DE102015111918A1 - Current collector, membrane unit, electrochemical cell, method for producing a current collector, a membrane unit and an electrochemical cell - Google Patents

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Abstract

Um ein Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektors für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Anode eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs so zu verbessern, dass insbesondere eine Funktion der elektrochemischen Zelle verbessert wird, wird vorgeschlagen, dass ein Substrat bereitgestellt wird und dass zur Ausbildung des Stromkollektors mindestens eine mikroporöse, aus Titan bestehende oder Titan enthaltende Schicht auf das Substrat durch Plasmaspritzen im Vakuum aufgebracht wird.In order to improve a method for producing a current collector for an electrode of an electrochemical cell, in particular an anode of a proton exchange membrane electrolyzer so that in particular a function of the electrochemical cell is improved, it is proposed that a substrate is provided and that Forming the current collector at least one microporous, consisting of titanium or titanium-containing layer is applied to the substrate by plasma spraying in vacuo.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektors für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Anode eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs.The present invention relates to a method for producing a current collector for an electrode of an electrochemical cell, in particular an anode of a proton exchange membrane electrolyzer.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Membraneinheit einer elektrochemischen Zelle, insbesondere eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs, bei welchem eine Protonen-Austausch-Membran bereitgestellt wird, auf deren einer Seite eine erste Katalysator-schicht aufgebracht wird.Furthermore, the present invention relates to a method for producing a membrane unit of an electrochemical cell, in particular a proton exchange membrane electrolyzer, in which a proton exchange membrane is provided, on one side of which a first catalyst layer is applied.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs.Furthermore, the present invention relates to a method for producing an electrochemical cell, in particular a proton exchange membrane electrolyzer.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Stromkollektor für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Anode eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs.Furthermore, the present invention relates to a current collector for an electrode of an electrochemical cell, in particular an anode of a proton exchange membrane electrolyzer.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Membraneinheit einer elektrochemischen Zelle, insbesondere eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs, umfassend eine Protonen-Austausch-Membran, auf deren einer Seite eine erste Katalysatorschicht aufgebracht ist.Furthermore, the present invention relates to a membrane unit of an electrochemical cell, in particular of a proton exchange membrane electrolyzer, comprising a proton exchange membrane, on one side of which a first catalyst layer is applied.

Und schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrochemische Zelle, insbesondere in Form eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs, umfassend zwei Bipolarplatten und eine zwischen diesen angeordnete Membraneinheit.Finally, the present invention relates to an electrochemical cell, in particular in the form of a proton exchange membrane electrolyzer, comprising two bipolar plates and a membrane unit arranged between them.

Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseure gewinnen zunehmend an Bedeutung. Mit ihnen kann insbesondere mit durch Einsatz erneuerbarer Energiequellen wie Wind und/oder Sonnenenergie erzeugtem Strom Wasserstoff als Energieträger gewonnen werden. Proton exchange membrane electrolyzers are becoming increasingly important. With them, hydrogen can be obtained as an energy source, in particular with electricity generated by the use of renewable energy sources such as wind and / or solar energy.

Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseur-Systeme bestehen grundsätzlich aus einem Stapel mehrerer Elektrolysezellen, in denen Wasser elektrochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Diese Systeme umfassen ferner eine elektromechanische Anlagen-Peripherie sowie erforderliche Regelungstechnik. Der Elektrolyseurstapel, auch als "Stack" bezeichnet, umfasst dabei 60 Prozent des Investitionsaufwands des gesamten Systems Systems ("Study on development of water electrolysis in the EU. Final Report. E4tech Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking; 2014"). Ein wesentlicher Anteil an den Kosten der Elektrolyseurstapel entfallen auf den Stromkollektor auf der Anodenseite der Elektrolyseure. Dieser anodische Stromkollektor soll einen effizienten Wassertransport zur Katalysatorschicht hin sowie einen effizienten Abtransport produzierter Sauerstoff-Gasblasen, insbesondere zu einem sogenannten Flußfeld hin, einem Kanalsystem, das Teil der jeweiligen Elektroden der Elektrolyseure bildenden Bipolarplatten ist, gewährleisten.In principle, proton exchange membrane electrolyzer systems consist of a stack of several electrolysis cells in which water is split electrochemically into hydrogen and oxygen. These systems also include an electromechanical plant periphery and required control technology. The stack of electrolyzers, also referred to as a "stack", covers 60 percent of the investment costs of the entire system ("Study on development of water electrolysis in the EU, Final Report: E4tech Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, 2014"). A significant proportion of the costs of the electrolyzer stack is attributable to the current collector on the anode side of the electrolyzers. This anodic current collector is intended to ensure efficient transport of water to the catalyst layer and efficient removal of oxygen gas bubbles produced, in particular to a so-called flow field, a channel system which is part of the respective electrodes of the bipolar plates forming the electrolyzers.

Aufgrund ihrer ähnlichen Funktion verglichen mit den porösen oder hydrophoben Kohlenstoffstrukturen in Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, werden Stromkollektoren von Elektrolyseuren oft auch als Gasdiffusionsschichten bezeichnet.Because of their similar function compared to the porous or hydrophobic carbon structures in polymer electrolyte fuel cells, electrolyser current collectors are often referred to as gas diffusion layers.

Ein Stromkollektor einer Elektrolysezelle sollte insbesondere folgenden Ansprüchen genügen:

  • – Er sollte eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei hohen Spannungen von mehr als 2 V in seiner Umgebung mit einem pH-Wert von etwa 0 aufweisen.
  • – Vorzugsweise sollte der Stromkollektor eine geringe Porosität und Porengröße aufweisen.
  • – Des Weiteren sollte der Stromkollektor eine hohe mechanische Stabilität und Beständigkeit gegenüber einer H2-Versprödung für den Einsatz des Stromkollektors auf der Kathodenseite aufweisen.
  • – Idealerweise ist der Stromkollektor hinreichend dünn, um einen effizienten Abtransport von Sauerstoff-Gasblasen gewährleisten zu können.
  • – Außerdem sollte ein Kontaktwiderstand zwischen dem Stromkollektor und der Bipolarplatte sowie zwischen dem Stromkollektor und der Katalysatorschicht möglichst klein ist.
  • – Ein Ziel ist es zudem, Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseur-Systeme im Megawatt-Bereich verfügbar zu machen.
  • – Ferner soll eine Fertigung geometrischer Strukturen mit Oberflächen von mehr als 1500 cm2 ermöglicht werden.
  • – Und schließlich sollen auch Kosten für die Herstellung der elektrochemischen Zellen reduziert werden.
A current collector of an electrolytic cell should in particular meet the following requirements:
  • It should have a high corrosion resistance at high voltages of more than 2 V in its environment with a pH of about 0.
  • Preferably, the current collector should have a low porosity and pore size.
  • - Furthermore, the current collector should have a high mechanical stability and resistance to H 2 -Versprödung for the use of the current collector on the cathode side.
  • - Ideally, the current collector is sufficiently thin to ensure efficient removal of oxygen bubbles.
  • - In addition, a contact resistance between the current collector and the bipolar plate and between the current collector and the catalyst layer should be as small as possible.
  • - Another goal is to make megawatt-range proton exchange membrane electrolyzer systems available.
  • - Furthermore, a production of geometric structures with surfaces of more than 1500 cm 2 is to be made possible.
  • - And finally, costs for the production of electrochemical cells are to be reduced.

Nach dem derzeit bekannten Stand der Technik besteht der Stromkollektor eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs aus einer porösen Titan-Struktur, insbesondere in Form von gesinterten Platten, Schäumen, Filzen oder Streckgittern. Eine Dicke dieser gesinterten Strukturen beträgt etwa 1000 μm und kann in der Regel nicht unter Beibehaltung aller strukturellen und mechanischen Eigenschaften weiter reduziert werden. Bei derart gesinterten Titan-Strukturen lassen sich die Porosität und Porengröße nur durch eine geeignete Wahl von Größe und Gestalt der verwendeten Titan-Partikel kontrollieren. Damit ist jedoch klar, dass eine Einstellung von Porosität und Porengröße mit den zur Verfügung stehenden Mitteln sehr beschränkt ist. According to the currently known state of the art, the current collector of a proton exchange membrane electrolyzer consists of a porous titanium structure, in particular in the form of sintered plates, foams, felts or expanded gratings. A thickness of these sintered structures is about 1000 microns and can not usually be reduced while retaining all structural and mechanical properties on. In such sintered titanium structures, the porosity and pore size can only be controlled by a suitable choice of size and shape of the titanium particles used. However, it is clear that an adjustment of porosity and pore size with the available means is very limited.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stromkollektor, eine Membraneinheit, eine elektrochemische Zelle sowie Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektors, einer Membraneinheit und einer elektrochemischen Zelle der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass insbesondere eine Funktion der elektrochemischen Zelle verbessert wird.It is therefore an object of the present invention to improve a current collector, a membrane unit, an electrochemical cell and methods for producing a current collector, a membrane unit and an electrochemical cell of the type described above so that in particular a function of the electrochemical cell is improved.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektors der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Substrat bereitgestellt wird und dass zur Ausbildung des Stromkollektors mindestens eine mikroporöse, aus Titan bestehende oder Titan enthaltende Schicht auf das Substrat durch Plasmaspritzen im Vakuum aufgebracht wird.This object is achieved in a method for producing a current collector of the type described above according to the invention that a substrate is provided and that for forming the current collector at least one microporous, consisting of titanium or titanium-containing layer is applied to the substrate by plasma spraying in vacuo.

Die mindestens eine mikroporöse Schicht ermöglicht insbesondere eine Verbesserung des Kontakts mit der Katalysatorschicht und kann insbesondere auch einen Massetransport verbessern. Insbesondere ist es möglich, eine Porosität der mindestens einen mikroporösen Schicht gezielt einzustellen, beispielsweise durch Variation der Verfahrensparameter beim Plasmaspritzen der Schicht im Vakuum. Dies gestattet es insbesondere, mit einer einzigen Partikelgröße als Ausgangsmaterial das Vakuum-Plasmaspritzen der mindestens einen mikroporösen Schicht durchzuführen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht insbesondere auch die Ausbildung mehrschichtiger beziehungsweise mehrlagiger Systeme mit Dicken, die insgesamt deutlich geringer sind als die oben angegebenen 1000 μm, die beim Sintern von Titanschichten praktisch nicht zu unterschreiten sind. Durch das Plasmaspritzen von Titanpulver zur Ausbildung von aus Titan bestehenden oder Titan enthaltenden mikroporösen Schichten können auch sehr hohe Rauheiten erzielt werden, insbesondere dann, wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht auf ein Substrat aufgebracht wird, welches aus gesintertem Titan ausgebildet ist. Die mindestens eine mikroporöse Schicht weist insbesondere eine hohe Rauheit und eine geringe Porosität auf. Eine Schichtdicke des so ausgebildeten Stromkollektors kann auf einfache Weise kontrolliert und auf Dicken von nur etwa 10 μm reduziert werden. Herstellungskosten können insbesondere bei einer Massenproduktion erheblich reduziert werden. Ein mehrschichtiger oder mehrlagiger Aufbau des Stromkollektors ermöglicht insbesondere eine Anpassung der Porosität einzelner mikroporöser Schichten oder Lagen an diejenigen Schichten, die mit dem Stromkollektor in Kontakt stehen. So kann insbesondere eine innere, mit der Katalysatorschicht in Kontakt stehende Schicht oder Lage des Stromkollektors eine geringe Porosität aufweisen, wohingegen eine mit einer Biopolarplatte einer elektrochemischen Zelle in Kontakt stehende äußere Schicht deutlich größere Poren aufweisen kann, um beispielsweise bei einem Elektrolyseur einen schnellen Abtransport von O2-Gasblasen zu ermöglichen.In particular, the at least one microporous layer makes it possible to improve the contact with the catalyst layer and in particular can also improve mass transport. In particular, it is possible to set a specific porosity of the at least one microporous layer, for example by varying the process parameters during plasma spraying of the layer in a vacuum. This makes it possible, in particular, to carry out the vacuum plasma spraying of the at least one microporous layer with a single particle size as starting material. In particular, the proposed method also allows the formation of multilayer or multi-layer systems with thicknesses that are significantly lower overall than the 1000 μm specified above, which are practically not to be undershot during the sintering of titanium layers. The plasma spraying of titanium powder to form titanium or titanium-containing microporous layers can also achieve very high roughness, especially when the at least one microporous layer is applied to a substrate formed of sintered titanium. The at least one microporous layer has in particular a high roughness and a low porosity. A layer thickness of the current collector thus formed can be easily controlled and reduced to thicknesses of only about 10 microns. Manufacturing costs can be significantly reduced, especially in mass production. In particular, a multilayer or multilayer construction of the current collector allows the porosity of individual microporous layers or layers to be adapted to those layers which are in contact with the current collector. Thus, in particular, an inner layer or layer of the current collector which is in contact with the catalyst layer may have a low porosity, whereas an outer layer which is in contact with a biopolar plate of an electrochemical cell may have significantly larger pores, for example in the case of an electrolyzer To allow O 2 gas bubbles.

Günstig ist es, wenn die mindestens eine aus Titan bestehende Schicht durch Plasmaspritzen von Titanpulver aufgebracht wird. So kann eine reine und im Wesentlichen reine Titan-Schicht ausgebildet werden. Auch mehrschichtige oder mehrlagige Systeme sind möglich, wobei Porositäten unterschiedlicher Schichten oder Lagen oder auch unterschiedlich ausgebildet werden können.It is favorable if the at least one layer consisting of titanium is applied by plasma spraying of titanium powder. Thus, a pure and substantially pure titanium layer can be formed. Also, multi-layer or multi-layer systems are possible, wherein porosities of different layers or layers or can be formed differently.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Titan enthaltende Schicht durch Plasmaspritzen einer Mischung aus Titanpulver und mindestens einem Metallpulver aufgebracht wird, wobei das mindestens eine Metallpulver ein Pulver aus einem unedlen Metall ist. Insbesondere kann das unedle Metall Aluminium, Eisen oder Zink sein. Die mikroporöse Schicht, die mindestens ein unedles Metall enthält, kann zur Ausbildung insbesondere größerer Poren gezielt behandelt werden. Das unedle Metallpulver dient somit lediglich als Platzhalter für noch auszubildende Poren, die beispielsweise dadurch ausgebildet werden, dass das unedle Metallpulver entfernt wird. Übrig bleibt dann lediglich eine aus Titan bestehende mikroporöse Schicht, denn das aufgespritzte unedle Metallpulver ist idealerweise nicht mehr in der mikroporösen Schicht enthalten.Furthermore, it is advantageous if the titanium-containing layer is applied by plasma spraying a mixture of titanium powder and at least one metal powder, wherein the at least one metal powder is a powder of a base metal. In particular, the base metal can be aluminum, iron or zinc. The microporous layer, which contains at least one base metal, can be specifically treated to form larger pores, in particular. The base metal powder thus serves only as a placeholder for pores still to be formed, which are formed, for example, by removing the base metal powder. All that is left then is a microporous layer made of titanium, since the sprayed-on base metal powder is ideally no longer contained in the microporous layer.

Vorzugsweise wird das Substrat durch Sintern von Titanpulver hergestellt oder durch ein Titan-Streckgitter gebildet. So kann insbesondere ein Stromkollektor ausgebildet werden, der das Substrat aus gesintertem Titanpulver sowie die mindestens eine mikroporöse Schicht umfasst, die aus Titan besteht oder Titan enthält. Preferably, the substrate is made by sintering titanium powder or formed by a titanium expanded metal mesh. Thus, in particular, a current collector can be formed which comprises the sintered titanium powder substrate and the at least one microporous layer which consists of titanium or contains titanium.

Günstigerweise wird der Stromkollektor durch das Substrat und die mindestens eine aus Titan bestehende Schicht ausgebildet. So kann insbesondere ein Substrat als Teil des Stromkollektors ausgebildet werden, welches eine große Porosität aufweist. Conveniently, the current collector is formed by the substrate and the at least one titanium layer. Thus, in particular, a substrate can be formed as part of the current collector, which has a high porosity.

Ferner ist es günstig, wenn als Substrat unlegierter Stahl oder Kuper bereitgestellt wird. Ein solches Substrat ermöglicht insbesondere die Ausbildung einer selbsttragenden Schicht, denn unlegierter Stahl und Kupfer lassen sich beispielsweise mittels chemischer Reaktion auf einfache Weise entfernen, so dass die mindestens plasmagespritzte mikroporöse Schicht allein verbleibt.It is also advantageous if unalloyed steel or copper is provided as the substrate. In particular, such a substrate makes it possible to form a self-supporting layer, since unalloyed steel and copper can be removed in a simple manner, for example by means of a chemical reaction, so that the microporous layer sprayed with at least plasma remains alone.

