at the transition between two carrier element layers, ie at the transition from the carrier element layer 14 to the carrier element layer 12 and at the transition from the carrier element layer 12 to the carrier element layer 14 ,

Zur Ausbildung einer Elektrode 32 wird auf die Trägerelementschicht 14, die die geringste Porosität aufweist, eine aktive Schicht 34 aufgebracht. Dies ist beispielhaft in 4 dargestellt. Die aktive Schicht 34 definiert eine Anlagefläche 36 zum Anlegen an eine Ionenaustauschmembran. Die aktive Schicht 34 enthält mindestens einen Katalysator als aktive Substanz.To form an electrode 32 is applied to the carrier element layer 14 having the least porosity, an active layer 34 applied. This is exemplary in 4 shown. The active layer 34 defines a contact surface 36 for application to an ion exchange membrane. The active layer 34 contains at least one catalyst as active substance.

In 5 ist beispielhaft und schematisch eine Elektronenmembraneinheit 38 mit zwei Elektroden 32 und 40 dargestellt. Zwischen den aktiven Schichten 34 und 42 der Elektroden 32 und 40 wird eine Ionenaustauschmembran 44 angeordnet. Diese kann optional einseitig oder beidseitig, wie in 5 schematisch dargestellt, ebenfalls aktive Schichten 46 und 48 tragen.In 5 is exemplary and schematically an electron membrane unit 38 with two electrodes 32 and 40 shown. Between the active layers 34 and 42 the electrodes 32 and 40 becomes an ion exchange membrane 44 arranged. This can optionally be single-sided or double-sided, as in 5 shown schematically, also active layers 46 and 48 wear.

Die Ionenaustauschmembran 44 kann insbesondere in Form einer Anionenaustauschmembran 50 ausgebildet sein, und zwar in Form eines Festkörperelektrolyts. Die Anionenaustauschmembran bildet einen Separator zwischen den beiden Elektroden 32 und 40, die einerseits eine Anode und anderseits eine Kathode bilden. Die Anionenaustauschmembran 50 bildet also den Festkörperelektrolyt und enthält an ein Polymergerüst gebundene Elektrolytgruppen. Sie kann insbesondere von außen mit Wasser oder einer einmolaren KOH-Lösung versorgt werden.The ion exchange membrane 44 may in particular in the form of an anion exchange membrane 50 be formed, in the form of a solid electrolyte. The anion exchange membrane forms a separator between the two electrodes 32 and 40 which on the one hand form an anode and on the other hand form a cathode. The anion exchange membrane 50 thus forms the solid electrolyte and contains bound to a polymer backbone electrolyte groups. In particular, it can be supplied from the outside with water or a one-molar KOH solution.

Die Elektroden 32 und 40 sind insbesondere als eigenständige Einheiten ausgebildet. Die Zelleneinheit 38 wird ausgebildet, indem die Elektroden 32 und 40 jeweils mit ihren aktiven Schichten 34 und 42 in Richtung auf die Ionenaustauschmembran 44 weisend mit dieser in Kontakt gebracht werden. 5 zeigt die Zelleneinheit 38 beim Zusammenführen der Elektroden 32 und 40 mit der Ionenaustauschmembran 44.The electrodes 32 and 40 are especially designed as separate units. The cell unit 38 is formed by the electrodes 32 and 40 each with their active layers 34 and 42 in Direction to the ion exchange membrane 44 to be contacted with this. 5 shows the cell unit 38 when merging the electrodes 32 and 40 with the ion exchange membrane 44 ,

Die Porositäten und/oder Porendurchmesser der aktiven Schichten 46 und 48, die optional auch weggelassen werden können, sind vorzugsweise geringer als die Porositäten und/oder Porendurchmesser der aktiven Schichten 34 und 42.The porosities and / or pore diameters of the active layers 46 and 48 , which may optionally be omitted, are preferably less than the porosities and / or pore diameters of the active layers 34 and 42 ,

6 zeigt schematisch den Aufbau einer elektrochemischen Zelle 56, wobei die einzelnen Elemente voneinander getrennt dargestellt sind. 6 shows schematically the structure of an electrochemical cell 56 , wherein the individual elements are shown separated from each other.

Die elektrochemische Zelle 56 ist in Form eines Elektrolyseurs 58 ausgebildet, welcher eine Zelleneinheit 38 umfasst, die zwischen zwei Bipolarplatten 52 und 54 angeordnet ist.The electrochemical cell 56 is in the form of an electrolyzer 58 formed, which is a cell unit 38 that covers between two bipolar plates 52 and 54 is arranged.

Die Bipolarplatten 52 und 54 können in bekannter Weise ein Flussfeld zum Sammeln und Ableiten der bei einem Elektrolyseur im Bereich der aktiven Schichten 34 und 42, optional auch im Bereich der aktiven Schichten 46 und 48, erzeugten Elektrolysegase ausgebildet sein.The bipolar plates 52 and 54 can in a known manner a flow field for collecting and diverting the case of an electrolyzer in the region of the active layers 34 and 42 , optionally also in the area of the active layers 46 and 48 , Be formed electrolysis gases.

Die aktiven Schichten 34 und 42 beziehungsweise 46 und 48 können mittels unterschiedlicher Beschichtungsverfahren aufgebracht oder ausgebildet werden, beispielsweise durch Plasmabeschichtung, durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), durch Laserspitzen, galvanisch oder durch Flammspritzen, insbesondere durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Kaltgasspritzen. Alternativ können die aktiven Schichten 46 und 48 auf der Ionenaustauschmembran 44 durch Aufbringen und Verteilen eines tintenartigen Gemischs aus Ionomerlösung, Katalysatorpulver, Lösungsmitteln und optional wieteren Zusätzen mit anschließendem Trocknen oder durch trockenes Aufsprühen von Katalysatorpulver und optional einem Ionomer mit anschließendem Walzen oder Pressen ausgebildet werden.The active layers 34 and 42 respectively 46 and 48 can be applied or formed by means of different coating methods, for example by plasma coating, by physical vapor deposition (PVD), by laser tips, galvanically or by flame spraying, in particular by high-speed flame spraying or cold gas spraying. Alternatively, the active layers 46 and 48 on the ion exchange membrane 44 by applying and distributing an ink-like mixture of ionomer solution, catalyst powder, solvents and optionally further additives followed by drying or by dry spraying of catalyst powder and optionally an ionomer followed by rolling or pressing.