Um die Herstellung von Stromkollektoren und insbesondere von Membraneinheiten und elektrochemischen Zellen insgesamt zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn der Stromkollektor in Form einer selbsttragenden Schicht ausgebildet wird. Eine selbsttragende Schicht hat insbesondere den Vorteil, dass sie mit anderen Schichten verbunden werden kann, die beispielsweise nicht so hinreichend stabil sind, damit die mikroporöse Schicht im Plasma-Spritzverfahren auf sie aufgebracht werden kann. Beispielsweise können selbsttragende, mikroporöse Schichten mit Katalysatorschichten oder Protonen-Austausch-Membranen durch Verpressen, insbesondere Heißverpressen, verbunden werden.In order to improve the production of current collectors and in particular of membrane units and electrochemical cells as a whole, it is advantageous if the current collector is formed in the form of a self-supporting layer. A self-supporting layer has the particular advantage that it can be connected to other layers which, for example, are not sufficiently stable, so that the microporous layer can be applied to it by plasma spraying. For example, self-supporting, microporous layers with catalyst layers or proton exchange membranes by pressing, in particular hot pressing, are connected.

Vorzugsweise wird zur Ausbildung der selbsttragenden Schicht das Substrat entfernt. Beispielsweise kann das Entfernen des Substrats durch Korrosion oder chemische Reaktion mit einem Oxidationsmittel erfolgen. So lässt sich das Substrat entfernen und die mindestens eine mikroporöse Schicht beziehungsweise das mehrere mikroporöse Schichten oder Lagen umfassende Schichtsystem kann als eigenständiger Stromkollektor weiter verarbeitet werden.Preferably, the substrate is removed to form the self-supporting layer. For example, removal of the substrate may be by corrosion or chemical reaction with an oxidizing agent. In this way, the substrate can be removed and the at least one microporous layer or the layer system comprising several microporous layers or layers can be further processed as an independent current collector.

Vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine in der Titan enthaltenden Schicht enthaltene unedle Metall entfernt wird. Insbesondere kann es durch Korrosion oder chemische Reaktion mit einem Oxidationsmittel entfernt werden. Dort, wo in der mikroporösen aufgespritzten Schicht unedles Metall enthalten war, entstehen durch Entfernen desselben Poren, so dass auf diese Weise gezielt große Poren in die mikroporöse Schicht eingebracht werden können.It is advantageous if the at least one base metal contained in the titanium-containing layer is removed. In particular, it can be removed by corrosion or chemical reaction with an oxidizing agent. Wherever the base metal in the microporous sprayed-on layer contains base metal, pores are formed by removing the same, so that in this way large pores can be deliberately introduced into the microporous layer.

Günstigerweise wird als Oxidationsmittel Kaliumhydroxid (KOH) oder Schwefelsäure (H2SO4) oder Perchlorsäure (HClO4) eingesetzt. Insbesondere lassen sich unedle Metalle durch Säuren schnell und einfach oxidieren. Beispielsweise ergeben sich folgende Reaktionsgleichungen für die Oxidation von Aluminium: 2 Al(s) + 2 KOH(wässrig) + 6 H2O(flüssig) → 2 KAl(OH)4(wässrig) + 3 H2(gasförmig) 2 Al(fest) + 6 H2SO4(konzentriert) = Al2(SO4)3(fest) + 3 SO2(fest) + 6 H2O(flüssig) Conveniently, potassium hydroxide (KOH) or sulfuric acid (H 2 SO 4 ) or perchloric acid (HClO 4 ) is used as the oxidizing agent. In particular, base metals can be quickly and easily oxidized by acids. For example, the following reaction equations result for the oxidation of aluminum: 2 Al (s) + 2 KOH (aqueous) + 6 H 2 O (liquid) → 2 KAl (OH) 4 (aqueous) + 3 H 2 (gaseous) 2 Al (solid) + 6 H 2 SO 4 (concentrated) = Al 2 (SO 4 ) 3 (solid) + 3 SO 2 (solid) + 6 H 2 O (liquid)

Vorzugsweise wird der Stromkollektor mit einer mittleren Stromkollektorschichtdicke in einem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm ausgebildet. Er ist somit deutlich dünner als bekannte Stromkollektoren aus gesintertem Titan und kann so mit einem deutlich verringerten Materialeinsatz ausgebildet werden. Insbesondere kann die Stromkollektorschichtdicke durch die Zahl der mikroporösen Schichten beziehungsweise Lagen gezielt variiert werden. Preferably, the current collector is formed with an average current collector layer thickness in a range of about 10 μm to about 100 μm. It is thus significantly thinner than known current collectors made of sintered titanium and can thus be formed with a significantly reduced use of materials. In particular, the current collector layer thickness can be selectively varied by the number of microporous layers or layers.

Günstig ist es, wenn zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr mikroporöse Schichten oder Lagen zur Ausbildung des Stromkollektors auf das Substrat aufgebracht werden. Insbesondere kann so ein quasi-kontinuierlicher Übergang einer großen Porosität einer mikroporösen Schicht oder Lage des Stromkollektors, die an eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Zelle angrenzt, zu einer kleinen Porosität hin zu einer mikroporösen Schicht, die an eine Katalysatorschicht der elektrochemischen Zelle angrenzt, eingestellt werden. Je mehr Schichten oder Lagen ausgebildet werden, umso feiner lassen sich Porositäten derselben abstufen. It is advantageous if two, three, four, five, six, seven, eight or more microporous layers or layers for the formation of the current collector are applied to the substrate. In particular, such a quasi-continuous transition of a large porosity of a microporous layer or layer of the current collector adjacent to a bipolar plate of an electrochemical cell may be adjusted to a small porosity towards a microporous layer adjacent to a catalyst layer of the electrochemical cell. The more layers or layers are formed, the finer the porosities of the same can be graded.

Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht mit einer Porengröße in einem Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm ausgebildet wird. Insbesondere kann sie mit einer Porengröße in einem Bereich von etwa 1 μm bis etwa 2 μm ausgebildet werden. In den angegebenen Bereichen lässt sich ein gewünschter Abtransport insbesondere von Sauerstoff-Gasblasen in Elektrolyseuren gut erreichen. It is advantageous if the at least one microporous layer having a pore size in a range from about 0.1 μm to about 10 μm is formed. In particular, it may be formed with a pore size in a range of about 1 μm to about 2 μm. In the areas indicated, a desired removal, in particular of oxygen gas bubbles in electrolyzers, can be achieved well.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht mit einer Porosität in einem Bereich von etwa 5 % bis etwa 28 % ausgebildet wird. Insbesondere kann die Porosität in einem Bereich von etwa 8 % bis etwa 15 % liegen. So können ebenso wie bei der Einstellung der Porengrößen optimale Werte für die Porosität erreicht werden, die einen guten Abtransport insbesondere von sich entwickelndem Sauerstoff bei Elektrolyseuren gestatten. Furthermore, it is advantageous if the at least one microporous layer having a porosity in a range of about 5% to about 28% is formed. In particular, the porosity may range from about 8% to about 15%. So as well as in the setting of the pore sizes optimal values for the porosity can be achieved, which allow a good removal, in particular of developing oxygen in electrolysers.

Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht mit einer Ausflussrate in einem Bereich von etwa 0,01 mbar l cm–2 s–1 bis etwa 500 mbar l cm–2 s–1 ausgebildet wird. Insbesondere kann die Ausflussrate in einem Bereich von etwa 0,1 mbar l cm–2 s–1 bis etwa 150 mbar l cm–2 s–1 liegen. Auf diese Weise kann eine sehr dichte mikroporöse Schicht ausgebildet werden. Schichtsysteme mit mehreren Schichten können dabei unterschiedliche Ausflussraten aufweisen, die das Ableiten von entstehendem Sauerstoff an der Anode eines Elektrolyseurs verbessern. It is advantageous if the at least one microporous layer is formed with an outflow rate in a range from about 0.01 mbar l cm -2 s -1 to about 500 mbar l cm -2 s -1 . In particular, the outflow rate may be in a range from about 0.1 mbar 1 cm -2 s -1 to about 150 mbar 1 cm -2 s -1 . In this way, a very dense microporous layer can be formed. Layer systems with multiple layers can have different outflow rates, which improve the discharge of oxygen produced at the anode of an electrolyzer.

Günstig ist es, wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht mit einer Plasma-Enthalpie in einem Bereich von etwa 8 MJ kg–1 bis etwa 30 MJ kg–1 aufgespritzt wird. Insbesondere kann die Schicht mit einer Plasma-Enthalpie in einem Bereich von etwa 15 MJ kg–1 bis etwa 23 MJ kg–1 aufgespritzt werden. Mit Plasma-Enthalpien in den angegebenen Bereich lassen sich qualitativ hervorragende Schichten mit gewünschten Eigenschaften ausbilden. It is advantageous if the at least one microporous layer with a plasma enthalpy in a range of about 8 MJ kg -1 to about 30 MJ kg -1 is sprayed. In particular, the layer may be sprayed with a plasma enthalpy in a range of about 15 MJ kg -1 to about 23 MJ kg -1 . With plasma enthalpies in the specified range can form qualitatively excellent layers with desired properties.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht mit einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit in einem Bereich von etwa 300 mm s–1 bis etwa 600 mm s–1 aufgespritzt wird. Insbesondere kann die Flammen-Auslenkgeschwindigkeit in einem Bereich von etwa 350 mm s–1 bis etwa 500 mm s–1 liegen. Beispielsweise lässt sich über die Auslenkgeschwindigkeit eine Ausflussrate der mindestens einen mikroporösen Schicht gezielt einstellen. Dichtere Schichten mit geringeren Ausflussraten können insbesondere ausgebildet werden, wenn die Flammen-Auslenkgeschwindigkeit, also die Abschaltegeschwindigkeit, verringert wird. Die Flammen-Auslenkgeschwindigkeit ist die dabei die Geschwindigkeit, mit welcher die Flamme über die zu beschichtende Oberfläche bewegt wird. Je höher die Flammen-Auslenkgeschwindigkeit ist, um so poröser und rauer wird die mikroporöse Schicht.Furthermore, it is advantageous if the at least one microporous layer is sprayed with a flame deflection speed in a range from about 300 mm s -1 to about 600 mm s -1 . In particular, the flame deflection speed may range from about 350 mm s -1 to about 500 mm s -1 . For example, an outflow rate of the at least one microporous layer can be adjusted in a targeted manner via the deflection speed. Denser layers with lower outflow rates can be formed in particular if the flame deflection speed, ie the turn-off speed, is reduced. The flame deflection speed is the speed with which the flame is moved over the surface to be coated. The higher the flame deflection speed, the more porous and rougher the microporous layer becomes.

Vorzugsweise werden zwei oder mehr mikroporöse Schichten ausgebildet durch Plasmaspritzen mit dem gleichen Titanpulver. Anders als beim Sintern sind somit nicht unterschiedliche Pulver mit unterschiedlichen Partikel- oder Korngrößen erforderlich, sondern die Herstellung des Stromkollektors kann mit einem einzigen Titanpulver erfolgen. Beispielsweise kann das Titanpulver Gd1 spährische Partikel der Firma TLS Technik sein mit einer mittleren Korngröße von etwa 45 μm. Preferably, two or more microporous layers are formed by plasma spraying with the same titanium powder. Unlike sintering, therefore, different powders with different particle or grain sizes are not required, but the production of the current collector can be done with a single titanium powder. For example, the titanium powder Gd1 can be spiked particles from the company TLS Technik with an average particle size of about 45 μm.

Um hochqualitative Stromkollektoren zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn Titanpulver mit einer Reinheit von mindestens etwa 99,6% bereitgestellt wird. Je reiner das Titanpulver ist, das zum Ausbilden der mindestens einen mikroporösen Schicht eingesetzt wird, umso reiner und frei von Fremdstoffen sind die Stromkollektoren. Undefinierte Fremdstoffe können insbesondere eine Funktion der elektrochemischen Zelle beeinträchtigen. In order to obtain high quality current collectors, it is advantageous to provide titanium powder having a purity of at least about 99.6%. The purer the titanium powder used to form the at least one microporous layer, the purer and free of contaminants are the current collectors. In particular, undefined foreign substances can impair a function of the electrochemical cell.

Um den Abtransport von sich bildendem Gas insbesondere bei Elektrolyseuren zu optimieren, ist es vorteilhaft, wenn zwei oder mehr mikroporöse Schichten oder Lagen derart ausgebildet werden, dass Porositäten aufeinanderfolgender Schichten oder Lagen ausgehend vom Substrat gleich sind oder abnehmen. So können insbesondere Porositäten zu einer Katalysatorschicht hin abnehmen, was umgekehrt das Ableiten von sich bildendem Sauerstoff an der Anode einer Elektrolysezelle erleichtert. In order to optimize the removal of forming gas, in particular in electrolyzers, it is advantageous if two or more microporous layers or layers are formed such that porosities of successive layers or layers starting from the substrate are the same or decrease. In particular, porosities can decrease towards a catalyst layer, which in turn facilitates the removal of oxygen which forms at the anode of an electrolysis cell.

Ferner ist es günstig, wenn eine Porosität der mindestens einen mikroporösen Schicht eingestellt wird durch Vorgabe einer Plasma-Enthalpie und/oder einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit. Insbesondere durch Einstellen eines oder beider genannter Verfahrensparameter beim Plasmaspritzen kann die Porosität variiert werden. Schichten werden umso dichter, also weniger porös, je geringer die Flammen-Auslenkgeschwindigkeit ist. Eine Porosität nimmt ferner ab mit zunehmender Plasma-Enthalpie. Auch Fließgeschwindigkeiten von Prozessgasen beim Vakuum-Plasmaspritzen, wie insbesondere eine Stickstoff-, Argon- oder Wasserstoff-Fließgeschwindigkeit, ermöglichen eine genaue und reproduzierbare Einstellung von Porosität, Rauheit, Porengröße und Dicke der mikroporösen Schicht. Furthermore, it is favorable if a porosity of the at least one microporous layer is set by predetermining a plasma enthalpy and / or a flame deflection speed. In particular, by adjusting one or both said process parameters in plasma spraying, the porosity can be varied. Layers become denser, ie less porous, the lower the flame deflection speed. Porosity also decreases with increasing plasma enthalpy. Flow rates of process gases in vacuum plasma spraying, in particular a nitrogen, argon or hydrogen flow rate, allow an accurate and reproducible adjustment of porosity, roughness, pore size and thickness of the microporous layer.

Um eine unerwünschte anodische Oxidationsreaktion zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn auf die mindestens mikroporöse Schicht eine Korrosionsschutzschicht aufgebracht wird. Insbesondere kann die Korrosionsschutzschicht eine Deckschicht des Stromkollektors bilden, also nur auf einer der mindestens einen mikroporösen Schichten aufgebracht sein. Vorzugsweise ist die Korrosionsschutzschicht dicht, dünn, leitfähig, korrosionsbeständig und/oder hydrophil. Insbesondere ist es günstig, wenn die Korrosionsschutzschicht die Mikroporen der mindestens einen mikroporösen Schicht nicht verschließt.In order to minimize an undesirable anodic oxidation reaction, it is advantageous if a corrosion protection layer is applied to the at least microporous layer. In particular, the anticorrosive layer can form a cover layer of the current collector, that is to say be applied to only one of the at least one microporous layers. Preferably, the corrosion protection layer is dense, thin, conductive, corrosion resistant and / or hydrophilic. In particular, it is favorable if the corrosion protection layer does not close the micropores of the at least one microporous layer.

Eine optimale Passivierung des Stromkollektors kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Korrosionsschutzschicht aus mindestens einem Edelmetall oder einem porösen Elektrokatalysator ausgebildet wird. Insbesondere kann es sich dabei um Gold, Platin und/oder Iridium handeln. Die Korrosionsschutzschicht kann insbesondere elektrochemisch abgeschieden werden. Der porsöse Elektrokatalysator kann insbesondere in Form einer elektrokatalytischen Schicht ausgebildet sein. Beispielsweise kann diese in Form von Schichten aus SnO2:Sb, Ti4O7, SnO2:M (mit M = Sb, In, Nb) oder TiO2:M (mit M = W, Nb, Mo) ausgebildet sein. An optimal passivation of the current collector can be achieved, in particular, by forming the anticorrosion layer from at least one noble metal or a porous electrocatalyst. In particular, these may be gold, platinum and / or iridium. The corrosion protection layer can be deposited in particular electrochemically. The porsöse electrocatalyst may be formed in particular in the form of an electrocatalytic layer. For example, this may be in the form of layers of SnO 2 : Sb, Ti 4 O 7 , SnO 2 : M (with M = Sb, In, Nb) or TiO 2 : M (with M = W, Nb, Mo).