Die Plasmabeschichtung kann insbesondere durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), Schutzgasplasmaspritzen, Vakuumplasmaspritzen (VPS), Kalt-Plasmaspritzen, Induktionsplasmaspritzen, Flüssigkeitsstabilisiertes Plasmaspritzen oder über Druckplasmaspritzen ausgebildet werden.The plasma coating may be formed in particular by atmospheric plasma spraying (APS), protective gas plasma spraying, vacuum plasma spraying (VPS), cold plasma spraying, induction plasma spraying, liquid-stabilized plasma spraying or pressure plasma spraying.

Das Aufbringen aktiver Schichten 34, 42, 46 und 48 kann beim Vakuumplasmaspritzen mit einem Druck in einem Bereich von etwa drei kPA bis ungefähr sieben kPA erfolgen. Eine Plasmafahne gemessen ab einem Brennerausgang eines Plasmabrenners weist dabei vorzugsweise eine Länge von etwa 300 mm bis etwa 600 mm auf. Die Temperatur der Plasmafahne liegt in einem Bereich zwischen 3500°C und 15000°C und weist eine Geschwindigkeit von maximal 800 m/s auf.The application of active layers 34 . 42 . 46 and 48 can be done in vacuum plasma spraying at a pressure in the range of about three kPa to about seven kPA. A plasma flag measured from a burner output of a plasma torch preferably has a length of about 300 mm to about 600 mm. The temperature of the plasma flag is in a range between 3500 ° C and 15000 ° C and has a maximum speed of 800 m / s.

Das Vakuumplasmaspritzverfahren kann auf herkömmliche Weise ausgeführt werden mit der dafür vorgesehenen Ausrüstung umfassend eine Energieversorgung, ein Kühlsystem, ein Vakuum- und Belüftungssystem, eine Vakuumkammer, eine Gaszufuhr sowie eine Pulverzuführeinrichtung.The vacuum plasma spraying process can be carried out conventionally with dedicated equipment comprising a power supply, a cooling system, a vacuum and ventilation system, a vacuum chamber, a gas supply, and a powder feeder.

Alternativ zum Vakuumplasmaspritzen können die aktiven Schichten 34, 42, 46 und 48 auch durch atmosphärisches Plasmaspritzen mit einem dafür geeigneten Brenner ausgebildet werden.As an alternative to vacuum plasma spraying, the active layers 34 . 42 . 46 and 48 be formed by atmospheric plasma spraying with a suitable burner.

Das atmosphärische Plasmaspritzen erfolgt typischerweise bei einem Druck von 100 kPA mit einer Plasmafahnenlänge in einem Bereich von 30 mm bis 100 mm. Die Plasmatemperatur beträgt etwa 2000 °C bis 15000 °C und weist eine Geschwindigkeit von maximal 500 m/s auf.Atmospheric plasma spraying typically occurs at a pressure of 100 kPa with a plasma peak length in a range of 30 mm to 100 mm. The plasma temperature is about 2000 ° C to 15000 ° C and has a maximum speed of 500 m / s.

Eine Vorrichtung zum atmosphärischen Plasmaspritzen umfasst üblicherweise eine Energieversorgung, ein Kühlsystem, ein Belüftungssystem, eine Spritzkammer, eine Gasversorgung sowie eine Pulverzuführeinrichtung.An atmospheric plasma spraying apparatus usually comprises a power supply, a cooling system, a ventilation system, a spray chamber, a gas supply, and a powder feeder.

Mit den Pulverzuführeinrichtungen wird das aufzuspritzende Material in Pulverform dem Plasmabrenner zugeführt.With the Pulverzuführeinrichtungen the aufzuspritzende material is supplied in powder form the plasma torch.

10 zeigt beispielhaft die Pulvermorphologie eines NiAIMo-Pulvers, wobei die durchgezogene Kurve das Volumen in Abhängigkeit der Teilchengröße angibt, die gestrichelte Kurve die akkumulierte Menge der Teilchen in Abhängigkeit der Teilchengröße. 10 shows by way of example the powder morphology of a NiAIMo powder, wherein the solid curve indicates the volume as a function of the particle size, the dashed curve the accumulated amount of the particles as a function of the particle size.

Das eingesetzte NiAIMo-Pulver setzt sich aus etwa 29 bis 49 Gewichtsprozent Ni, etwa 34 bis 50 Gewichtsprozent AI und Mo in einem Bereich von 7 bis 27 Gewichtsprozent zusammen, wobei die Randbedingung, dass die drei Komponenten zusammen 100 Gewichtsprozent erreichen müssen, erfüllt sein muss. The NiAIMo powder used is composed of about 29 to 49 weight percent Ni, about 34 to 50 weight percent Al and Mo in a range of 7 to 27 weight percent, with the constraint that the three components together need to reach 100 weight percent must be met ,

Die Granularität des eingesetzten NiAIMo -Pulvers beträgt d10 = 6 µm, d50 = 17 µm sowie d90 = 32 µm.The granularity of the NiAIMo powder used is d 10 = 6 μm, d 50 = 17 μm and d 90 = 32 μm.

11 zeigt eine Elektronenmikroskopaufnahme des eingesetzten NiAIMo-Pulvers. 11 shows an electron micrograph of the NiAIMo powder used.

Die Pulverzuführrate beim atmosphärischen Plasmaspritzen des NiAIMo-Pulvers beträgt etwa 5 bis 20 g/min.The powder feed rate in the atmospheric plasma spraying of the NiAIMo powder is about 5 to 20 g / min.

12 zeigt beispielhaft die Pulvermorphologie eine NiAI-Pulvers, und zwar zeigt die durchgezogene Kurve den Volumenanteil in Abhängigkeit der Teilchengröße, die gestrichelte Kurve zeigt die akkumulierte Menge des Pulvers in Abhängigkeit der Teilchengröße. 12 For example, the powder morphology shows a NiAl powder, namely, the solid curve shows the volume fraction as a function of the particle size, the broken curve shows the accumulated amount of the powder as a function of the particle size.

Das NiAI-Pulvers enthält etwa 41 bis 71 Gewichtsprozent Ni und entsprechend korrespondierend etwa 29 bis 59 Gewichtsprozent AL. Die Granularität des eingesetzten NiAI-Pulver betrug d10 = 6,5 µm, d50 = 16 µm und d90 = 25 µm.The NiAl powder contains about 41 to 71 weight percent Ni and, correspondingly, about 29 to 59 weight percent AL. The granularity of the NiAl powder used was d 10 = 6.5 μm, d 50 = 16 μm and d 90 = 25 μm.

Auch für das Vakuumplasmaspritzen wurde NiAIMo-Pulver eingesetzt, und zwar das oben in Verbindung mit dem atmosphärischen Plasmaspritzen beschriebene NiAIMo-Pulver.Also used for vacuum plasma spraying was NiAIMo powder, namely the NiAIMo powder described above in connection with atmospheric plasma spraying.

Zum Ausbilden einer aktiven Schicht mit sich ändernder Porosität wurden folgende Betriebsparameter für das atmosphärische Plasmaspritzen eingesetzt, die in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben sind. Tabelle 1 Nr. Ar (NI/min) H2 (NI/min ) Strom I (A) Leistung (kW) Abstand (mm) Geschwindigk eit v (m/s) Temperatur T* (°C) Porosität (%) 1 20-60 1-4 300-600 15-25 40-90 220-250 2200-2500 ≈10-20 2 50-80 2-6 300-600 20-30 40-90 270-310 2200-2500 ≈5-15 3 60-100 2-6 300-600 20-60 40-90 320-380 2200-2500 ≈2-10 4 90-130 3-8 300-600 25-40 40-90 380-480 2200-2500 ≈5-20 5 100-150 2-6 300-600 35-50 40-90 480-600 2200-2500 ≈10-30 The following operating parameters for atmospheric plasma spraying, given in Table 1 below, were used to form an active layer of varying porosity. Table 1 No. Ar (NI / min) H 2 (NI / min) Current I (A) Power kW) Distance (mm) Speed v (m / s) Temperature T * (° C) Porosity (%) 1 20-60 1-4 300-600 15-25 40-90 220-250 2200-2500 ≈10-20 2 50-80 2-6 300-600 20-30 40-90 270-310 2200-2500 ≈5-15 3 60-100 2-6 300-600 20-60 40-90 320-380 2200-2500 ≈2-10 4 90-130 3-8 300-600 25-40 40-90 380-480 2200-2500 ≈5-20 5 100-150 2-6 300-600 35-50 40-90 480-600 2200-2500 ≈10-30

Durch Variation insbesondere der Argonmenge (Ar) sowie der zugeführten Wasserstoffmenge (H2) zur Ausbildung des Plasmas kann die Geschwindigkeit v der Plasmafahne variiert und damit auch eine Porosität der aufgespritzten Schicht eingestellt werden.By varying, in particular, the amount of argon (Ar) and the amount of hydrogen (H 2 ) supplied to form the plasma, the velocity v of the plasma strip can be varied, and thus also a porosity of the sprayed-on layer can be set.

In den beiden nachfolgend eingeblendeten Tabellen sind Parameter für das durchgeführte Vakuumplasmaspritzen (VPS) angegeben, und zwar sowohl für NiAIMo-Pulver (Tabelle 2) als auch NiAI-Pulver (Tabelle 3). Hier wurden Flussraten von Argon, Wasserstoff und Helium (He) wie angegeben variiert, um ebenfalls unterschiedliche Porositäten der aufgespritzen aktiven Schichten zu erreichen. Tabelle 2 VPS Nr. Ar (l/min) H2 (l/min) He (l/min) Strom I (A) Druck (kPA) Zuführrate (g/min) Abstand (mm) Porosität (%) 1 40-50 3-5 5-10 400-500 6-7 10-15 300 15-25 2 50-60 5-8 5-30 500-600 6-7 10-15 250 10-20 3 50-70 5-8 5-30 500-750 6-7 10-15 200 5-10 Tabelle 3 VPS Nr. Ar (l/min) H2 (l/min) He (l/min) Strom I (A) Druck (kPA) Zuführrate (g/min) Abstand (mm) Porosität (%) 1 40-50 3-5 5-10 400-450 6-7 10-15 300 15-25 2 50-60 5-8 5-30 450-500 6-7 10-15 250 10-20 3 50-70 5-8 5-30 500-600 6-7 10-15 200 5-10 The following two tables show parameters for the performed vacuum plasma spraying (VPS), both for NiAIMo powders (Table 2) and NiAl powders (Table 3). Here, flow rates of argon, hydrogen and helium (He) were varied as indicated to also achieve different porosities of the sprayed active layers. Table 2 VPS No. Ar (l / min) H 2 (l / min) He (l / min) Current I (A) Pressure (kPA) Feeding rate (g / min) Distance (mm) Porosity (%) 1 40-50 3-5 5-10 400-500 6-7 10-15 300 15-25 2 50-60 5-8 5-30 500-600 6-7 10-15 250 10-20 3 50-70 5-8 5-30 500-750 6-7 10-15 200 5-10 Table 3 VPS No. Ar (l / min) H 2 (l / min) He (l / min) Current I (A) Pressure (kPA) Feeding rate (g / min) Distance (mm) Porosity (%) 1 40-50 3-5 5-10 400-450 6-7 10-15 300 15-25 2 50-60 5-8 5-30 450-500 6-7 10-15 250 10-20 3 50-70 5-8 5-30 500-600 6-7 10-15 200 5-10

Die beschriebenen aktiven Schichten 34, 42, 46 und 48 können direkt auf die unterschiedlich poröse Gitterstruktur aufgespritzt werden. Sie können auch im Wesentlichen selbsttragend ausgebildet werden, indem sie auf ein Substrat, beispielsweise ein Metallgitter oder -netz, aufgespritzt werden. Das Substrat dient einer verbesserten Handhabung der aufgespritzten Schicht.The described active layers 34 . 42 . 46 and 48 can be sprayed directly onto the different porous grid structure. They may also be formed substantially self-supporting by being sprayed onto a substrate, such as a metal grid or mesh. The substrate serves to improve the handling of the sprayed-on layer.