Vorteilhaft ist es, wenn das Substrat mit einer Substratdicke bereitgestellt wird und wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht mit einer Schichtdicke aufgebracht wird, die kleiner als die Substratdicke ist. Auf diese Weise lassen sich besonders dünne mikroporöse Schichten und Schichtsysteme ausbilden. It is advantageous if the substrate is provided with a substrate thickness and if the at least one microporous layer is applied with a layer thickness which is smaller than the substrate thickness. In this way, particularly thin microporous layers and layer systems can be formed.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren zur Herstellung einer Membraneinheit der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf die erste Katalysatorschicht ein Stromkollektor aufgebracht wird, welcher nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird. The object stated in the introduction is also achieved in a method for producing a membrane unit of the type described in the introduction by applying to the first catalyst layer a current collector which is produced by one of the methods described above.

Auf diese Weise lassen sich Membraneinheiten ausbilden, die zur Herstellung von elektrochemischen Zellen, insbesondere Elektrolysezellen, genutzt werden können. So können insgesamt Membraneinheiten mit den oben beschriebenen Vorteilen ausgebildet werden.In this way, membrane units can be formed, which can be used for the production of electrochemical cells, in particular electrolysis cells. Thus, a total of membrane units can be formed with the advantages described above.

Günstig ist es, wenn der Stromkollektor selbsttragend hergestellt und mit der ersten Katalysatorschicht verpresst wird. Insbesondere kann das Verpressen unter Wärmeeinwirkung erfolgen, also in Form eines Heißverpressens ausgeführt werden. Auf diese Weise lassen sich definierte, hoch qualitative, dünne Stromkollektoren mit Katalysatorschichten zur Ausbildung von Membraneinheiten verbinden. It is advantageous if the current collector is made self-supporting and pressed with the first catalyst layer. In particular, the pressing can take place under the action of heat, that is, in the form of a hot pressing. In this way, defined, high-quality, thin current collectors can be connected to catalyst layers to form membrane units.

Vorteilhaft ist es, wenn auf die andere Seite der Protonen-Austausch-Membran eine zweite Katalysatorschicht aufgebracht wird. So kann eine Membraneinheit insbesondere die Protonen-Austausch-Membran, zwei Katalysatorschichten und mindestens einen Stromkollektor umfassen.It is advantageous if a second catalyst layer is applied to the other side of the proton exchange membrane. Thus, a membrane unit may in particular comprise the proton exchange membrane, two catalyst layers and at least one current collector.

Des Weiteren ist es günstig, wenn auf die zweite Katalysatorschicht ein weiterer Stromkollektor aufgebracht wird. Insbesondere kann der weitere Stromkollektor mit einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Insgesamt lässt sich so eine Membraneinheit ausbilden, mit einer Protonen-Austausch-Membran, die beidseitig je eine Katalysatorschicht trägt, welche wiederum jeweils mit einem Stromkollektor verbunden sein können, wobei insbesondere die anodische Katalysatorschicht mit einem mindestens eine mikroporöse Schicht umfassenden Stromkollektor ausgebildet wird. Furthermore, it is favorable if a further current collector is applied to the second catalyst layer. In particular, the further current collector can be produced by one of the methods described above. Overall, it is thus possible to form a membrane unit having a proton exchange membrane which carries a catalyst layer on both sides, which in turn may each be connected to a current collector, wherein in particular the anodic catalyst layer is formed with a current collector comprising at least one microporous layer.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine der oben beschriebenen Membraneinheiten hergestellt und zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet wird. The object stated in the introduction is further achieved in a method for producing an electrochemical cell according to the invention in that one of the membrane units described above is produced and arranged between two bipolar plates.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich elektrochemische Zellen ausbilden mit kleinen Grenzflächenkontaktwiderständen von Stromkollektoren zu einer Katalysatorschicht und zu einer Bipolarplatte.With the proposed method, electrochemical cells can be formed with small interfacial contact resistances of current collectors to a catalyst layer and to a bipolar plate.

Günstig ist es, wenn die Bipolarplatten mit Strömungskanälen versehen werden, die in Form von auf die Membraneinheit hin geöffneten Nuten ausgebildet werden. Durch die Strömungskanäle, auch als Flussfeld der Bipolarplatten bezeichnet, kann insbesondere bei die Anodenseite der Elektrolysezelle ausbildenden Bipolarplatten sich bildender Sauerstoff optimal abgeleitet werden. It is advantageous if the bipolar plates are provided with flow channels which are formed in the form of grooves opened onto the membrane unit. Through the flow channels, also referred to as the flow field of the bipolar plates, forming oxygen can be optimally dissipated, in particular at the anode side of the electrolysis cell forming bipolar plates.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Stromkollektor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dieser mindestens eine mikroporöse, aus Titan bestehende oder Titan enthaltende und durch Plasmaspritzen im Vakuum ausgebildete Schicht umfasst. The object stated in the introduction is further achieved, according to the invention, in a current collector of the type described above, comprising at least one microporous layer consisting of titanium or titanium and formed by plasma spraying in a vacuum.

Ein solcher Stromkollektor kann insbesondere deutlich dünner als herkömmliche, aus Titanpulver gesinterte Stromkollektoren ausgebildet werden. Wie oben beschrieben lassen sich durch das besondere Herstellungsverfahren Eigenschaften des Stromkollektors, insbesondere Porosität, Porengröße, Rauheit sowie Schichtdicke und Ausflussrate in gewünschter Weise einstellen.In particular, such a current collector can be formed significantly thinner than conventional current collector sintered titanium powder. As described above, properties of the current collector, in particular porosity, pore size, roughness and layer thickness and outflow rate can be set in the desired manner by means of the special manufacturing process.

Vorzugsweise ist die mindestens eine aus Titan bestehende Schicht durch Plasmaspritzen von Titanpulver ausgebildet. Insbesondere können auch mehr Schichten oder Lagen ausgebildet sein, die mit demselben Titanpulver aufgespritzt werden, beispielsweise im selben Aufspritzgang. Preferably, the at least one titanium layer is formed by plasma spraying titanium powder. In particular, more layers or layers may be formed, which are sprayed with the same titanium powder, for example, in the same injection molding.

Günstig ist es, wenn die Titan enthaltende Schicht durch Plasmaspritzen einer Mischung aus Titanpulver und mindestens einem Metallpulver ausgebildet ist, wobei das Metallpulver ein Pulver aus einem unedlen Metall ist. Insbesondere kann es sich bei dem unedlen Metall um Aluminium, Eisen oder Zink handeln. Die mikroporöse Schicht aus einer Mischung aus Titanpulver und einem Metallpulver auszubilden hat insbesondere den Vorteil, dass das unedle Metall nach dem Aufspritzen der Schicht auf einfache Weise entfernt werden kann, um besonders große Poren oder Poren definierter Größe, nämlich mit einer Größe der das unedle Metallpulver bildenden Partikel, in der mikroporösen Schicht auszubilden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das unedle Metall nur temporär Bestandteil der mikroporösen Schicht ist und somit den Stromkollektor nur in einem Zwischenstadium bei der Herstellung charakterisiert. It is favorable if the titanium-containing layer is formed by plasma spraying a mixture of titanium powder and at least one metal powder, wherein the metal powder is a powder of a non-noble metal. In particular, the base metal may be aluminum, iron or zinc. The microporous layer formed from a mixture of titanium powder and a metal powder has the particular advantage that the base metal after spraying the layer can be easily removed to very large pores or pores of defined size, namely with a size of the base metal powder forming particles to form in the microporous layer. In other words, this means that the base metal is only temporarily part of the microporous layer and thus characterizes the current collector only at an intermediate stage in the production.

Vorzugsweise ist die mindestens eine mikroporöse Schicht durch Plasmaspritzen auf ein durch Sintern von Titanpulver hergestelltes Substrat aufgebracht. Man kann also den Stromkollektor ausbilden durch einen herkömmlichen Stromkollektor aus gesintertem Titanpulver, der zusätzlich mindestens eine mikroporöse Schicht umfasst, die durch Plasmaspritzen aufgebracht wurde. Die mindestens eine mikroporöse Schicht verbessert insbesondere das Anhaften einer Korrosionsschutzschicht, beispielsweise aus einem Edelmetall oder einem dünnen Keramikfilm, und die Verbindung mit einer Katalysatorschicht der elektrochemischen Zelle. Preferably, the at least one microporous layer is applied by plasma spraying onto a substrate produced by sintering of titanium powder. It is therefore possible to form the current collector by means of a conventional current collector of sintered titanium powder, which additionally comprises at least one microporous layer which has been applied by plasma spraying. In particular, the at least one microporous layer improves the adhesion of a corrosion protection layer, for example of a noble metal or a thin ceramic film, and the connection with a catalyst layer of the electrochemical cell.

Besonders einfach herstellen lässt sich der Stromkollektor, wenn er durch das Substrat und die mindestens eine aus Titan bestehende mikroporöse Schicht ausgebildet wird. Die mindestens eine mikroporöse Schicht kann direkt auf das Substrat aufgebracht und diese Einheit so als Stromkollektor verwendet werden. Weitere Verfahrensschritte zur Herstellung des Stromkollektors sind dann nicht erforderlich. The current collector can be produced particularly easily if it is formed by the substrate and the at least one microporous layer made of titanium. The at least one microporous layer can be applied directly to the substrate and this unit can thus be used as a current collector. Further process steps for the production of the current collector are then not required.

Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens mikroporöse Schicht durch Plasmaspritzen auf ein aus einem unlegierten Stahl oder Kupfer gebildetes Substrat aufgebracht ist. Ein solcher Stromkollektor ermöglicht es insbesondere, das Substrat aus unlegiertem Stahl, Kupfer oder einem anderen korrodierbaren oder oxidierbaren Metall zu entfernen, um so in einem weiterem Verfahrensschritt einen selbsttragenden, lediglich die mindestens eine mikroporöse Schicht umfassenden Stromkollektor auszubilden. It is advantageous if the at least microporous layer is applied by plasma spraying onto a substrate formed from an unalloyed steel or copper. Such a current collector makes it possible, in particular, to remove the substrate from unalloyed steel, copper or another corrodible or oxidizable metal so as to form a self-supporting current collector comprising only the at least one microporous layer in a further method step.

Vorzugsweise ist der Stromkollektor selbsttragend ausgebildet. Dies ermöglicht es insbesondere, ihn separat herzustellen und zur Ausbildung von Membraneinheiten für elektrochemische Zellen oder zur Ausbildung elektrochemischer Zellen mit Katalysatorschichten einerseits und Bipolarplatten andererseits zu verbinden. Preferably, the current collector is self-supporting. This makes it possible, in particular, to manufacture it separately and to connect it to form membrane units for electrochemical cells or for the formation of electrochemical cells with catalyst layers on the one hand and bipolar plates on the other hand.

Günstigerweise ist die mindestens eine mikroporöse Schicht substratlos ausgebildet. So kann insbesondere eine sehr dünne Schicht zur Ausbildung des Stromkollektors erhalten werden. Insbesondere kann die mikroporöse Schicht auf einfache Weise selbsttragend ausgebildet werden, indem das Substrat, auf das die mindestens eine Schicht durch Vakuum-Plasmaspritzen aufgebracht wurde, entfernt wird, beispielsweise durch Korrosion oder Oxidation.Conveniently, the at least one microporous layer is formed substratlos. In particular, a very thin layer for forming the current collector can be obtained. In particular, the microporous layer can be formed in a simple manner self-supporting by the substrate to which the at least one layer has been applied by vacuum plasma spraying is removed, for example by corrosion or oxidation.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine in der Titan enthaltenden Schicht enthaltene unedle Metall entfernt ist. Insbesondere kann es durch Korrosion oder chemische Reaktion mit einem Oxidationsmittel entfernt sein. Es verbleiben dann Hohlräume oder Poren, die nach dem Aufspritzen der Mischung aus einem Titan- und mindestens einem Metallpulver durch unedle Metalle gebildet werden.According to a further preferred embodiment of the invention it can be provided that the at least one base metal contained in the titanium-containing layer is removed. In particular, it may be removed by corrosion or chemical reaction with an oxidizing agent. It then left cavities or pores, which are formed by the spraying of the mixture of a titanium and at least one metal powder by base metals.

Günstigerweise ist oder enthält das Oxidationsmittel Kaliumhydroxid (KOH) oder Schwefelsäure (H2SO4) oder Perchlorsäure (HClO4). Insbesondere lassen sich unedle Metalle durch Säuren schnell und einfach oxidieren. Conveniently, the oxidizing agent is or contains potassium hydroxide (KOH) or sulfuric acid (H 2 SO 4 ) or perchloric acid (HClO 4 ). In particular, base metals can be quickly and easily oxidized by acids.

Vorteilhaft ist es, wenn der Stromkollektor eine mittlere Stromkollektorschichtdicke in einem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm aufweist. Insbesondere kann der Stromkollektor mehrere mikroporöse Schichten umfassen. Der Stromkollektor ist so im Vergleich zu 1000 μm dicken herkömmlichen Stromkollektoren aus gesintertem Titanpulver deutlich dünner und ermöglicht einen kompakteren Aufbau elektrochemischer Zellen. Insbesondere durch dünne Schichten kann ein verbesserter Materietransport stattfinden. It is advantageous if the current collector has an average current collector layer thickness in a range from about 10 μm to about 100 μm. In particular, the current collector may comprise a plurality of microporous layers. The current collector is thus significantly thinner compared to 1000 μm thick conventional current collectors made of sintered titanium powder and allows a more compact construction of electrochemical cells. In particular through thin layers, an improved transport of matter can take place.

Um Eigenschaften des Stromkollektors, insbesondere Porosität, Porengröße, Schichtdicke, Ausflussrate und/oder einen Rauheitsfaktor in gewünschter Weise einstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Stromkollektor, zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr mikroporöse Schichten umfasst. In order to be able to set properties of the current collector, in particular porosity, pore size, layer thickness, outflow rate and / or a roughness factor in the desired manner, it is advantageous if the current collector has two, three, four, five, six, seven, eight or more microporous layers includes.

Günstig ist es, wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht eine Porengröße in einem Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm aufweist. Insbesondere kann die Porengröße in einem Bereich von etwa 1 μm bis etwa 2 μm liegen. Die Porengröße kann insbesondere abhängig von einer Position der mikroporösen Schicht oder Lage in der Membraneinheit oder der elektrochemischen Zelle gewählt werden, um einen optimalen Abtransport von beispielsweise in einer Elektrolysezelle entstehendem Sauerstoff zu erreichen. It is favorable if the at least one microporous layer has a pore size in a range from about 0.1 μm to about 10 μm. In particular, the pore size may be in a range from about 1 μm to about 2 μm. In particular, the pore size can be selected as a function of a position of the microporous layer or layer in the membrane unit or of the electrochemical cell, in order to achieve optimal removal of, for example, oxygen arising in an electrolysis cell.

Günstig ist es, wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht eine Porosität in einem Bereich von etwa 5 % bis etwa 28 % aufweist. Insbesondere kann die Porosität in einem Bereich von etwa 8 % bis etwa 15 % liegen. Auch hier können wieder unterschiedliche Schichten unterschiedliche Porositäten aufweisen, sodass diese vorzugsweise umso größer ist, je weiter diese mikroporöse Schicht von einer Katalysatorschicht der elektrochemischen Zelle entfernt ist. It is favorable if the at least one microporous layer has a porosity in a range from about 5% to about 28%. In particular, the porosity may range from about 8% to about 15%. Again, different layers may have different porosities, so that this is preferably the greater the further this microporous layer is removed from a catalyst layer of the electrochemical cell.

Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht eine Ausflussrate in einem Bereich von etwa 0,01 mbar l cm–2 s–1 bis etwa 500 mbar l cm–2 s–1 aufweist. Insbesondere kann die Ausflussrate in einem Bereich von etwa 0,1 mbar l cm–2 s–1 bis etwa 150 mbar l cm–2 s–1 liegen. Derartige Ausflussraten sind besonders günstig, um hocheffiziente elektrochemische Zellen, insbesondere Elektrolyseure, auszubilden. It is advantageous if the at least one microporous layer has an outflow rate in a range from about 0.01 mbar 1 cm -2 s -1 to about 500 mbar 1 cm -2 s -1 . In particular, the outflow rate may be in a range from about 0.1 mbar 1 cm -2 s -1 to about 150 mbar 1 cm -2 s -1 . Such outflow rates are particularly favorable for forming highly efficient electrochemical cells, in particular electrolysers.