9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zelleneinheit 60 umfassend eine Ionenaustauschmembran 62 und zwei Elektroden 64 und 66. 9 shows a further embodiment of a cell unit 60 comprising an ion exchange membrane 62 and two electrodes 64 and 66 ,

Die Elektroden 64 und 66 umfassen keine Trägerelementschichten, wie sie im Zusammenhang mit den 1 bis 6 beschrieben wurden, sondern umfassen jeweils eine aktive Schicht 80 beziehungsweise 82 mit jeweils drei Schichtlagen 68, 70 und 72 beziehungsweise 74, 76 und 78, die jeweils unterschiedlich porös, ausgebildet sind. Die selbsttragend ausgebildeten aktiven Schichten 80 und 82 bilden somit jeweils auch ein Trägerelement 84 beziehungsweise 86.The electrodes 64 and 66 do not include carrier element layers as they are associated with 1 to 6 but each comprise an active layer 80 respectively 82 each with three layers 68 . 70 and 72 respectively 74 . 76 and 78 , which are each formed differently porous. The self-supporting active layers 80 and 82 thus each form a support element 84 or 86.

Statt der beschriebenen drei Schichtlagen, können auch 2, 4 oder mehr Schichtlagen vorgesehen werden. Die Porosität und/oder der Porendurchmesser der einzelnen Schichtlagen 68, 70 und 72 beziehungsweise 74, 76 und 78 kann insbesondere homogen oder im Wesentlichen homogen sein oder von der Ionenaustauschmembran 62 weg zunehmen.Instead of the described three layer layers, it is also possible to provide 2, 4 or more layer layers. The porosity and / or the pore diameter of the individual layer layers 68 . 70 and 72 respectively 74 . 76 and 78 may in particular be homogeneous or substantially homogeneous or from the ion exchange membrane 62 increase away.

Die Schichtlage 68 weist eine geringere Porosität auf als die Schichtlage 70, welche wiederum eine geringere Porosität als die Schichtlage 72 aufweist. Die Schichtlage 74 der Elektrode 66 weist die geringste Porosität auf. Die Porosität der Schichtlage 76 ist größer als eine Porosität der Schichtlage 74 aber kleiner als eine Porosität der Schichtlage 78.The layer layer 68 has a lower porosity than the layer layer 70 which in turn has a lower porosity than the layer layer 72 having. The layer layer 74 the electrode 66 has the lowest porosity. The porosity of the layer layer 76 is greater than a porosity of the layer layer 74 but smaller than a porosity of the layer layer 78 ,

Die Dicken der Schichtlagen 68, 70 und 72 nehmen mit zunehmendem Abstand von der Ionenaustauschmembran 62 zu. Ebenso nimmt eine Dicke der Schichtlagen 74, 76, 78 ausgehend von der Ionenaustauschmembran ebenfalls zu.The thicknesses of the layer layers 68 . 70 and 72 take with increasing distance from the ion exchange membrane 62 to. Likewise, a thickness of the layer layers increases 74 . 76 . 78 also starting from the ion exchange membrane.

Zur Ausbildung der Zelleneinheit 60 werden zunächst die Elektroden 64 und 66 beispielsweise durch atmosphärisches Plasmaspritzen oder Vakuumplasmaspritzen in der oben beschriebenen Weise mit den dort angegebenen Parametern ausgebildet. Die Elektroden 64 und 66 werden dann mit der Ionenaustauschmembran 62, beispielsweise einer Anionenaustauschmembran oder einer Protonenaustauschmembran, zusammengefügt.To form the cell unit 60 First, the electrodes 64 and 66 formed for example by atmospheric plasma spraying or vacuum plasma spraying in the manner described above with the parameters specified therein. The electrodes 64 and 66 are then with the ion exchange membrane 62 , for example, an anion exchange membrane or a proton exchange membrane, joined together.

Zur Ausbildung der Elektroden 64 und 66 kann insbesondere ein Streckmetall mit einer Dicke von 0,2 bis 0,5 mm dienen, beispielsweise aus Nickel, einer Nickellegierung, aus Titan, einer Titanlegierung, aus Edelstahl oder Graphit. Eine Porosität eines solchen Substrats beträgt etwa 10 % bis 80 %. Insbesondere kann die Porosität eines solchen Substrats auch etwa 15 % bis 60 % betragen.For the formation of the electrodes 64 and 66 In particular, an expanded metal with a thickness of 0.2 to 0.5 mm can serve, for example, nickel, a nickel alloy, titanium, a titanium alloy, stainless steel or graphite. A porosity of such a substrate is about 10% to 80%. In particular, the porosity of such a substrate may also be about 15% to 60%.

Zum Aufbringen von aktiven, NiAIMo enthaltenden Schichten kann beim Vakuumplasmaspritzen wie folgt vorgegangen werden. For applying active layers containing NiAIMo, the procedure for vacuum plasma spraying can be as follows.

Es gibt insbesondere zwei Möglichkeiten, die porösen aktiven Schichten 80 und 82 auszubilden.There are in particular two possibilities, the porous active layers 80 and 82 train.

Variante 1: Als Substrat wird ein Streckmetall bereitgestellt, auf welches eine erste Schicht eines Katalysatormaterials mit den Parametern in Zeile 1 der Tabelle 4 oder der Tabelle 5 aufgespritzt. Danach wird eine Schicht mit den Parametern aus Zeile 2 und anschließend eine Schicht mit den Parametern aus Zeile 3 aufgespritzt.variant 1 As substrate, an expanded metal is provided on which a first layer of a catalyst material with the parameters in line 1 of Table 4 or Table 5 sprayed. After that, a layer with the parameters from line 2 and then a layer with the parameters from line 3 sprayed.

Variante 2: Als Substrat wird ein Metalllochblech bereitgestellt, auf welches eine erste Schicht eines Katalysatormaterials mit den Parametern in Zeile 3 der Tabelle 4 oder der Tabelle 5 aufgespritzt. Danach wird eine Schicht mit den Parametern aus Zeile 2 und anschließend eine Schicht mit den Parametern aus Zeile 1 aufgespritzt.variant 2 As a substrate, a metal perforated plate is provided on which a first layer of a catalyst material with the parameters in line 3 of Table 4 or Table 5 sprayed. After that, a layer with the parameters from line 2 and then a layer with the parameters from line 1 sprayed.