Besonders dichte beziehungsweise in ihrer Porosität wie gewünscht eingestellte mikroporöse Schichten und Schichtsysteme lassen sich herstellen, wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht mit einer Plasma-Enthalpie in einem Bereich von etwa 8 MJ kg–1 bis etwa 30 MJ kg–1 gespritzt ist. Insbesondere kann die Plasma-Enthalpie in einem Bereich von etwa 15 MJ kg–1 bis etwa 23 MJ kg–1 liegen.Particularly dense or in their porosity as desired adjusted microporous layers and layer systems can be produced when the at least one microporous layer is injected with a plasma enthalpy in a range of about 8 MJ kg -1 to about 30 MJ kg -1 . In particular, the plasma enthalpy may range from about 15 MJ kg -1 to about 23 MJ kg -1 .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht mit einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit in einem Bereich von etwa 300 mm s–1 bis etwa 600 mm s–1 gespritzt ist. Insbesondere kann die mindestens eine mikroporöse Schicht mit einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit in einem Bereich von etwa 350 mm s–1 bis etwa 500 mm s–1 gespritzt sein. Durch die Flammen-Auslenkgeschwindigkeit lässt sich insbesondere eine Porosität sowie eine Größe der Poren der mindestens einen mikroporösen Schicht einstellen. Je kleiner die Flammen-Auslenkgeschwindigkeit ist, umso kleiner die Poren und umso kleiner die Ausflussgeschwindigkeit. According to a further preferred embodiment of the invention, it can be provided that the at least one microporous layer is sprayed with a flame deflection speed in a range from about 300 mm s -1 to about 600 mm s -1 . In particular, the at least one microporous layer may be sprayed at a flame deflection speed in a range of about 350 mm s -1 to about 500 mm s -1 . In particular, a porosity and a size of the pores of the at least one microporous layer can be adjusted by the flame deflection speed. The smaller the flame deflection speed, the smaller the pores and the smaller the outflow velocity.

Vorteilhaft ist es, wenn zwei oder mehr mikroporöse Schichten oder Lagen ausgebildet sind durch Plasmaspritzen mit dem gleichen Titanpulver. Es muss also nicht unterschiedliches Titanpulver und mit unterschiedlichen Korngrößen eingesetzt werden, um unterschiedliche Porengrößen und Porositäten des Stromkollektors einzustellen. Vielmehr können durch einfache Variation der Verfahrensparameter beim Plasmaspritzen der mindestens einen mikroporösen Schicht deren charakteristische Kenngrößen eingestellt werden, beispielsweise Dicke, Rauheit, Porengröße, Porosität und Ausflussrate. It is advantageous if two or more microporous layers or layers are formed by plasma spraying with the same titanium powder. It must therefore not be used different titanium powder and with different particle sizes to adjust different pore sizes and porosities of the current collector. Rather, by simple variation of the process parameters during plasma spraying of the at least one microporous layer, its characteristic parameters can be set, for example thickness, roughness, pore size, porosity and outflow rate.

Günstig ist es, wenn das Titanpulver zur Ausbildung der mindestens einen mikroporösen Schicht eine Reinheit von mindestens etwa 99,6% aufweist. Mit einem derart reinen Ausgangsmaterial lassen sich Stromkollektoren gewünschter Reinheit und damit mit den gewünschten Eigenschaften ausbilden. It is favorable if the titanium powder has a purity of at least about 99.6% in order to form the at least one microporous layer. With such a pure starting material can be current collectors desired purity and thus form with the desired properties.

Vorteilhaft ist es, wenn zwei oder mehr mikroporöse Schichten derart ausgebildet sind, dass Porositäten aufeinanderfolgender Schichten gleich sind oder abnehmen, insbesondere ausgehend vom Substrat, auf das die mindestens zwei mikroporösen Schichten oder Lagen aufgespritzt sind. Auf diese Weise kann ein Materialfluss hin zu mikroporösen Schichten mit größeren Poren verbessert werden, beispielsweise eine Ableitung von entstandenem Sauerstoff in Elektrolysezellen zu einer Bipolarplatte der Anode hin. It is advantageous if two or more microporous layers are formed such that porosities of successive layers are the same or decrease, in particular starting from the substrate onto which the at least two microporous layers or layers are sprayed. In this way, a flow of material can be improved towards microporous layers with larger pores, for example, a derivative of originated oxygen in electrolysis cells to a bipolar plate of the anode.

Vorteilhaft ist es, wenn die Porosität der mindestens einen mikroporösen Schicht durch Vorgabe einer Plasma-Enthalpie und/oder einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit beim Spritzen eingestellt ist. Dies kann insbesondere daran erkannt werden, wie sich Porositäten aufeinander liegender mikroporöser Schichten oder Lagen unterscheiden. Zudem ist die Qualität der mikroporösen Schichten deutlich besser als durch Sintern von Titanpulver unterschiedlicher Korngröße ausgebildeter Stromkollektoren. It is advantageous if the porosity of the at least one microporous layer is set by predetermining a plasma enthalpy and / or a flame deflection speed during spraying. This can be recognized in particular by how porosities of superimposed microporous layers or layers differ. In addition, the quality of the microporous layers is significantly better than by sintering of titanium powder of different particle size formed current collectors.

Um zu verhindern, dass der Stromkollektor anodisch oxidiert, ist auf die mindestens eine mikroporöse Schicht eine Korrosionsschutzschicht aufgebracht. Insbesondere kann die Korrosionsschutzschicht eine dünne Oberflächenschicht des Stromkollektors bilden. Sie schützt den Stromkollektor insbesondere vor Korrosion. Die Korrosionsschutzschicht kann insbesondere aus einer dünnen Keramikschicht ausgebildet sein, die den Stromkollektor vor Oxidation schützt. In order to prevent the current collector from oxidizing anodically, a corrosion protection layer is applied to the at least one microporous layer. In particular, the corrosion protection layer can form a thin surface layer of the current collector. It protects the current collector in particular from corrosion. The corrosion protection layer may in particular be formed from a thin ceramic layer which protects the current collector from oxidation.

Günstig ist es, wenn die Korrosionsschutzschicht aus mindestens einem Edelmetall gebildet ist oder mindestens ein Edelmetall enthält oder aus einem porösen Elektrokatalysator gebildet ist. Insbesondere kann es sich bei dem Edelmetall um Gold, Platin und/oder Iridium handeln. Eine solche Korrosionsschutzschicht kann insbesondere durch elektrochemische Abscheidung hergestellt sein. Der Elektrokatalysator kann insbesondere SnO2:Sb, Ti4O7, SnO2:M (mit M = Sb, In, Nb) oder TiO2:M (mit M = W, Nb, Mo) sein. It is advantageous if the corrosion protection layer is formed from at least one noble metal or contains at least one noble metal or is formed from a porous electrocatalyst. In particular, the noble metal may be gold, platinum and / or iridium. Such a corrosion protection layer can be produced in particular by electrochemical deposition. The electrocatalyst may in particular be SnO 2 : Sb, Ti 4 O 7 , SnO 2 : M (with M = Sb, In, Nb) or TiO 2 : M (with M = W, Nb, Mo).

Vorteilhaft ist es, wenn das Substrat eine Substratdicke aufweist und wenn die mindestens eine mikroporöse Schicht eine Schichtdicke aufweist, die kleiner als die Substratdicke ist. Auf diese Weise lassen sich besonders dünne mikroporöse Schichten und Schichtsysteme ausbilden. It is advantageous if the substrate has a substrate thickness and if the at least one microporous layer has a layer thickness which is smaller than the substrate thickness. In this way, particularly thin microporous layers and layer systems can be formed.

Vorteilhafterweise weist die Korrosionsschutzschicht eine Korrosionsschutzschichtdicke auf, welche kleiner als die Schichtdicke der mindestens einen mikroporösen Schicht ist. Auf diese Weise lassen sich Kosten reduzieren. Ferner lässt sich so eine große Rauheit der mindestens einen mikroporösen Schicht erhalten, um insbesondere ein Anhaften beziehungsweise eine Verbindung mit einer Katalysatorschicht zu verbessern. Die Rauheit der mindestens einen mikroporösen Schicht verbessert zudem das Anhaften der Korrosionsschutzschicht. Advantageously, the corrosion protection layer has a corrosion protection layer thickness which is smaller than the layer thickness of the at least one microporous layer. In this way costs can be reduced. Furthermore, a large roughness of the at least one microporous layer can thus be obtained, in order in particular to improve adhesion or a connection to a catalyst layer. The roughness of the at least one microporous layer also improves the adhesion of the corrosion protection layer.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer Membraneinheit der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf die erste Katalysatorschicht einer der oben beschriebenen Stromkollektoren aufgebracht ist. Die Membraneinheit weist dann ebenfalls die im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen von Stromkollektoren beschriebenen Vorteile auf. The object stated in the introduction is also achieved according to the invention in a membrane unit of the type described above in that one of the current collectors described above is applied to the first catalyst layer. The membrane unit then also has the advantages described in connection with preferred embodiments of current collectors.

Günstig ist es, wenn der Stromkollektor selbsttragend hergestellt und mit der ersten Katalysatorschicht verpresst ist. Insbesondere kann er mit der ersten Katalysatorschicht heißverpresst sein. Auf diese Weise lassen sich insgesamt besonders kompakte Membraneinheiten und damit auch besonders kompakte elektrochemische Zellen ausbilden. It is advantageous if the current collector is made self-supporting and pressed with the first catalyst layer. In particular, it may be hot-pressed with the first catalyst layer. In this way, it is possible to form particularly compact membrane units and thus also particularly compact electrochemical cells.

Vorzugsweise ist auf der anderen Seiten der Protonen-Austausch-Membran eine zweite Katalysatorschicht aufgebracht. Dabei kann es sich insbesondere um eine kathodische Katalysatorschicht handeln. Preferably, a second catalyst layer is applied on the other side of the proton exchange membrane. This may in particular be a cathodic catalyst layer.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn auf die zweite Katalysatorschicht ein weiterer Stromkollektor aufgebracht ist. Insbesondere kann es sich dabei um einen der oben beschriebenen Stromkollektoren handeln. So lassen sich insgesamt Membraneinheiten ausbilden umfassend eine Protonen-Austausch-Membran, zwei Katalysatorschichten und zwei Stromkollektoren. Diese können als Einheit hergestellt und zur Ausbildung elektrochemischer Zellen mit Bipolarplatten oder weiteren Schichten kombiniert oder versehen werden.It is also advantageous if a further current collector is applied to the second catalyst layer. In particular, this may be one of the current collectors described above. Thus, a total of membrane units can be formed comprising a proton exchange membrane, two catalyst layers and two current collectors. These can be manufactured as a unit and combined or provided with bipolar plates or other layers to form electrochemical cells.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Zelle der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß gelöst, durch Anordnen einer der oben beschriebenen vorteilhaften Membraneinheiten zwischen die zwei Bipolarplatten. The object stated in the introduction is achieved according to the invention in an electrochemical cell of the type described in the introduction by arranging one of the above-described advantageous membrane units between the two bipolar plates.

Eine solche elektrochemische Zelle weist dann insgesamt die oben im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen von Stromkollektoren beschriebenen Vorteile auf. Such an electrochemical cell will then collectively have the advantages described above in connection with preferred embodiments of current collectors.

Ferner ist es günstig, wenn die zwei Bipolarplatten Strömungskanäle aufweisen, die in Form von auf die Membraneinheit hin geöffneten Nuten ausgebildet sind. Bipolarplatten mit solchen Strömungskanälen, die auch als Flussfelder bezeichnet werden, ermöglichen auf einfache Weise das Ableiten von entstehenden Gasen, beispielsweise von Sauerstoff an der Anode einer Elektrolysezelle. Furthermore, it is favorable if the two bipolar plates have flow channels which are formed in the form of grooves opened onto the membrane unit. Bipolar plates with such flow channels, which are also referred to as flow fields, make it possible in a simple manner to divert resulting gases, for example oxygen, at the anode of an electrolysis cell.

Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die nachfolgend in Form durchnummerierter Sätze definierten Ausführungsformen von Stromkollektoren, Membraneinheiten, elektrochemischen Zellen sowie Verfahren zur Herstellung derselben:

  • 1. Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektors (26) für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle (10), insbesondere einer Anode eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (50) bereitgestellt wird und dass zur Ausbildung des Stromkollektors mindestens eine mikroporöse, aus Titan bestehende oder Titan enthaltende Schicht (44) auf das Substrat (50) durch Plasmaspritzen im Vakuum aufgebracht wird.
  • 2. Verfahren nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine aus Titan bestehende Schicht (44) durch Plasmaspritzen von Titanpulver aufgebracht wird.
  • 3. Verfahren nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Titan enthaltende Schicht (44) durch Plasmaspritzen einer Mischung aus Titanpulver und mindestens einem Metallpulver aufgebracht wird, wobei das mindestens eine Metallpulver ein Pulver aus einem unedlen Metall ist, insbesondere aus Aluminium, Eisen oder Zink.
  • 4. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (50) durch Sintern von Titanpulver hergestellt oder durch ein Titan-Streckgitter gebildet wird.
  • 5. Verfahren nach Satz 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) durch das Substrat (50) und die mindestens eine aus Titan bestehende Schicht (44) ausgebildet wird.
  • 6. Verfahren nach einem der Sätze 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat unlegierter Stahl oder Kupfer bereitgestellt wird.
  • 7. Verfahren nach einem der Sätze 1 bis 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) in Form einer selbsttragenden Schicht ausgebildet wird.
  • 8. Verfahren nach Satz 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der selbsttragenden Schicht (44) das Substrat entfernt wird, insbesondere durch Korrosion oder chemische Reaktion mit einem Oxidationsmittel.
  • 9. Verfahren nach einem der Sätze 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine in der Titan enthaltenden Schicht (44) enthaltene unedle Metall entfernt wird, insbesondere durch Korrosion oder chemische Reaktion mit einem Oxidationsmittel.
  • 10. Verfahren nach Satz 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel Kaliumhydroxid (KOH) oder Schwefelsäure (H2SO4) oder Perchlorsäure (HClO4) eingesetzt werden.
  • 11. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) mit einer mittleren Stromkollektorschichtdicke in einem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm ausgebildet wird.
  • 12. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr mikroporöse Schichten (44) zur Ausbildung des Stromkollektors (26) auf das Substrat (50) aufgebracht werden.
  • 13. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) mit einer Porengröße in einem Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm ausgebildet wird, insbesondere in einem Bereich von etwa 1 μm bis etwa 2 μm.
  • 14. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) mit einer Porosität in einem Bereich von etwa 5 % bis etwa 28 % ausgebildet wird, insbesondere in einem Bereich von etwa 8 % bis etwa 15 %.
  • 15. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) mit einer Ausflussrate in einem Bereich von etwa 0,01 mbar l cm–2 s–1 bis etwa 500 mbar l cm–2 s–1 ausgebildet wird, insbesondere in einem Bereich von etwa 0,1 mbar l cm–2 s–1 bis etwa 150 mbar l cm–2 s–1.
  • 16. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) mit einer Plasma-Enthalpie in einem Bereich von etwa 8 MJ kg–1 bis etwa 30 MJ kg–1 aufgespritzt wird, insbesondere mit einer Plasma-Enthalpie in einem Bereich von etwa 15 MJ kg–1 bis etwa 23 MJ kg–1.
  • 17. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) mit einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit in einem Bereich von etwa 300 mm s–1 bis etwa 600 mm s–1 aufgespritzt wird, insbesondere mit einer FlammenAuslenkgeschwindigkeit in einem Bereich von etwa 350 mm s–1 bis etwa 500 mm s–1.
  • 18. Verfahren nach einem der Sätze 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr mikroporöse Schichten (44) ausgebildet werden durch Plasmaspritzen mit dem gleichen Titanpulver.
  • 19. Verfahren nach einem der Sätze 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Titanpulver mit einer Reinheit von mindestens etwa 99,6% bereitgestellt wird.
  • 20. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr mikroporöse Schichten (44) derart ausgebildet werden, dass Porositäten aufeinanderfolgender Schichten (44) ausgehend vom Substrat (50) gleich sind oder abnehmen.
  • 21. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porosität der mindestens einen mikroporösen Schicht (44) eingestellt wird durch Vorgabe einer Plasma-Enthalpie und/oder einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit.
  • 22. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass auf die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) eine Korrosionsschutzschicht (64) aufgebracht wird.
  • 23. Verfahren nach Satz 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht aus mindestens einem Edelmetall ausgebildet wird, insbesondere aus Gold, Platin und/oder Iridium, oder durch einen porösen Elektrokatalysator, insbesondere SnO2:Sb, Ti4O7, SnO2:M (mit M = Sb, In, Nb) oder TiO2:M (mit M = W, Nb, Mo).
  • 24. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (50) mit einer Substratdicke (d1) bereitgestellt wird und dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) mit einer Schichtdicke (d5) aufgebracht wird, die kleiner als die Substratdicke (d1) ist.
  • 25. Verfahren nach einem der Sätze 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (64) mit einer Korrosionsschutzschichtdicke (d6) aufgebracht wird, welche kleiner als die Schichtdicke (d5) der mindestens einen mikroporösen Schicht (44) ist.
  • 26. Verfahren zur Herstellung einer Membraneinheit (14) einer elektrochemischen Zelle, insbesondere eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), bei welchem eine Protonen-Austausch-Membran (18) bereitgestellt wird, auf deren einer Seite eine erste Katalysatorschicht (20) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste Katalysatorschicht (20) ein Stromkollektor (26) aufgebracht wird und dass der Stromkollektor (26) mit einem Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze hergestellt wird.
  • 27. Verfahren nach Satz 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) selbsttragend hergestellt und mit der ersten Katalysatorschicht (20) verpresst wird, insbesondere heißverpresst.
  • 28. Verfahren nach Satz 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass auf die andere Seite der Protonen-Austausch-Membran (18) eine zweite Katalysatorschicht (22) aufgebracht wird.
  • 29. Verfahren nach einem der Sätze 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zweite Katalysatorschicht (22) ein weiterer Stromkollektor aufgebracht wird, insbesondere dass der weitere Stromkollektor (24) mit einem Verfahren nach einem der Sätze 1 bis 25 hergestellt wird.
  • 30. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle (10), insbesondere eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), dadurch gekennzeichnet, dass eine Membraneinheit (14) nach einem der Sätze 26 bis 29 hergestellt und zwischen zwei Bipolarplatten (28, 30) angeordnet wird.
  • 31. Verfahren nach Satz 30, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Bipolarplatten (28, 30) mit Strömungskanälen (32, 34) versehen werden, die in Form von auf die Membraneinheit (14) hin geöffneten Nuten ausgebildet werden.
  • 32. Stromkollektor (26) für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle (10), insbesondere einer Anode eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), gekennzeichnet durch mindestens eine mikroporöse, aus Titan bestehende oder Titan enthaltende und durch Plasmaspritzen im Vakuum ausgebildete Schicht (44).
  • 33. Stromkollektor nach Satz 32, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine aus Titan bestehende Schicht (44) durch Plasmaspritzen von Titanpulver ausgebildet ist.
  • 34. Stromkollektor nach Satz 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Titan enthaltende Schicht (44) durch Plasmaspritzen einer Mischung aus Titanpulver und mindestens einem Metallpulver ausgebildet ist, wobei das Metallpulver ein Pulver aus einem unedlen Metall ist, insbesondere aus Aluminium, Eisen oder Zink.
  • 35. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) durch Plasmaspritzen auf ein durch Sintern von Titanpulver hergestelltes Substrat (50) aufgebracht ist.
  • 36. Stromkollektor nach Satz 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) durch das Substrat (50) und die mindestens eine aus Titan bestehende Schicht (44) ausgebildet wird.
  • 37. Stromkollektor nach Satz 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) durch Plasmaspritzen auf ein aus einem unlegierten Stahl oder Kupfer gebildetes Substrat aufgebracht ist.
  • 38. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) selbsttragend ausgebildet ist.
  • 39. Stromkollektor nach Satz 38, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) substratlos ausgebildet ist.
  • 40. Stromkollektor nach einem der Sätze 34 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine in der Titan enthaltenden Schicht (44) enthaltene unedle Metall entfernt ist, insbesondere durch Korrosion oder chemische Reaktion mit einem Oxidationsmittel.
  • 41. Stromkollektor nach Satz 40, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel Kaliumhydroxid (KOH) oder Schwefelsäure (H2SO4) oder Perchlorsäure (HClO4) ist oder enthält.
  • 42. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) eine mittlere Stromkollektorschichtdicke in einem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm aufweist.
  • 43. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr mikroporöse Schichten (44) umfasst.
  • 44. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) eine Porengröße in einem Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm aufweist, insbesondere in einem Bereich von etwa 1 μm bis etwa 2 μm.
  • 45. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) eine Porosität in einem Bereich von etwa 5 % bis etwa 28 % aufweist, insbesondere in einem Bereich von etwa 8 % bis etwa 15 %.
  • 46. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) eine Ausflussrate in einem Bereich von etwa 0,01 mbar l cm–2 s–1 bis etwa 500 mbar l cm–2 s–1 aufweist, insbesondere in einem Bereich von etwa 0,1 mbar l cm–2 s–1 bis etwa 150 mbar l cm–2 s–1.
  • 47. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) mit einer Plasma-Enthalpie in einem Bereich von etwa 8 MJ kg–1 bis etwa 30 MJ kg–1 gespritzt ist, insbesondere mit einer Plasma-Enthalpie in einem Bereich von etwa 15 MJ kg–1 bis etwa 23 MJ kg–1.
  • 48. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) mit einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit in einem Bereich von etwa 300 mm s–1 bis etwa 600 mm s–1 gespritzt ist, insbesondere mit einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit in einem Bereich von etwa 350 mm s–1 bis etwa 500 mm s–1.
  • 49. Stromkollektor nach einem der Sätze 33 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr mikroporöse Schichten (44) ausgebildet sind durch Plasmaspritzen mit dem gleichen Titanpulver.
  • 50. Stromkollektor nach Satz 49, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanpulver zur Ausbildung der mindestens einen mikroporösen Schicht (44) eine Reinheit von mindestens etwa 99,6% aufweist.
  • 51. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr mikroporöse Schichten (44) derart ausgebildet sind, dass Porositäten aufeinanderfolgender Schichten (44) gleich sind oder abnehmen, insbesondere ausgehend vom Substrat (50).
  • 52. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der mindestens einen mikroporösen Schicht (44) durch Vorgabe einer Plasma-Enthalpie und/oder einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit beim Spritzen eingestellt ist.
  • 53. Stromkollektor nach einem der Sätze 32 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass auf die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) eine Korrosionsschutzschicht (64) aufgebracht ist.
  • 54. Stromkollektor nach Satz 53, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (64) aus mindestens einem Edelmetall gebildet ist oder mindestens ein Edelmetall enthält, insbesondere ein Gold, Platin und/oder Iridium, oder in Form einer elektrokatalytischen Schicht ausgebildet ist.
  • 55. Stromkollektor nach einem der Sätze 35 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (50) eine Substratdicke (d1) aufweist und dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) eine Schichtdicke (d5) aufweist, die kleiner als die Substratdicke (d1) ist.
  • 56. Stromkollektor nach einem der Sätze 53 bis 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (64) eine Korrosionsschutzschichtdicke (d6) aufweist, welche kleiner als die Schichtdicke (d5) der mindestens einen mikroporösen Schicht (44) ist.
  • 57. Membraneinheit (14) einer elektrochemischen Zelle (10), insbesondere eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), umfassend eine Protonen-Austausch-Membran (18), auf deren einer Seite eine erste Katalysatorschicht (20) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste Katalysatorschicht (20) ein Stromkollektor (26) nach einem der Sätze 32 bis 56 aufgebracht ist.
  • 58. Membraneinheit nach Satz 57, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) selbsttragend hergestellt und mit der ersten Katalysatorschicht (20) verpresst ist, insbesondere heißverpresst.
  • 59. Membraneinheit nach Satz 57 oder 58, dadurch gekennzeichnet, dass auf die andere Seite der Protonen-Austausch-Membran (18) eine zweite Katalysatorschicht (22) aufgebracht ist.
  • 60. Membraneinheit nach Satz 59, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zweite Katalysatorschicht (22) ein weiterer Stromkollektor (24) aufgebracht ist, insbesondere ein Stromkollektor (24) nach einem der Sätze 32 bis 56.
  • 61. Elektrochemische Zelle (10), insbesondere in Form eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), umfassend zwei Bipolarplatten (30, 32) und eine zwischen diesen angeordnete Membraneinheit (14) nach einem der Sätze 58 bis 60.
  • 62. Elektrochemische Zelle nach Satz 61, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Bipolarplatten (30, 32) Strömungskanäle (32, 34) aufweisen, die in Form von auf die Membraneinheit (14) hin geöffneten Nuten ausgebildet sind.
The above description thus includes in particular the embodiments of current collectors, membrane units, electrochemical cells and methods for producing the same, which are defined below in the form of numbered sets:
  • 1. Method for producing a current collector ( 26 ) for an electrode of an electrochemical cell ( 10 ), in particular an anode of a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ), characterized in that a substrate ( 50 ) and that for forming the current collector at least one microporous, titanium-containing or titanium-containing layer ( 44 ) on the substrate ( 50 ) is applied by plasma spraying in a vacuum.
  • 2. Method according to sentence 1, characterized in that the at least one titanium layer ( 44 ) is applied by plasma spraying of titanium powder.
  • 3. Process according to sentence 1, characterized in that the titanium-containing layer ( 44 ) is applied by plasma spraying a mixture of titanium powder and at least one metal powder, wherein the at least one metal powder is a powder of a base metal, in particular of aluminum, iron or zinc.
  • 4. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that the substrate ( 50 ) is produced by sintering titanium powder or is formed by a titanium expanded metal mesh.
  • 5. Method according to sentence 4, characterized in that the current collector ( 26 ) through the substrate ( 50 ) and the at least one titanium layer ( 44 ) is formed.
  • 6. The method according to any one of sentences 1 to 3, characterized in that is provided as the substrate unalloyed steel or copper.
  • 7. Method according to one of the sentences 1 to 3 or 6, characterized in that the current collector ( 26 ) is formed in the form of a self-supporting layer.
  • 8. Method according to sentence 7, characterized in that for the formation of the self-supporting layer ( 44 ) the substrate is removed, in particular by corrosion or chemical reaction with an oxidizing agent.
  • 9. Method according to one of the sentences 3 to 8, characterized in that the at least one layer containing titanium ( 44 ) is removed, in particular by corrosion or chemical reaction with an oxidizing agent.
  • 10. The method according to sentence 9, characterized in that as the oxidizing agent potassium hydroxide (KOH) or sulfuric acid (H 2 SO 4 ) or perchloric acid (HClO 4 ) are used.
  • 11. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that the current collector ( 26 ) is formed with an average current collector layer thickness in a range of about 10 microns to about 100 microns.
  • 12. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that two, three, four, five, six, seven, eight or more microporous layers ( 44 ) for the formation of the current collector ( 26 ) on the substrate ( 50 ) are applied.
  • 13. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) is formed with a pore size in a range of about 0.1 microns to about 10 microns, in particular in a range of about 1 micron to about 2 microns.
  • 14. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) having a porosity in a range of about 5% to about 28%, in particular in a range of about 8% to about 15%.
  • 15. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) is formed with an outflow rate in a range from about 0.01 mbar l cm -2 s -1 to about 500 mbar l cm -2 s -1 , in particular in a range of about 0.1 mbar l cm -2 s - 1 to about 150 mbar l cm -2 s -1 .
  • 16. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) having a plasma enthalpy in a range of about 8 MJ kg -1 to about 30 MJ kg -1 , in particular with a plasma enthalpy in a range of about 15 MJ kg -1 to about 23 MJ kg -1 .
  • 17. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) is sprayed at a flame deflection speed in a range of about 300 mm s -1 to about 600 mm s -1 , in particular with a flame sweep speed in a range of about 350 mm s -1 to about 500 mm s -1 .
  • 18. Method according to one of the sentences 2 to 17, characterized in that two or more microporous layers ( 44 ) are formed by plasma spraying with the same titanium powder.
  • 19. A method according to any one of sentences 2 to 17, characterized in that titanium powder having a purity of at least about 99.6% is provided.
  • 20. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that two or more microporous layers ( 44 ) are formed such that porosities of successive layers ( 44 ) starting from the substrate ( 50 ) are equal or decrease.
  • 21. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that a porosity of the at least one microporous layer ( 44 ) is set by specifying a plasma enthalpy and / or a flame deflection speed.
  • 22. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) a corrosion protection layer ( 64 ) is applied.
  • 23. Method according to sentence 22, characterized in that the corrosion protection layer is formed from at least one noble metal, in particular from gold, platinum and / or iridium, or by a porous electrocatalyst, in particular SnO 2 : Sb, Ti 4 O 7 , SnO 2 : M (with M = Sb, In, Nb) or TiO 2 : M (with M = W, Nb, Mo).
  • 24. Method according to one of the preceding sentences, characterized in that the substrate ( 50 ) is provided with a substrate thickness (d 1 ) and that the at least one microporous layer ( 44 ) is applied with a layer thickness (d 5 ) which is smaller than the substrate thickness (d 1 ).
  • 25. Method according to one of the sentences 22 to 24, characterized in that the corrosion protection layer ( 64 ) having a corrosion protection layer thickness (d 6 ) which is smaller than the layer thickness (d 5 ) of the at least one microporous layer ( 44 ).
  • 26. Method for producing a membrane unit ( 14 ) an electrochemical cell, in particular a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ), in which a proton exchange membrane ( 18 ) is provided, on one side of which a first catalyst layer ( 20 ) is applied, characterized in that on the first catalyst layer ( 20 ) a current collector ( 26 ) is applied and that the current collector ( 26 ) is produced by a method according to one of the preceding sentences.
  • 27. Method according to sentence 26, characterized in that the current collector ( 26 ) self-supporting and with the first catalyst layer ( 20 ) is pressed, in particular hot pressed.
  • 28. Method according to sentence 26 or 27, characterized in that on the other side of the proton exchange membrane ( 18 ) a second catalyst layer ( 22 ) is applied.
  • 29. Method according to one of the sentences 26 to 28, characterized in that the second catalyst layer ( 22 ) a further current collector is applied, in particular that the further current collector ( 24 ) is produced by a method according to any one of sentences 1 to 25.
  • 30. Method for producing an electrochemical cell ( 10 ), in particular a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ), characterized in that a membrane unit ( 14 ) according to one of the sentences 26 to 29 and between two bipolar plates ( 28 . 30 ) is arranged.
  • 31. Method according to sentence 30, characterized in that the two bipolar plates ( 28 . 30 ) with flow channels ( 32 . 34 ) provided in the form of on the membrane unit ( 14 ) are formed open towards grooves.
  • 32. current collector ( 26 ) for an electrode of an electrochemical cell ( 10 ), in particular an anode of a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ), characterized by at least one microporous layer consisting of titanium or titanium and formed by plasma spraying in a vacuum ( 44 ).
  • 33. Current collector according to sentence 32, characterized in that the at least one layer consisting of titanium ( 44 ) is formed by plasma spraying of titanium powder.
  • 34. current collector according to sentence 32, characterized in that the titanium-containing layer ( 44 ) is formed by plasma spraying a mixture of titanium powder and at least one metal powder, wherein the metal powder is a powder of a base metal, in particular of aluminum, iron or zinc.
  • 35. Current collector according to one of the sentences 32 to 34, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 by plasma spraying onto a substrate produced by sintering of titanium powder ( 50 ) is applied.
  • 36. Current collector according to sentence 35, characterized in that the current collector ( 26 ) through the substrate ( 50 ) and the at least one titanium layer ( 44 ) is formed.
  • 37. current collector according to sentence 32 to 35, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) is applied by plasma spraying onto a substrate formed of a non-alloyed steel or copper.
  • 38. Current collector according to one of the sentences 32 to 34 or 35, characterized in that the current collector ( 26 ) is self-supporting trained.
  • 39. current collector according to sentence 38, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) is formed substratlos.
  • 40. Current collector according to one of the sentences 34 to 39, characterized in that the at least one layer containing titanium ( 44 ) is removed, in particular by corrosion or chemical reaction with an oxidizing agent.
  • 41. current collector according to sentence 40, characterized in that the oxidizing agent is potassium hydroxide (KOH) or sulfuric acid (H 2 SO 4 ) or perchloric acid (HClO 4 ) or contains.
  • 42. Current collector according to one of the sentences 32 to 41, characterized in that the current collector ( 26 ) has an average current collector layer thickness in a range of about 10 μm to about 100 μm.
  • 43. current collector according to one of the sentences 32 to 42, characterized in that the current collector ( 26 ) two, three, four, five, six, seven, eight or more microporous layers ( 44 ).
  • 44. Current collector according to one of the sentences 32 to 43, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) has a pore size in a range from about 0.1 μm to about 10 μm, in particular in a range from about 1 μm to about 2 μm.
  • 45. Current collector according to one of the sentences 32 to 44, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) has a porosity in a range of about 5% to about 28%, more preferably in a range of about 8% to about 15%.
  • 46. Current collector according to one of the sentences 32 to 45, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) has an outflow rate in a range of about 0.01 mbar l cm -2 s -1 to about 500 mbar l cm -2 s -1 , in particular in a range of about 0.1 mbar l cm -2 s -1 to about 150 mbar l cm -2 s -1 .
  • 47. Current collector according to one of the sentences 32 to 46, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) having a plasma enthalpy in a range of about 8 MJ kg -1 to about 30 MJ kg -1 , in particular having a plasma enthalpy in a range of about 15 MJ kg -1 to about 23 MJ kg -1 .
  • 48. Current collector according to one of the sentences 32 to 47, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) having a flame deflection speed in a range of about 300 mm s -1 to about 600 mm s -1 , in particular having a flame deflection speed in a range of about 350 mm s -1 to about 500 mm s -1 .
  • 49. Current collector according to one of the sentences 33 to 48, characterized in that two or more microporous layers ( 44 ) are formed by plasma spraying with the same titanium powder.
  • 50. current collector according to sentence 49, characterized in that the titanium powder for forming the at least one microporous layer ( 44 ) has a purity of at least about 99.6%.
  • 51. Current collector according to one of the sentences 32 to 50, characterized in that two or more microporous layers ( 44 ) are formed such that porosities of successive layers ( 44 ) are the same or decrease, in particular starting from the substrate ( 50 ).
  • 52. Current collector according to one of the sentences 32 to 51, characterized in that the porosity of the at least one microporous layer ( 44 ) is set by setting a plasma enthalpy and / or a flame deflection speed during spraying.
  • 53. Current collector according to one of the sentences 32 to 52, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) a corrosion protection layer ( 64 ) is applied.
  • 54. current collector according to sentence 53, characterized in that the corrosion protection layer ( 64 ) is formed from at least one noble metal or contains at least one noble metal, in particular a gold, platinum and / or iridium, or in the form of an electrocatalytic layer is formed.
  • 55. Current collector according to one of the sentences 35 to 54, characterized in that the substrate ( 50 ) has a substrate thickness (d 1 ) and that the at least one microporous layer ( 44 ) has a layer thickness (d 5 ) which is smaller than the substrate thickness (d 1 ).
  • 56. Current collector according to one of the sentences 53 to 55, characterized in that the corrosion protection layer ( 64 ) has a corrosion protection layer thickness (d 6 ) which is smaller than the layer thickness (d 5 ) of the at least one microporous layer ( 44 ).
  • 57. membrane unit ( 14 ) an electrochemical cell ( 10 ), in particular a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ) comprising a proton exchange membrane ( 18 ), on one side of which a first catalyst layer ( 20 ) is applied, characterized in that on the first catalyst layer ( 20 ) a current collector ( 26 ) is applied to one of the sentences 32 to 56.
  • 58. Membrane unit according to sentence 57, characterized in that the current collector ( 26 ) self-supporting and with the first catalyst layer ( 20 ) is pressed, in particular hot pressed.
  • 59. membrane unit according to sentence 57 or 58, characterized in that on the other side of the proton exchange membrane ( 18 ) a second catalyst layer ( 22 ) is applied.
  • 60. membrane unit according to sentence 59, characterized in that the second catalyst layer ( 22 ) another current collector ( 24 ), in particular a current collector ( 24 ) according to one of the sentences 32 to 56.
  • 61. Electrochemical cell ( 10 ), in particular in the form of a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ) comprising two bipolar plates ( 30 . 32 ) and a membrane unit ( 14 ) according to one of the sentences 58 to 60.
  • 62. Electrochemical cell according to sentence 61, characterized in that the two bipolar plates ( 30 . 32 ) Flow channels ( 32 . 34 ), in the form of on the membrane unit ( 14 ) are formed toward open grooves.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments of the invention is used in conjunction with the drawings for further explanation. Show it:

1: eine schematische Darstellung zum Vergleich von Porengrößen von Stromkollektoren gemäß dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung zum Einsatz in Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseuren; 1 a schematic representation for comparing pore sizes of current collectors according to the prior art and according to the invention for use in proton exchange membrane electrolyzers;

2a: eine schematische Schnittansicht eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs gemäß dem Stand der Technik; 2a FIG. 2 is a schematic sectional view of a prior art proton exchange membrane electrolyzer; FIG.

2b: eine schematische Schnittansicht eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs gemäß der Erfindung umfassend einen anodischen Stromkollektor mit einer oder mehreren mikroporösen, durch Vakuum-Plasmaspritzen aufgebrachten Schichten; 2 B Fig. 1 is a schematic sectional view of a proton exchange membrane electrolyzer according to the invention comprising an anodic current collector with one or more microporous layers applied by vacuum plasma spraying;

2c: eine schematische Schnittansicht eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs ähnlich dem in 2b dargestellten Elektrolyseur, wobei zwischen der kathodischen Katalysatorschicht und der kathodischen Bipolarplatte ein Stromkollektor mit einer mikroporösen Schicht oder einem mikroporösen Schichtsystem ausgebildet ist; 2c FIG. 4 is a schematic sectional view of a proton exchange membrane electrolyzer similar to that in FIG 2 B the electrolyzer shown, wherein between the cathodic catalyst layer and the cathodic bipolar plate, a current collector is formed with a microporous layer or a microporous layer system;

3a: eine schematische Schnittansicht durch die Anode eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs mit einem nicht erfindungsgemäßen Stromkollektor aus gesintertem Titan ohne mikroporöse Schicht; 3a FIG. 2: a schematic sectional view through the anode of a proton exchange membrane electrolyzer with a sintered titanium current collector without a microporous layer according to the invention; FIG.

3b: eine schematische Schnittansicht durch die Anode eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs ähnlich 3a, wobei jedoch erfindungsgemäß zusätzlich eine mikroporöse Schicht zur Ausbildung des Stromkollektors mit einer Korrosionsschutzschicht zur Katalysatorschicht hin ausgebildet ist. 3b FIG. 4: a schematic sectional view through the anode of a proton exchange membrane electrolyzer similar. FIG 3a However, according to the invention, a microporous layer for forming the current collector with a corrosion protection layer to the catalyst layer is additionally formed.

3c: eine schematische Schnittansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs, bei dem die Korrosionsschutzschicht der mikroporösen Schicht durch einen porösen Elektrokatalysator ausgebildet ist zur Ausbildung von Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser; 3c FIG. 2 is a schematic sectional view through another embodiment of a proton exchange membrane electrolyzer in which the anticorrosion layer of the microporous layer is formed by a porous electrocatalyst to form oxygen by electrolysis of water; FIG.

4a: eine ausschnittsweise schematische Schnittansicht durch die Anode eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs mit einem Stromkollektor, der aus gesintertem Titanpulver ausgebildet ist; 4a FIG. 2 is a fragmentary schematic sectional view through the anode of a proton exchange membrane electrolyzer with a current collector formed of sintered titanium powder; FIG.

4b: eine ausschnittsweise schematische Schnittansicht durch die Anode eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs mit mehreren mikroporösen Schichten unterschiedlicher Porosität; 4b FIG. 2 is a fragmentary schematic sectional view through the anode of a proton exchange membrane electrolyzer having a plurality of microporous layers of different porosity; FIG.

5a: Rasterelektronenmikroskop-Schnittbild eines Stromkollektors umfassend eine gesinterte Titanplatte und eine durch Vakuum-Plasmaspritzen aufgebrachte Titanschicht; 5a : Scanning electron microscope sectional view of a current collector comprising a sintered titanium plate and a vacuum deposited by plasma spraying titanium layer;

5b: Rasterelektronenmikroskop-Schnittbild einer selbsttragenden Titan-Mehrlagenschicht zur Ausbildung eines Stromkollektors; 5b : Scanning electron microscope sectional view of a self-supporting titanium multilayer coating for forming a current collector;

6a: eine beispielhafte Darstellung des Grenzflächenkontaktwiderstands (ICR) in Abhängigkeit des Verdichtungsdrucks eines Stromkollektors (SC) aus gesintertem Titan (Stand der Technik) und eines Stromkollektor umfassend eine auf gesintertem Titan aufgebrachte mikroporöse Schicht (MPL) Stromkollektor; und 6a FIG. 2 is an exemplary plot of interfacial contact resistance (ICR) versus compression pressure of a sintered titanium current collector (SC) (prior art) and a current collector comprising a sintered titanium microporous layer (MPL) current collector; FIG. and

6b: eine beispielhafte Darstellung der Abhängigkeit eines kumulativen Porenvolumens in Abhängigkeit des Porendurchmessers sowie eines relativen Porenvolumens in Abhängigkeit eines Porendurchmessers eines selbsttragenden Stromkollektors umfassend ein Mehrlagenschichtsystem mikroporöser Titan-Schichten. 6b FIG. 2 shows an example of the dependency of a cumulative pore volume as a function of the pore diameter and of a relative pore volume as a function of a pore diameter of a self-supporting current collector comprising a multilayer system of microporous titanium layers.

In 1 ist schematisch dargestellt, auf welche Arten Stromkollektoren von Protonen-Austausch-Membran-(PEM)-Elektrolyseuren ausgebildet sein können. Es kann sich dabei um Schäume, Filze, Streckgitter oder gesinterte poröse Platten handeln. Die derartigen Stromkollektoren sind bekannt. In 1 schematically illustrates the types in which current collectors can be formed by proton exchange membrane (PEM) electrolysers. These may be foams, felts, expanded or sintered porous plates. Such current collectors are known.

Nicht dagegen bekannt ist es, mikroporöse Schichten (MPL) durch Plasmaspritzen auf gesinterte poröse Latten aus Titan aufzubringen. Auf diese Weise lassen sich Porengrößen von unter 2 μm erreichen. Ein solcher Stromkollektor wird also gebildet durch eine gesinterte poröse Titanplatte, auf die eine mikroporöse Schicht durch Plasmaspritzen aufgebracht ist. Derartige mikroporöse Schichten sind insbesondere bei Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseuren nicht bekannt, um anodische Stromkollektoren auszubilden.However, it is not known to apply microporous layers (MPL) by plasma spraying to sintered porous titanium battens. In this way, pore sizes of less than 2 microns can be achieved. Such a current collector is thus formed by a sintered porous titanium plate, on which a microporous layer is applied by plasma spraying. Such microporous layers are not known, in particular in proton exchange membrane electrolysers, to form anodic current collectors.

Ferner schlägt die vorliegende Erfindung vor, freistehende Lagen oder selbsttragende Systeme mit kontrollierter Porosität herzustellen, also beispielsweise Mehrschichtsysteme aus zwei oder mehr mikroporösen Schichten ohne Substrat, die in der oben beschriebenen Weise hergestellt werden können. Furthermore, the present invention proposes to produce free-standing or self-supporting systems with controlled porosity, that is, for example, multilayer systems of two or more microporous layers without substrate, which can be prepared in the manner described above.

Die Arten von Stromkollektoren, die in 1 in schwarz hinterlegten Kästen angegeben sind, beziehen sich auf die Erfindung, die in weiß hinterlegten Kästen dargestellten Arten von Stromkollektoren beziehen sich auf den Stand der Technik. The types of current collectors that are in 1 in black deposited boxes refer to the invention, the types of current collectors shown in white boxes refer to the state of the art.

2a zeigt eine schematische Schnittansicht einer elektrochemischen Zelle 10 in Form eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs 12. Er umfasst eine Membraneinheit 14, die insbesondere eine Einheit 16 umfassend eine Protonen-Austausch-Membran 18 umfasst, welche auf einer Seite eine anodische Katalysatorschicht 20 und auf ihrer anderen Seite eine kathodische Katalysatorschicht 22 trägt. Die kathodische Katalysatorschicht 22 trägt einen kathodischen Stromkollektor 24, welcher gebildet ist durch eine poröse Gasdiffusionsschicht aus Kohlenstoff mit einer mikroporösen Schicht aus Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE). 2a shows a schematic sectional view of an electrochemical cell 10 in the form of a proton exchange membrane electrolyzer 12 , It comprises a membrane unit 14 , in particular a unit 16 comprising a proton exchange membrane 18 comprising, on one side, an anodic catalyst layer 20 and on the other side, a cathodic catalyst layer 22 wearing. The cathodic catalyst layer 22 carries a cathodic current collector 24 , which is formed by a porous gas diffusion layer of carbon with a microporous layer of carbon powder and polytetrafluoroethylene (PTFE).

Die anodische Katalysatorschicht 20 steht in Kontakt mit einem anodischen Stromkollektor 26, der durch gesinterte Titanteilchen oder aus einer porösen Titanstruktur ohne mikroporöse Schicht gebildet ist. Die Membraneinheit 14 ist zwischen einer kathodischen Bipolarplatte 28 und einer anodischen Bipolarplatte 30 angeordnet. Die Bipolarplatten 28 und 30 umfassen jeweils Strömungskanäle 32 beziehungsweise 34 zur Ausbildung eines Strömungsfeldes, wobei die Strömungskanäle 32 mit Wasserstoff und Wasser gefüllt sind, die Strömungskanäle 34 mit Sauerstoff und Wasser.The anodic catalyst layer 20 is in contact with an anodic current collector 26 formed by sintered titanium particles or a porous titanium structure without a microporous layer. The membrane unit 14 is between a cathodic bipolar plate 28 and an anodic bipolar plate 30 arranged. The bipolar plates 28 and 30 each include flow channels 32 respectively 34 for forming a flow field, wherein the flow channels 32 filled with hydrogen and water, the flow channels 34 with oxygen and water.

Eine Kontaktfläche zwischen der kathodischen Bipolarplatte 28 und dem kathodischen Stromkollektor 24 ist in 1 mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnet.A contact surface between the cathodic bipolar plate 28 and the cathodic current collector 24 is in 1 with the reference number 36 designated.

Eine Kontaktfläche der mikroporösen Schicht des kathodischen Stromkollektors 24 mit der kathodischen Katalysatorschicht 22 ist in 2a mit 38 bezeichnet. Ferner bezeichnet das Bezugszeichen 40 eine Kontaktfläche zwischen der anodischen Bipolarplatte 30 und dem anodischen Stromkollektor 26. Und schließlich ist in 2a eine Kontaktfläche 42 zwischen dem anodischen Stromkollektor 26 und der anodischen Katalysatorschicht 20 mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet. A contact surface of the microporous layer of the cathodic current collector 24 with the cathodic catalyst layer 22 is in 2a With 38 designated. Further, the reference numeral designates 40 a contact surface between the anodic bipolar plate 30 and the anodic current collector 26 , And finally is in 2a a contact surface 42 between the anodic current collector 26 and the anodic catalyst layer 20 with the reference number 42 designated.

Wie bereits dargelegt, stellt die schematische Schnittansicht in 2a den bekannten Stand der Technik dar.As already stated, the schematic sectional view in FIG 2a the known prior art.

In 2b ist dagegen eine Schnittansicht einer elektrochemischen Zelle 10 in Form eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs 12 schematisch dargestellt, welche sich vom Stand der Technik dadurch unterscheidet, dass auf die gesinterte Titanschicht 50, die beim Stand der Technik den anodischen Stromkollektor 26 ausbildet, eine mikroporöse Schicht durch Vakuum-Plasmaspritzen eines Titanpulvers aufgebracht ist. Eine Kontaktfläche zwischen der mikroporösen Schicht 44 und der gesinterten Titanschicht 50, die zusammen den anodischen Stromkollektor 26 ausbilden, ist in 2b mit 46 bezeichnet. Ferner ist eine Kontaktfläche zwischen der mikroporösen Schicht 44 und der anodischen Katalysatorschicht 20 mit 48 bezeichnet.In 2 B on the other hand is a sectional view of an electrochemical cell 10 in the form of a proton exchange membrane electrolyzer 12 schematically, which differs from the prior art in that the sintered titanium layer 50 in the prior art, the anodic current collector 26 forms a microporous layer by vacuum plasma spraying of a titanium powder is applied. A contact surface between the microporous layer 44 and the sintered titanium layer 50 which together form the anodic current collector 26 train is in 2 B With 46 designated. Further, a contact surface between the microporous layer 44 and the anodic catalyst layer 20 With 48 designated.