Die drei auf diese Weise ausgebildeten Schichtlagen 72, 70, 68 weisen dann die Porositäten auf, wie sie in der Tabelle in der letzten Spalte angegeben sind. Insbesondere können für die Ausbildung der Schichtlagen 72, 70, 68 auch Pulver mit unterschiedlicher Partikelgröße eingesetzt werden.The three layers formed in this way 72 . 70 . 68 then have the porosities as given in the table in the last column. In particular, for the formation of the layer layers 72 . 70 . 68 also powders with different particle size can be used.

Für das atmosphärische Plasmaspritzen (APS) von NiAIMo sind in der nachfolgenden Tabelle 4 weitere Parameter angegeben, mit denen sich Schichtlagen mit den in der Tabelle in der letzten Spalte angegebenen Porositäten ausbilden lassen. Tabelle 4 APS Nr. Ar (l/min) H2 (l/min) He (l/min) Strom I (A) Druck (kPA) Zuführrate (g/min) Abstand (mm) Porosität (%) 1 40 2 18 400 80 5-15 100 20 2 60 3 25 400 70 5-15 100 15 3 80 4 31 400 65 5-15 100 10 4 100 5 35 400 60 5-15 100 5 5 120 4 42 450 60 5-15 100 8 For the atmospheric plasma spraying (APS) of NiAIMo, further parameters are given in the following Table 4, with which layer layers can be formed with the porosities indicated in the table in the last column. Table 4 APS No. Ar (l / min) H 2 (l / min) He (l / min) Current I (A) Pressure (kPA) Feeding rate (g / min) Distance (mm) Porosity (%) 1 40 2 18 400 80 5-15 100 20 2 60 3 25 400 70 5-15 100 15 3 80 4 31 400 65 5-15 100 10 4 100 5 35 400 60 5-15 100 5 5 120 4 42 450 60 5-15 100 8th

Für das atmosphärische Plasmaspritzen (APS) von NiAl sind in der nachfolgenden Tabelle 5 weitere Parameter angegeben, mit denen sich Schichtlagen mit den in der Tabelle in der letzten Spalte angegebenen Porositäten ausbilden lassen. Tabelle 5 APS Nr. Ar (l/min) H2 (l/min) Strom I (A) Druck (kPA) Zuführrate (g/min) Abstand (mm) Porosität (%) 1 40 2 350 80 5-15 100 20 2 60 3 350 70 5-15 100 15 3 80 4 350 65 5-15 100 10 4 100 5 350 60 5-15 100 5 5 120 4 400 60 5-15 100 8 For the atmospheric plasma spraying (APS) of NiAl, further parameters are given in Table 5 below, with which layer layers with the porosities given in the table in the last column can be formed. Table 5 APS No. Ar (l / min) H 2 (l / min) Current I (A) Pressure (kPA) Feeding rate (g / min) Distance (mm) Porosity (%) 1 40 2 350 80 5-15 100 20 2 60 3 350 70 5-15 100 15 3 80 4 350 65 5-15 100 10 4 100 5 350 60 5-15 100 5 5 120 4 400 60 5-15 100 8th

Wird die Elektrode 64 oder 66 mit mehreren Schichtlagen 68, 70 und 72 mit NiAIMo ausgebildet, können durch Verwendung der in Tabelle 4 angegebenen Parameter die Porosität der Schichtlagen entsprechend eingestellt werden. Die Parameter stimmen mit denen für das Aufspritzen von NiAIMo im Vakuum praktisch überein.Will the electrode 64 or 66 with several layers 68 . 70 and 72 formed with NiAIMo, by using the parameters given in Table 4, the porosity of the layer layers can be adjusted accordingly. The parameters are practically identical to those for spraying NiAIMo in vacuum.

Zum Aufspritzen von NiAI-Pulver zur Ausbildung aktiver Schichtlagen 68, 70 und 72 können insbesondere auch die in Tabelle 5 angegebenen Parameter für das atmosphärische Plasmaspritzen genutzt werden, um die in der letzten Spalte der Tabelle angegebenen Porositäten zu erreichen. For spraying NiAl powder to form active layers 68 . 70 and 72 In particular, the parameters given in Table 5 for the atmospheric plasma spraying can be used to achieve the porosities indicated in the last column of the table.

7 zeigt die Leistung eines Anionenaustauschmembran-Elektrolyseurs mit einem Aufbau wie in 6 dargestellt. Die Zellenspannung liegt bei einer Stromdichte von einem Ampere pro Quadratzentimeter bei 60°C bei einer Zellenspannung von etwa 1,775 Volt. 7 shows the performance of an anion exchange membrane electrolyzer with a construction as in 6 shown. The cell voltage is at a current density of one ampere per square centimeter at 60 ° C with a cell voltage of about 1.775 volts.

8 zeigt das Ergebnis eines Stabilitätsversuchs für diesen Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur dargestellt. Demnach nahm die Zellenspannung über einen Zeitraum von 4 Stunden bei einer Stromdichte von 1 A/cm2 nur geringfügig ab. 8th shows the result of a stability test for this anion exchange membrane electrolyzer shown. Accordingly, the cell voltage decreased only slightly over a period of 4 hours at a current density of 1 A / cm 2 .

Die beschriebenen Elektroden, Zelleneinheiten und elektrochemischen Zellen können insbesondere für die Wasserelektrolyse, die Chlorgaserzeugung durch Elektrolyse, regenerative Brennstoffzellen und insbesondere Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen genutzt werden.The described electrodes, cell units and electrochemical cells can be used in particular for water electrolysis, chlorine gas production by electrolysis, regenerative fuel cells and in particular polymer electrolyte membrane fuel cells.

Weiterhin können auf die beschriebene Weise Elektroden zur Erzeugung von Sauerstoff in unterschiedlichen Elektrolyseanwendungen bereitgestellt werden.Furthermore, electrodes for generating oxygen in different electrolysis applications can be provided in the manner described.

Der Einsatz der beschriebenen Komponenten ist auch für die Schmutzwasseraufbereitung möglich. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind elektrochemische Membranreaktoren zur CO2-Reduktion sowie die Biomassenumwandlung.The use of the components described is also possible for wastewater treatment. Further possible uses are electrochemical membrane reactors for CO 2 reduction and biomass conversion.

Für die beschriebenen Zwecke werden vorzugsweise aktive Schichten mit entsprechend geeigneten Katalysatoren genutzt. Beispielsweise können für Anionenaustauschmembran-Elektrolyseure aktive Schichten ausgebildet werden, die Nickel, NiFe, NiCo, NiMo, NiCoFe, NiMoFe, NiCoMo, NixAlyMoz oder Oxide dieser Elemente und Verbindungen oder wasserhaltige Oxide dieser Elemente und Verbindungen enthalten.For the purposes described, it is preferred to use active layers with correspondingly suitable catalysts. For example, for anion-exchange membrane electrolyzers, active layers can be formed which contain nickel, NiFe, NiCo, NiMo, NiCoFe, NiMoFe, NiCoMo, Ni x Al y Mo z or oxides of these elements and compounds or hydrous oxides of these elements and compounds.

Aktive Schichten zur Ausbildung von Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren enthalten vorzugsweise Pt, Ir, Ru, IrRu oder Oxide dieser Elemente und Verbindungen.Active layers for forming proton exchange membrane electrolyzers preferably contain Pt, Ir, Ru, IrRu or oxides of these elements and compounds.

Ferner enthalten aktive Schichten insbesondere zur Ausbildung von CO2-Reduktions-Membranreaktoren Co, In, Sn, Pb oder Oxide dieser Elemente.In addition, active layers, in particular for the formation of CO 2 reduction membrane reactors, contain Co, In, Sn, Pb or oxides of these elements.

Des Weiteren enthalten aktive Schichten insbesondere zur Ausbildung eines Ammoniak-Synthese-Membranreaktors Ru, Pt, Fe, Ni, Mo, Rh, Sc, Y, Ti, Zr, Legierungen aus diesen Elementen oder korrespondierende Nitride dieser Elemente.In addition, active layers, in particular for forming an ammonia synthesis membrane reactor, contain Ru, Pt, Fe, Ni, Mo, Rh, Sc, Y, Ti, Zr, alloys of these elements or corresponding nitrides of these elements.

Die oben beschriebenen Elektroden, Zelleneinheiten und elektrochemischen Zellen ermöglichen insbesondere zur Ausbildung von Wasserelektrolyseuren im Vergleich zu Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseuren deutlich geringere Investitionskosten, wenn als Ionenaustauschmembran eine Anionenaustauschmembran eingesetzt wird.The above-described electrodes, cell units and electrochemical cells, in particular for the formation of electrolysers of water compared to proton exchange membrane electrolysers water significantly lower investment costs, when an ion exchange membrane is used as an ion exchange membrane.

Ferner können die Nachteile von alkalischen Wasserelektrolyseuren im Wesentlichen vermieden werden. Herstellungskosten der Komponenten der elektrochemischen Zellen können insbesondere reduziert werden, wenn statt Plasmaspritzen im Vakuum zum Herstellen der aktiven Schichten atmosphärisches Plasmaspritzen zum Einsatz kommt.Furthermore, the disadvantages of alkaline water electrolyzers can be substantially avoided. In particular, manufacturing costs of the components of the electrochemical cells can be reduced if, instead of plasma spraying in a vacuum, atmospheric plasma spraying is used to produce the active layers.

Die aktiven Schichten enthalten insbesondere bei Wasserelektrolyseuren besonders geeignete Katalysatoren für die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Daher unterscheiden sich insbesondere die Elektroden 32 und 40 beziehungsweise die Elektroden 64 und 66 durch ihre aktiven Schichten und die darin enthaltenen Katalysatoren voneinander.The active layers contain especially suitable catalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) and the oxygen evolution reaction (OER), especially in the case of water electrolyzers. Therefore, in particular, the electrodes differ 32 and 40 or the electrodes 64 and 66 through their active layers and the catalysts contained within each other.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
TrägerelementschichtCarrier element layer
1212
TrägerelementschichtCarrier element layer
1414
TrägerelementschichtCarrier element layer
1616
Maschenlängemesh length
1818
Maschenbreitemesh width
2020
Stegbreiteweb width
2222
Trägerelementsupport element
2424
Streckmetallexpanded metal
2626
Dickethickness
2828
Dickethickness
3030
Dickethickness
3232
Elektrodeelectrode
3434
aktive Schichtactive layer
3636
Anlageflächecontact surface
3838
Zelleneinheitcell unit
4040
Elektrodeelectrode
4242
aktive Schichtactive layer
4444
IonenaustauschmembranIon exchange membrane
4646
aktive Schichtactive layer
4848
aktive Schichtactive layer
5050
Anionenaustauschmembrananion
5252
Bipolarplattebipolar
5454
Bipolarplattebipolar
5656
elektrochemische Zelleelectrochemical cell
5858
Elektrolyseurelectrolyzer
6060
Zelleneinheitcell unit
6262
IonenaustauschmembranIon exchange membrane
6464
Elektrodeelectrode
6666
Elektrodeelectrode
6868
Schichtlagelayer sheet
7070
Schichtlagelayer sheet
7272
Schichtlagelayer sheet
7474
Schichtlagelayer sheet
7676
Schichtlagelayer sheet
7878
Schichtlagelayer sheet
8080
aktive Schichtactive layer
8282
aktive Schichtactive layer
8484
Trägerelementsupport element
8686
Trägerelementsupport element
8888
TrägerelementdickeSupport element thickness

Claims (20)