In 2c ist eine weitere Variante einer elektrochemischen Zelle 10 in Form einer Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs 12 schematisch dargestellt. Der anodische Teil der elektrochemischen Zelle der 2c entspricht dem anodischen Teil der elektrochemischen Zelle 10 der 2b.In 2c is another variant of an electrochemical cell 10 in the form of a proton exchange membrane electrolyzer 12 shown schematically. The anodic part of the electrochemical cell of 2c corresponds to the anodic part of the electrochemical cell 10 of the 2 B ,

Im Unterschied zur elektrochemischen Zelle 2b ist bei der elektrochemischen Zelle 10, die in 2c dargestellt ist, auch der kathodische Stromkollektor 24 durch eine gesinterte Titanschicht 50, die mit der anodischen Bipolarplatte 30 in Kontakt steht, und einer auf die Titanschicht 50 durch Vakuum-Plasmaspritzen aufgebrachten mikroporösen Schicht 52 ausgebildet, die mit der kathodischen Katalysatorschicht 22 eine Kontaktfläche 54 definiert. Eine Kontaktfläche 56 ist ferner definiert durch die gesinterte Titanschicht 50 und die mikroporöse Schicht 52, welche aneinander angrenzen.Unlike the electrochemical cell 2 B is at the electrochemical cell 10 , in the 2c is shown, also the cathodic current collector 24 through a sintered titanium layer 50 that with the anodic bipolar plate 30 in contact, and one on the titanium layer 50 by vacuum plasma spraying applied microporous layer 52 formed with the cathodic catalyst layer 22 a contact surface 54 Are defined. A contact surface 56 is further defined by the sintered titanium layer 50 and the microporous layer 52 which adjoin one another.

Der Aufbau der elektrochemischen Zelle 10 ist bezogen auf die Protonen-Austausch-Membran 18 im Wesentlichen symmetrisch, wobei unterschiedliche oder auch identische Katalysatoren zur Ausbildung der Katalysatorschichten 20 und 22 verwendet werden können.The structure of the electrochemical cell 10 is based on the proton exchange membrane 18 substantially symmetrical, with different or identical catalysts for the formation of the catalyst layers 20 and 22 can be used.

Die Funktionsweise der elektrochemischen Zelle 10 aus 2a im Bereich von deren Anode ist schematisch in 3a dargestellt. The operation of the electrochemical cell 10 out 2a in the region of whose anode is schematically in 3a shown.

Durch die Strömungskanäle 34 in der anodischen Bipolarplatte 30 wird Wasser (H2O) durch die anodische Bipolarplatte 30 aufgrund des herrschenden Drucks zur Protonen-Austausch-Membran 80 geleitet. Die Bipolarplatten werden mittels Bolzen gegen die Stromkollektoren und die dazwischen angeordnete Membraneinheit gespannt, so dass die gesamte Zelle zusammengedrückt wird. An der anodischen Katalysatorschicht 20 werden die Wassermoleküle aufgespalten. Es entsteht dabei Sauerstoff (O2). Nicht dargestellt ist, dass die bei der Spaltung des Wassers entstehenden Protonen die Protonen-Austausch-Membran 80 durchwandern und in Verbindung mit zwei Elektronen an der kathodischen Katalysatorschicht 22 molekularen Wasserstoff bilden. Through the flow channels 34 in the anodic bipolar plate 30 Water (H 2 O) is passed through the anodic bipolar plate 30 due to the prevailing pressure to the proton exchange membrane 80 directed. The bipolar plates are clamped by means of bolts against the current collectors and the membrane unit arranged between them, so that the entire cell is compressed. At the anodic catalyst layer 20 the water molecules are split up. This produces oxygen (O 2 ). It is not shown that the protons formed during the cleavage of the water, the proton exchange membrane 80 through and in conjunction with two electrons on the cathodic catalyst layer 22 form molecular hydrogen.

Unter Abgabe von zwei Elektronen, die durch den anodischen Stromkollektor 26 und die anodische Bipolarplatte 30 abgeleitet werden, bilden sich Sauerstoffmoleküle, die sich zu kleinen Blasen 58 agglomerieren, die sich mit zunehmenden Abstand von der anodischen Katalysatorschicht 20 zu mittleren Blasen 60 vergrößern und schließlich in Form großer Blasen 62 durch die Strömungskanäle 34 abgeleitet werden. Submitting two electrons through the anodic current collector 26 and the anodic bipolar plate 30 are derived, oxygen molecules form, resulting in small bubbles 58 agglomerate with increasing distance from the anodic catalyst layer 20 to medium bubbles 60 enlarge and finally in the form of large bubbles 62 through the flow channels 34 be derived.

In 3a ist die Dicke des Stromkollektors 36 mit d1 bezeichnet, eine Dicke der anodischen Katalysatorschicht 20 mit d2, eine Dicke der Protonen-Austausch-Membran 18 mit d3 und eine Dicke der kathodischen Katalysatorschicht 22 mit d4. In 3a is the thickness of the current collector 36 denoted by d 1 , a thickness of the anodic catalyst layer 20 with d 2 , a thickness of the proton exchange membrane 18 with d 3 and a thickness of the cathodic catalyst layer 22 with d 4 .

In 3b ist eine elektrochemische Zelle gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Sie unterscheidet sich von der elektrochemischen Zelle gemäß dem Stand der Technik wie in 3a dargestellt dadurch, dass auf die gesinterte Titanschicht 50 zusätzlich durch ein Vakuum-Plasmaspritzverfahren eine mikroporöse Schicht 44 aufgebracht ist, die eine oder mehrere Lagen umfassen kann. Zusätzlich ist zwischen der mikroporösen Schicht 44 und der anodischen Katalysatorschicht 20 eine Korrosionsschutzschicht 64 aufgebracht. Diese verhindert eine anodische Oxidation der mikroporösen Schicht 44. Die Korrosionsschutzschicht 64 kann durch elektrolytische Abscheidung eines Edelmetalls, beispielsweise Gold, Platin oder Iridium, oder in Form einer dünnen Keramikschicht ausgebildet sein. In 3b an electrochemical cell according to the invention is shown schematically. It differs from the electrochemical cell according to the prior art as in 3a represented by the fact that on the sintered titanium layer 50 additionally by a vacuum plasma spraying a microporous layer 44 is applied, which may comprise one or more layers. In addition, there is between the microporous layer 44 and the anodic catalyst layer 20 a corrosion protection layer 64 applied. This prevents anodic oxidation of the microporous layer 44 , The corrosion protection layer 64 may be formed by electrolytic deposition of a noble metal, such as gold, platinum or iridium, or in the form of a thin ceramic layer.

Eine mittlere Schichtdicke d5 der mikroporösen Schicht 44 ist deutlich kleiner als die Dicke d1 der gesinterten Titanschicht 50. Ferner ist eine Dicke d6 der Korrosionsschutzschicht 64 deutlich kleiner als die Dicke d5. An average layer thickness d 5 of the microporous layer 44 is significantly smaller than the thickness d 1 of the sintered titanium layer 50 , Furthermore, a thickness d 6 of the corrosion protection layer 64 significantly smaller than the thickness d 5 .

Die mikroporöse Schicht 44 ermöglicht bereits die Ausbildung noch kleinerer Sauerstoff-Blasen als dies in der gesinterten Titanschicht 50 möglich ist. Ein Ableiten der Sauerstoff-Blasen zu den Strömungskanälen hin wird dadurch verbessert. The microporous layer 44 Already allows the formation of even smaller oxygen bubbles than in the sintered titanium layer 50 is possible. Discharging the oxygen bubbles towards the flow channels is thereby improved.

Die in den 3a und 3b angegebenen Dicken können insbesondere folgende Werte aufweisen. Die Dicke d1 kann in einem Bereich von 700 µm bis 1200 µm liegen, und zwar abhängig von der Größe und der Form der Titanpartikel und einer Verdichtung desselben. The in the 3a and 3b given thicknesses may in particular have the following values. The thickness d 1 may be in a range of 700 μm to 1200 μm, depending on the size and shape of the titanium particles and compaction thereof.

Die Dicke d2 der anodischen Katalysatorschicht kann in einem Bereich von etwa 3 µm bis etwa 7 µm liegen, und zwar abhängig von der Art des verwendeten anodischen Katalysators. The thickness d 2 of the anodic catalyst layer may range from about 3 μm to about 7 μm, depending on the type of anodic catalyst used.

Die Dicke d3 der Protonen-Austausch-Membran 18 kann in einem Bereich von etwa 30 µm bis etwa 150 µm liegen, und zwar in Abhängigkeit der Art des eingesetzten sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymers oder der Perfluor-Schwefelsäure (PFSA). The thickness d 3 of the proton exchange membrane 18 may range from about 30 microns to about 150 microns, depending on the type of sulfonated tetrafluoroethylene polymer or perfluorosulfuric acid (PFSA) used.

Die Dicke d4 der kathodischen Katalysatorschicht 22 kann in einem Bereich von etwa 3 µm bis etwa 7 µm liegen, und zwar abhängig von der Art des eingesetzten kathodischen Katalysators. The thickness d 4 of the cathodic catalyst layer 22 may range from about 3 microns to about 7 microns, depending on the type of cathodic catalyst used.

Die Dicke d5 der mikroporösen Schicht 44 kann in einem Bereich von etwa 14 µm bis etwa 250 µm liegen, und zwar abhängig von der Zahl der aufgespritzten Lagen oder Schichten. Mit anderen Worten kann die mikroporöse Schicht 44 auch in Form eines mehrlagigen Schichtsystems ausgebildet werden. The thickness d 5 of the microporous layer 44 may range from about 14 microns to about 250 microns, depending on the number of sprayed layers or layers. In other words, the microporous layer 44 be formed in the form of a multilayer coating system.

Die Dicke d6 der Korrosionsschutzschicht kann in einem Bereich von etwa 0,01 µm bis etwa 3 µm liegen. Sie hängt hauptsächlich von der Art der Abscheidung der Korrosionsschutzschicht 64 und der Abscheidungszeit ab.The thickness d 6 of the anticorrosion layer may be in a range of about 0.01 μm to about 3 μm. It depends mainly on the nature of the deposition of the anti-corrosion layer 64 and the deposition time.

3c zeigt einen Teil einer Variante einer elektrochemischen Zelle 10 in Form eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs 12. Die mikroporöse Schicht 44, die durch Vakuum-Plasmaspritzen auf der gesinterten Titanschicht aufgebracht ist, ist mit einer dünnen elektrokatalytischen Schicht 68 versehen. Diese kann insbesondere in Form von metallischem Iridium oder Iridiumdioxid (IrO2) ausgebildet sein. An der Kontaktfläche 70 zwischen der mikroporösen Schicht 44 und der elektrokatalytischen Schicht 68 bildet sich Sauerstoff durch Elektrooxidation aus Wasser. Die elektrokatalytische Schicht 68 übernimmt bei diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zum einen die Funktion der Korrosionsschutzschicht 64 und zum anderen der anodischen Katalysatorschicht 20. Die elektrokatalytische Schicht kann insbesondere auch insbesondere SnO2:Sb, Ti4O7, SnO2:M (mit M = Sb, In, Nb) oder TiO2:M (mit M = W, Nb, Mo) sein. 3c shows a part of a variant of an electrochemical cell 10 in the form of a proton exchange membrane electrolyzer 12 , The microporous layer 44 , which is applied by vacuum plasma spraying on the sintered titanium layer, is coated with a thin electrocatalytic layer 68 Mistake. This can be formed in particular in the form of metallic iridium or iridium dioxide (IrO 2 ). At the contact surface 70 between the microporous layer 44 and the electrocatalytic layer 68 Oxygen forms from water by electrooxidation. The electrocatalytic layer 68 assumes in this embodiment of the invention, on the one hand, the function of the anticorrosion layer 64 and on the other hand, the anodic catalyst layer 20 , The electrocatalytic layer may in particular also be SnO 2 : Sb, Ti 4 O 7 , SnO 2 : M (with M = Sb, In, Nb) or TiO 2 : M (with M = W, Nb, Mo).

Optional kann auch die Katalysatorschicht 20 mit einem Ionomer auf die eine aufgespritzte Lage umfassende mikroporöse Schicht 44 aufgebracht werden. Anschließend kann diese Struktur mit der Protonen-Austausch-Membran 18 heißverpresst werden. Optionally, the catalyst layer 20 with an ionomer on the one sprayed layer comprising microporous layer 44 be applied. Subsequently, this structure can interact with the proton exchange membrane 18 be hot pressed.

4 zeigt nochmals in schematischer Weise den Unterschied zwischen dem Aufbau von Stromkollektoren gemäß dem Stand der Technik und der Erfindung. 4 Again, schematically shows the difference between the structure of current collectors according to the prior art and the invention.

So ist in 4a ein Schnitt durch eine gesinterte Titanschicht 50 dargestellt, die direkt mit der anodischen Katalysatorschicht 20 in Kontakt steht. Titanpartikel 72 sind schematisch in Form von Kugeln dargestellt. Als Ergebnis des Sinterprozesses sind zwischen Titanpartikeln 72 Poren 74 ausgebildet. Dies führt dazu, dass die Kontaktfläche 42 der anodischen Katalysatorschicht 20 im Bereich der Poren 74 nicht in Kontakt mit Titanpartikeln 72 steht. Damit ist ein Kontakt zwischen dem anodischen Stromkollektor 26 und der anodischen Katalysatorschicht 20 minimiert. Verbindungen zwischen den Titanpartikeln 72 bilden Hälse 76.So is in 4a a section through a sintered titanium layer 50 shown directly with the anodic catalyst layer 20 in contact. titanium particles 72 are shown schematically in the form of spheres. As a result of the sintering process are between titanium particles 72 pore 74 educated. This causes the contact surface 42 the anodic catalyst layer 20 in the area of the pores 74 not in contact with titanium particles 72 stands. This is a contact between the anodic current collector 26 and the anodic catalyst layer 20 minimized. Connections between the titanium particles 72 form necks 76 ,

Im Gegensatz dazu ist bei dem in 4b schematisch dargestellten Schnitt eine mikroporöse Schicht 44 thermisch auf die gesinterte Titanschicht 50 aufgespritzt. Sie weist eine Dicke d5 auf und kann insbesondere mehrere Lagen umfassen, die nacheinander aufgespritzt sind unter unterschiedlichen Verfahrensbedingungen. Dadurch entstehen kleine Poren 78, mittlere Poren 80 und große Poren 82. In contrast, in the case of 4b schematically illustrated section of a microporous layer 44 thermally on the sintered titanium layer 50 sprayed. It has a thickness d 5 and may in particular comprise a plurality of layers which are sprayed on one after the other under different process conditions. This creates small pores 78 , medium pores 80 and big pores 82 ,

Die Größe der Poren nimmt ausgehend von der Kontaktfläche 46 zwischen der gesinterten Titanschicht 50 und der mikroporösen Schicht 44 sukzessive ab. Die mikroporöse Schicht 44 ist passiviert durch aufgebrachte die Korrosionsschutzschicht 44. Die hohe Rauheit der mikroporösen Schicht 44 stellt eine besonders gute Verbindung zur anodischen Katalysatorschicht 20 sicher. Die sehr dünne Korrosionsschutzschicht 44 ändert die Rauheit der mikroporösen Schicht 44 praktisch nicht.The size of the pores increases starting from the contact surface 46 between the sintered titanium layer 50 and the microporous layer 44 successively from. The microporous layer 44 is passivated by applied the corrosion protection layer 44 , The high roughness of the microporous layer 44 provides a particularly good connection to the anodic catalyst layer 20 for sure. The very thin corrosion protection layer 44 changes the roughness of the microporous layer 44 practically not.

5a zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Schnitts durch einen Stromkollektor 26 umfassend eine gesinterte Titanschicht 50, auf die eine mikroporöse Schicht 44 mittels Vakuum-Plasmaspritzen aufgespritzt ist. Man erkennt Poren 74 in der gesinterten Titanschicht und unregelmäßig geformte Titanpartikel 72. 5a shows a scanning electron micrograph of a section through a current collector 26 comprising a sintered titanium layer 50 on which a microporous layer 44 is sprayed by means of vacuum plasma spraying. You recognize pores 74 in the sintered titanium layer and irregularly shaped titanium particles 72 ,

Die mikroporöse Schicht 44 ist rau und besteht aus hochreinem Titan. Sie umfasst zwei Lagen, die nacheinander mit unterschiedlichen Verfahrensparametern, insbesondere unterschiedlichen Flammen-Auslenkgeschwindigkeiten, aufgespritzt wurden. The microporous layer 44 is rough and made of high purity titanium. It comprises two layers which have been sprayed on successively with different process parameters, in particular different flame deflection speeds.

Die Kontaktfläche 48 der mikroporösen Schicht 44, die bei einer Membraneinheit 14 in Kontakt mit der anodischen Katalysatorschicht 20 steht, ist sehr rau, weist also ein große Rauigkeit auf, so dass hier ein optimaler Kontakt zur anodischen Katalysatorschicht 20 sichergestellt werden kann.The contact surface 48 the microporous layer 44 that in a membrane unit 14 in contact with the anodic catalyst layer 20 is, is very rough, so has a large roughness, so that here is an optimal contact with the anodic catalyst layer 20 can be ensured.