Elektrode (32; 40; 64; 66) für eine elektrochemische Zelle (56), insbesondere für einen Elektrolyseur (58), umfassend ein Trägerelement (22; 84; 86) mit einer mindestens einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82), welche aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) eine Anlagefläche (36) zum Anlegen an eine Ionenaustauschmembran (44; 62) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22; 84; 86) in einer Richtung quer zur Anlagefläche (36) eine in Richtung auf die Anlagefläche (36) hin abnehmende Porosität und/ oder einen in Richtung auf die Anlagefläche hin abnehmenden Porendurchmesser aufweist.An electrode (32; 40; 64; 66) for an electrochemical cell (56), in particular for an electrolyzer (58), comprising a carrier element (22; 84; 86) with an active layer (34; 42; 46 48; 80; 82), which active layer (34; 42; 46; 48; 80; 82) defines a contact surface (36) for application to an ion exchange membrane (44; 62), characterized in that the support member (22; 84; 86) has a porosity which decreases in the direction of the abutment surface (36) and / or a pore diameter which decreases in the direction of the abutment surface in a direction transverse to the abutment surface (36). Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) durch Plasmabeschichtung, durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), durch Laserspritzen, galvanisch oder durch Flammspritzen, insbesondere durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Kaltgasspritzen, ausgebildet ist, wobei insbesondere die durch Plasmabeschichtung ausgebildete aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), Schutzgas Plasmaspritzen, Vakuum Plasmaspritzen (VPS), Kalt-Plasmaspritzen, Induktionsplasmaspritzen, flüssigkeitsstabilisiertes Plasmaspritzen oder Überdruck Plasmaspritzen ausgebildet ist.Electrode after Claim 1 characterized in that the active layer (34; 42; 46; 48; 80; 82) is formed by plasma coating, by physical vapor deposition (PVD), by laser spraying, galvanically or by flame spraying, in particular by high-speed flame spraying or cold gas spraying, in particular, the plasma-coated active layer (34; 42; 46; 48; 80; 82) is formed by atmospheric plasma spraying (APS), protective gas plasma spraying, vacuum plasma spraying (VPS), cold plasma spraying, induction plasma spraying, liquid-stabilized plasma spraying or plasma spraying overpressure , Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) insbesondere zur Ausbildung eines Anionenaustauschmembran-Elektrolyseurs Ni, NiFe, NiCo, NiMo, NiCoFe, NiMoFe, NiCoMo, NixAlyMoz oder Oxide dieser Elemente und Verbindungen oder wasserhaltige Oxide dieser Elemente und Verbindungen enthält.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the active layer (34; 42; 46; 48; 80; 82) in particular for forming an anion exchange membrane electrolyzer Ni, NiFe, NiCo, NiMo, NiCoFe, NiMoFe, NiCoMo, Ni x Al y Mo z or oxides of these elements and compounds or hydrous oxides of these elements and compounds. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) insbesondere zur Ausbildung eines Protonenaustauschmembran-Elektrolyseurs Pt, Ir, Ru, IrRu oder Oxide dieser Elemente und Verbindungen enthält.Electrode after one of the Claims 1 to 3 characterized in that the active layer (34; 42; 46; 48; 80; 82), in particular for forming a proton exchange membrane electrolyzer, contains Pt, Ir, Ru, IrRu or oxides of these elements and compounds. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) insbesondere zur Ausbildung eines CO2-Reduktions-Membranreaktors Cu, In, Sn, Pb oder Oxide dieser Elemente enthält.Electrode after one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the active layer (34; 42; 46; 48; 80; 82) contains Cu, In, Sn, Pb or oxides of these elements, in particular for forming a CO 2 reduction membrane reactor. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) insbesondere zur Ausbildung eines Ammoniak-Synthese-Membranreaktors Ru, Pt, Fe, Ni, Mo, Rh, Sc, Y, Ti, Zr, Legierungen aus diesen Elementen oder korrespondierende Nitride dieser Elemente enthält.Electrode after one of the Claims 1 to 3 characterized in that the active layer (34; 42; 46; 48; 80; 82) is particularly suitable for forming an ammonia synthesis membrane reactor Ru, Pt, Fe, Ni, Mo, Rh, Sc, Y, Ti, Zr, Alloys of these elements or corresponding nitrides of these elements contains. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität und/oder der Porendurchmesser des Trägerelements (22) in Richtung auf die Anlagefläche (36) hin kontinuierlich und/oder in mindestens einem diskreten Schritt abnimmt wobei insbesondere die Porosität und/oder der Porendurchmesser des Trägerelements (22; 84; 86) in Richtung auf die Anlagefläche (36) hin in mehreren diskreten Schritten abnimmt.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the porosity and / or the pore diameter of the carrier element (22) towards the contact surface (36) decreases continuously and / or in at least one discrete step in particular the porosity and / or Pore diameter of the carrier element (22; 84; 86) decreases in the direction of the contact surface (36) towards in several discrete steps. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22) mindestens zwei Trägerelementschichten (10, 12, 14) unterschiedlicher Porosität und/oder unterschiedlicher Porendurchmesser umfasst, insbesondere zwei, drei, vier oder mehr.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier element (22) comprises at least two carrier element layers (10, 12, 14) of different porosity and / or different pore diameter, in particular two, three, four or more. Elektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Trägerelement (22) maximal 20 Trägerelementschichten (10, 12, 14) unterschiedlicher Porosität und/oder Porendurchmesser umfasst und/oder b) die Porosität und/oder der Porendurchmesser der mindestens zwei Trägerelementschichten (10, 12, 14) homogen oder im Wesentlichen homogen ist und/oder c) eine Trägerelementschicht (10, 12, 14) mit größerer Porosität und/oder größerem Porendurchmesser dicker ist als eine Trägerelementschicht (10, 12, 14) mit kleinerer Porosität und/oder kleinerem Porendurchmesser und/oder d) eine Trägerelementschichtdicke (26; 28; 30) einer Trägerelementschicht (10; 12; 14) in einem Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 30 mm liegt.Electrode after Claim 8 , characterized in that a) the carrier element (22) comprises a maximum of 20 carrier element layers (10, 12, 14) of different porosity and / or pore diameter and / or b) the porosity and / or the pore diameter of the at least two carrier element layers (10, 12, 14) is homogeneous or substantially homogeneous and / or c) a carrier element layer (10, 12, 14) with a larger porosity and / or larger pore diameter is thicker than a carrier element layer (10, 12, 14) with a smaller porosity and / or smaller pore diameter and / or d) a carrier element layer thickness (26; 28; 30) of a carrier element layer (10; 12; 14) is in a range from about 0.01 mm to about 30 mm. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22) a) aus Edelstahl, Nickel, einer Nickellegierung, Titan, einer Titanlegierung oder Graphit ausgebildet ist und/oder b) in Form eines Streckmetalls (24), eines Drahtgewebes, eines Metallnetzes, eines Lochblechs, eines Vlieses, eines Metallschaums oder einer Sinterstruktur ausgebildet ist.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier element (22) a) is made of stainless steel, nickel, a nickel alloy, titanium, a titanium alloy or graphite and / or b) in the form of an expanded metal (24), a wire mesh, a metal mesh, a perforated plate, a nonwoven fabric, a metal foam or a sintered structure is formed. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22; 84; 86) eine Porosität in einem Bereich von etwa 10% bis etwa 80%, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 15% bis etwa 50%, aufweist. Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier element (22; 84; 86) has a porosity in a range of about 10% to about 80%, preferably in a range of about 15% to about 50%. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48) a) porös ausgebildet ist und/oder b) das Trägerelement (84; 86) bildet und/oder c) selbsttragend ausgebildet ist und/oder d) mindestens zwei Schichtlagen (68, 70, 72; 74, 76, 78) unterschiedlicher Porosität und/oder unterschiedlichem Porendurchmesser umfasst, insbesondere zwei, drei, vier oder mehr.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the active layer (34; 42; 46; 48) a) is porous and / or b) forms the carrier element (84; 86) and / or c) is self-supporting and or d) comprises at least two layer layers (68, 70, 72, 74, 76, 78) of different porosity and / or different pore diameter, in particular two, three, four or more. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerelementdicke (88) des Trägerelements (22; 84; 86) in einem Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 30 mm liegt.Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that a carrier element thickness (88) of the carrier element (22; 84; 86) is in a range from about 0.01 mm to about 30 mm. Zelleneinheit (38; 60) für eine elektrochemische Zelle (56), insbesondere für einen Elektrolyseur (58), welche Zelleneinheit (38;60) eine erste Elektrode (32: 64), eine zweite Elektrode ((40; 66) und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Ionenaustauschmembran (44; 62) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (32; 64) und/oder die zweite Elektrode (40; 66) in Form einer Elektrode (32; 40; 64; 66) nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildet ist.Cell unit (38; 60) for an electrochemical cell (56), in particular for an electrolyzer (58), which cell unit (38; 60) a first electrode (32:64), a second electrode ((40; 66) and an intermediate comprising the first electrode and the second electrode arranged ion exchange membrane (44; 62), characterized in that the first electrode (32; 64) and / or the second electrode (40; 66) in the form of an electrode (32; 40; 64; 66) is designed according to one of the preceding claims. Zelleneinheit nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenaustauschmembran (44; 62) a) in Form einer Anionenaustauschmembran (50) oder in Form einer Protonenaustauschmembran ausgebildet ist und/oder b) eine erste Elektrodenseitenfläche und eine zweite Elektrodenseitenfläche umfasst und dass die erste und/oder die zweite Elektrodenseitenfläche mit einer einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht (46; 48) versehen sind.A cell unit according to claim 23, characterized in that the ion exchange membrane (44; 62) a) is in the form of an anion exchange membrane (50) or in the form of a proton exchange membrane and / or b) comprises a first electrode side surface and a second electrode side surface, and wherein the first and second electrode surfaces or the second electrode side surface is provided with a catalyst-containing active layer (46; 48). Elektrolyseur (58), umfassend zwei Bipolarplatten (52, 54) und eine zwischen den beiden Bipolarplatten (52, 54) angeordnete Zelleneinheit (38; 60), dadurch gekennzeichnet, dass die Zelleneinheit (38; 60) in Form einer Zelleneinheit (38; 60) nach Anspruch 14 oder 15 ausgebildet ist.An electrolyzer (58) comprising two bipolar plates (52, 54) and a cell unit (38; 60) arranged between the two bipolar plates (52, 54), characterized in that the cell unit (38; 60) is in the form of a cell unit (38; 60) Claim 14 or 15 is trained. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode (32; 40; 64; 66) für eine elektrochemische Zelle (56), insbesondere für einen Elektrolyseur (58), bei welchem Verfahren ein Trägerelement (22; 84; 86) mit einer mindestens einen Katalysator enthaltenden aktiven Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) ausgebildet wird, welche aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) eine Anlagefläche (36) zum Anlegen an eine Ionenaustauschmembran (44; 62) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (22; 84; 86) mit einer in einer Richtung quer zur Anlagefläche (36) in Richtung auf die Anlagefläche (36) hin abnehmenden Porosität und/oder abnehmendem Porendurchmesser ausgebildet wird.A method of manufacturing an electrode (32; 40; 64; 66) for an electrochemical cell (56), in particular for an electrolyzer (58), which method comprises a support member (22; 84; 86) having an active layer containing at least one catalyst is formed, which active layer (82 34; 42; 46; 48;; 80) (34; 42; 46; 48; 80; 82) has a contact surface (36) for application to an ion exchange membrane (44; 62), characterized in that the carrier element (22; 84; 86) is formed with a porosity and / or decreasing pore diameter decreasing in a direction transverse to the abutment surface (36) in the direction of the abutment surface (36). Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (34; 42; 46; 48; 80; 82) durch Plasmabeschichtung, durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), durch Laserspritzen, galvanisch oder durch Flammspritzen, insbesondere durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Kaltgasspritzen, ausgebildet wird.Method according to Claim 17 , characterized in that the active layer (34; 42; 46; 48; 80; 82) is formed by plasma coating, by physical vapor deposition (PVD), by laser spraying, galvanically or by flame spraying, in particular by high-speed flame spraying or cold gas spraying. Verfahren zum Herstellen einer Zelleneinheit (38; 60) für eine elektrochemische Zelle (56), insbesondere für einen Elektrolyseur (58), bei welchem Verfahren eine Ionenaustauschmembran (44; 62) zwischen einer ersten Elektrode (32; 64) und einer zweiten Elektrode (40; 66) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (32; 64) und/oder die zweite Elektrode (40; 66) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18 ausgebildet werden.A method of manufacturing a cell unit (38; 60) for an electrochemical cell (56), in particular for an electrolyzer (58), in which method an ion exchange membrane (44; 62) is interposed between a first electrode (32; 64) and a second electrode ( 40; 66), characterized in that the first electrode (32; 64) and / or the second electrode (40; 66) are arranged according to a method according to any one of Claims 17 or 18 be formed. Verfahren zum Herstellen eines Elektrolyseurs (58), bei welchem eine Zelleneinheit (38; 60) zwischen zwei Bipolarplatten (52; 54) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelleneinheit (38; 60) gemäß einem Verfahren nach Anspruch 19 ausgebildet wird.A method of manufacturing an electrolyzer (58) in which a cell unit (38; 60) is disposed between two bipolar plates (52; 54), characterized in that the cell unit (38; Claim 19 is trained.
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