In 5b ist ein Schnitt durch eine selbsttragende mikroporöse Schicht in Form einer Rasterelektronenmikroskopaufnahme dargestellt. Insgesamt umfasst die mikroporöse Schicht acht Lagen, die mit unterschiedlichen Verfahrensparametern thermisch gespritzt wurden.In 5b is a section through a self-supporting microporous layer in the form of a scanning electron micrograph shown. Overall, the microporous layer comprises eight layers, which were thermally sprayed with different process parameters.

Die selbsttragende mikroporöse Schicht 44, die in 5b dargestellt ist, wurde durch thermisches Spritzen von acht Lagen eines Titanpulvers Gd1 sphärische Partikel mit einer mittleren Korngröße von 45 μm der Firma TLS Technik auf nicht legierten Stahl aufgespritzt. Anschließend wurde das Substrat korrodiert durch elektrochemische Oxidation. Das Aufbringen der Schicht erfolgte mit einer Plasma-Enthalpie von 14,7 MJ kg–1 und mit einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit von 350 mm s–1. Ein erster Bereich 84 der mikroporösen Schicht 44 zeigt nur eine kleine Porengröße. Eine äußere Oberfläche des ersten Bereichs 84 stand beim Aufspritzen des Titanpulvers auf den nicht legierten Stahl mit diesem Substrat in Kontakt. Sie bildet später vorzugsweise die Kontaktfläche 48 zur anodischen Katalysatorschicht 20 und kann optional mit einer Korrosionsschutzschicht 64 versehen werden, beispielsweise durch Abscheiden eines Edelmetalls oder durch Aufbringen einer dünnen Keramikschicht. The self-supporting microporous layer 44 , in the 5b is shown by thermal spraying of eight layers of a titanium powder Gd1 spherical particles having an average particle size of 45 microns from TLS Technik sprayed on unalloyed steel. Subsequently, the substrate was corroded by electrochemical oxidation. The coating was applied with a plasma enthalpy of 14.7 MJ kg -1 and with a flame deflection speed of 350 mm s -1 . A first area 84 the microporous layer 44 shows only a small pore size. An outer surface of the first area 84 During the spraying of the titanium powder on the non-alloyed steel with this substrate in contact. It later preferably forms the contact surface 48 to the anodic catalyst layer 20 and optionally with a corrosion protection layer 64 be provided, for example, by depositing a noble metal or by applying a thin ceramic layer.

Ein zweiter Bereich 86 der mikroporösen Schicht 44 zeigt deutlich größere Poren. Eine von der Kontaktfläche 48 weg weisende Oberfläche bei der Ausbildung der elektrochemischen Zelle 10 eine Kontaktfläche zur anodischen Bipolarplatte 30.A second area 86 the microporous layer 44 shows significantly larger pores. One from the contact surface 48 away-facing surface in the formation of the electrochemical cell 10 a contact surface to the anodic bipolar plate 30 ,

6a zeigt die Abhängigkeit des Grenzflächen-Kontaktwiderstands (ICR) eines Stromkollektors aus gesintertem Titan und eines Stromkollektor umfassend einem Substrat aus gesintertem Titan mit einer mikroporösen Schicht vom Verdichtungsdruck. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Grenzflächenkontaktwiderstand aufgrund der aufgebrachten mikroporösen Schicht deutlich abgesenkt ist. Diese deutliche Leitfähigkeitserhöhung wird erreicht durch die hohe Rauheit der mikroporösen Schicht, die durch das Aufbringen mittels Vakuum-Plasmaspritzen erreicht wird. Durch die hohe Rauheit wird zudem auch die Anhaftung der Korrosionsschutzschicht, auch als Oberflächenmodifizierung bezeichnet, deutlich verbessert. Die in 6a dargestellten Messwerte wurden nach dem Standard des amerikanischen Energieministeriums (DOE) in Abhängigkeit des Verdichtungsdrucks gemessen. 6a Figure 4 shows the dependence of interfacial contact resistance (ICR) of a sintered titanium current collector and a current collector comprising a sintered titanium substrate with a microporous layer of compression pressure. It can be clearly seen that the interfacial contact resistance is significantly lowered due to the applied microporous layer. This significant conductivity increase is achieved by the high roughness of the microporous layer, which is achieved by the application by means of vacuum plasma spraying. Due to the high roughness, the adhesion of the corrosion protection layer, also referred to as surface modification, is also markedly improved. In the 6a The measured values shown were measured according to the standard of the US Department of Energy (DOE) as a function of the compaction pressure.

In der nachfolgenden Tabelle sind Eigenschaften unterschiedlicher Proben dargestellt, und zwar die mittlere Schichtdicke der mikroporösen Schicht, sie Rauheit als Rauheitsfaktor in willkürlichen Einheiten, die Porengröße, die Porosität und die Ausflussrate.

Figure DE102015111918A1_0002
The following table shows characteristics of different samples, namely the mean layer thickness of the microporous layer, roughness as roughness factor in arbitrary units, pore size, porosity and outflow rate.
Figure DE102015111918A1_0002

Die Proben wurden mit einer Plasma-Enthalpie von 21,27 MJ kg–1 und mit einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit von 500mm s–1 auf ein Edelstahl-Substrat aufgebracht. Die Messungen der Porenbeschaffenheit und der Rauheit wurden mit Hilfe digitaler Bildanalyse durchgeführt. Eine dickere Schicht mit einer Ausflussrate von nur noch 0,0043 mbar l cm–2 s–1 konnte beispielsweise durch eine Verringerung der Abscheidegeschwindigkeit, also der Flammen-Auslenkgeschwindigkeit, von 500 mm s–1 auf 350 mm s–1 erreicht werden.The samples were deposited on a stainless steel substrate with a plasma enthalpy of 21.27 MJ kg -1 and a flame deflection speed of 500mm s -1 . The pore texture and roughness measurements were made by digital image analysis. A thicker layer with an outflow rate of only 0.0043 mbar l cm -2 s -1 could, for example, be achieved by reducing the deposition rate, ie the flame deflection speed, from 500 mm s -1 to 350 mm s -1 .

In 6b sind zum einen das kumulative Porenvolumen und zum anderen das relative Porenvolumen in Abhängigkeit des Porendurchmessers der in 5b dargestellten mikroporösen Schicht aufgetragen. Die Messung der Porengröße wurde durch Quecksilber-Adsorption bestimmt. Eine mittlere Porengröße liegt bei etwa 1,3 μm und schwankt in etwa zwischen 0,1 μm und 10 μm.In 6b On the one hand, the cumulative pore volume and, on the other hand, the relative pore volume as a function of the pore diameter of 5b applied microporous layer. The pore size measurement was determined by mercury adsorption. An average pore size is about 1.3 microns and varies approximately between 0.1 microns and 10 microns.

Mit der Ausbildung mikroporöser Schichten, die zusammen mit einer gesinterten Titanschicht oder auch als selbsttragende Schicht Stromkollektoren elektrochemischer Zellen, insbesondere von Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseuren, ausbilden, lässt sich ein Grenzflächen-Kontaktwiderstand zwischen der Katalysatorschicht und dem Stromkollektor deutlich verringern. With the formation of microporous layers, which form together with a sintered titanium layer or as a self-supporting layer current collectors of electrochemical cells, in particular of proton exchange membrane electrolysers, an interface contact resistance between the catalyst layer and the current collector can be significantly reduced.

Durch das Aufbringen der mikroporösen Schicht mittels Plasmaspritzen lassen sich Eigenschaften wie Porengröße und Porosität des Stromkollektors sehr gut kontrollieren. Zudem kann eine Schichtdicke des Stromkollektors unter Beibehaltung aller struktureller Charakteristiken deutlich unter 1000 μm reduziert werden. Wie in der obigen Tabelle angegeben, können Schichten mit einer Dicke von nur noch etwa 10 μm ausgebildet werden. Durch die sehr hohe Rauheit der mikroporösen Schicht kann zudem ein besonders guter Kontakt zur Katalysatorschicht hergestellt werden.By applying the microporous layer by means of plasma spraying, properties such as pore size and porosity of the current collector can be very well controlled. In addition, a layer thickness of the current collector can be reduced while maintaining all structural characteristics well below 1000 microns. As indicated in the above table, layers with a thickness of only about 10 μm can be formed. In addition, the very high roughness of the microporous layer makes it possible to produce a particularly good contact with the catalyst layer.

Elektrochemische Zellen, die gemäß der Erfindung eine mikroporöse Schicht als Stromkollektor oder als Teil desselben umfassen, können in der Niedertemperatur-Elektrotechnik in verschiedenen Bereichen Anwendung finden. Wie bereits angegeben, können Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseure oder Polymer-Elektrolyt-Membranelektrolyseure mit dieser Technik ausgestattet werden, ebenso alkalische Elektrolyseure sowie reversible Brennstoffzellen, Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen. Weitere Anwendungen sind beispielsweise Mikrofluidik-Brennstoffzellen, Festoxid- oder Hochtemperatur-Brennstoffzellen sowie Festoxid- oder Hochtemperatur-Elektrolyseure. Auch der Einsatz mikroporöser Schichten als Stromkollektoren oder Teil derselben ist auch bei Lithium-Ionen-, Lithiumluft- und Lithium-Schwefelbatterien und Redox-Flow-Batterien (RFB) oder (Redox-)Flussbatterien möglich. Selbstverständlich kann die mikroporöse Schicht auch auf dem kathodischen Stromkollektor aufgebracht werden, um auf der Kathodenseite einen Kontaktwiderstand zwischen dem Stromkollektor und der Katalysatorschicht der elektrochemischen Zelle zu verringern.Electrochemical cells comprising a microporous layer according to the invention as a current collector or as part thereof can find application in low-temperature electrical engineering in various fields. As already indicated, proton exchange membrane electrolyzers or polymer electrolyte membrane electrolyzers can be equipped with this technique, as well as alkaline electrolyzers and reversible fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, high temperature polymer electrolyte fuel cells, and direct methanol fuel cells , Further applications are, for example, microfluidic fuel cells, solid oxide or high-temperature fuel cells and solid oxide or high-temperature electrolyzers. The use of microporous layers as current collectors or part of them is also possible with lithium-ion, lithium-air and lithium-sulfur batteries and redox flow batteries (RFB) or (redox) flow batteries. Of course, the microporous layer can also be on the cathodic Current collector can be applied to reduce a contact resistance between the current collector and the catalyst layer of the electrochemical cell on the cathode side.

Zum Abschluss findet sich in der nachfolgenden Tabelle ein Vergleich der wesentlichen Unterschiede zwischen aus dem Stand der Technik bekannten Stromkollektoren und erfindungsgemäßen Stromkollektoren:

Figure DE102015111918A1_0003
Finally, in the following table, a comparison of the essential differences between current collectors known from the prior art and current collectors according to the invention is given:
Figure DE102015111918A1_0003

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
elektrochemische Zelle electrochemical cell
1212
Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseur Proton exchange membrane electrolyzer
1414
Membraneinheit membrane unit
1616
Einheit unit
1818
Protonen-Austausch-Membran Proton exchange membrane
2020
anodische Katalysatorschicht anodic catalyst layer
2222
kathodische Katalysatorschicht cathodic catalyst layer
2424
kathodischer Stromkollektor cathodic current collector
2626
anodischer Stromkollektor Anodic current collector
2828
kathodische Bipolarplatte cathodic bipolar plate
3030
anodische Bipolarplatte Anodic bipolar plate
3232
Strömungskanal flow channel
3434
Strömungskanal flow channel
3636
Kontaktfläche contact area
3838
Kontaktfläche contact area
4040
Kontaktfläche contact area
4242
Kontaktfläche contact area
4444
mikroporöse Schicht microporous layer
4646
Kontaktfläche contact area
4848
Kontaktfläche contact area
5050
gesinterte Titanschicht sintered titanium layer
5252
mikroporöse Schicht microporous layer
5454
Kontaktfläche contact area
5656
Kontaktfläche contact area
5858
kleine Blase small bubble
6060
mittlere Blase middle bladder
6262
große Blase big bubble
6464
Korrosionsschutzschicht Corrosion protection layer
6666
Blase bladder
6868
elektrokatalytische Schicht electrocatalytic layer
7070
Kontaktfläche contact area
7272
Titanpartikel titanium particles
7474
Pore pore
7676
Hals neck
7878
kleine Pore small pore
8080
mittlere Pore middle pore
8282
große Pore big pore
8484
erster Bereich first area
8686
zweiter Bereich second area
8888
Kontaktfläche contact area

Claims (20)

Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektors (26) für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle (10), insbesondere einer Anode eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (50) bereitgestellt wird und dass zur Ausbildung des Stromkollektors mindestens eine mikroporöse, aus Titan bestehende oder Titan enthaltende Schicht (44) auf das Substrat (50) durch Plasmaspritzen im Vakuum aufgebracht wird.Method for producing a current collector ( 26 ) for an electrode of an electrochemical cell ( 10 ), in particular an anode of a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ), characterized in that a substrate ( 50 ) and that for forming the current collector at least one microporous, titanium-containing or titanium-containing layer ( 44 ) on the substrate ( 50 ) is applied by plasma spraying in a vacuum. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) in Form einer selbsttragenden Schicht ausgebildet wird und dass zur Ausbildung der selbsttragenden Schicht (44) das Substrat entfernt wird, insbesondere durch Korrosion oder chemische Reaktion mit einem Oxidationsmittel. Method according to claim 1, characterized in that the current collector ( 26 ) is formed in the form of a self-supporting layer and that for forming the self-supporting layer ( 44 ) the substrate is removed, in particular by corrosion or chemical reaction with an oxidizing agent. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr mikroporöse Schichten (44) zur Ausbildung des Stromkollektors (26) auf das Substrat (50) aufgebracht werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that two, three, four, five, six, seven, eight or more microporous layers ( 44 ) for the formation of the current collector ( 26 ) on the substrate ( 50 ) are applied. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) mit einer Ausflussrate in einem Bereich von etwa 0,01 mbar l cm–2 s–1 bis etwa 500 mbar l cm–2 s–1 ausgebildet wird, insbesondere in einem Bereich von etwa 0,1 mbar l cm–2 s–1 bis etwa 150 mbar l cm–2 s–1.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) is formed with an outflow rate in a range from about 0.01 mbar l cm -2 s -1 to about 500 mbar l cm -2 s -1 , in particular in a range of about 0.1 mbar l cm -2 s - 1 to about 150 mbar l cm -2 s -1 . Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) mit einer Plasma-Enthalpie in einem Bereich von etwa 8 MJ kg–1 bis etwa 30 MJ kg–1 aufgespritzt wird, insbesondere mit einer Plasma-Enthalpie in einem Bereich von etwa 15 MJ kg–1 bis etwa 23 MJ kg–1. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) having a plasma enthalpy in a range of about 8 MJ kg -1 to about 30 MJ kg -1 , in particular with a plasma enthalpy in a range of about 15 MJ kg -1 to about 23 MJ kg -1 . Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine aus Titan bestehende Schicht (44) durch Plasmaspritzen von Titanpulver aufgebracht wird und dass zwei oder mehr mikroporöse Schichten (44) ausgebildet werden durch Plasmaspritzen mit dem gleichen Titanpulver.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one layer consisting of titanium ( 44 ) is applied by plasma spraying of titanium powder and that two or more microporous layers ( 44 ) are formed by plasma spraying with the same titanium powder. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porosität der mindestens einen mikroporösen Schicht (44) eingestellt wird durch Vorgabe einer Plasma-Enthalpie und/oder einer Flammen-Auslenkgeschwindigkeit.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a porosity of the at least one microporous layer ( 44 ) is set by specifying a plasma enthalpy and / or a flame deflection speed. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) eine Korrosionsschutzschicht (64) aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that on the at least one microporous layer ( 44 ) a corrosion protection layer ( 64 ) is applied. Verfahren zur Herstellung einer Membraneinheit (14) einer elektrochemischen Zelle, insbesondere eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), bei welchem eine Protonen-Austausch-Membran (18) bereitgestellt wird, auf deren einer Seite eine erste Katalysatorschicht (20) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste Katalysatorschicht (20) ein Stromkollektor (26) aufgebracht wird und dass der Stromkollektor (26) mit einem Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche hergestellt wird.Method for producing a membrane unit ( 14 ) an electrochemical cell, in particular a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ), in which a proton exchange membrane ( 18 ) is provided, on one side of which a first catalyst layer ( 20 ) is applied, thereby characterized in that the first catalyst layer ( 20 ) a current collector ( 26 ) is applied and that the current collector ( 26 ) is produced by a method according to any one of the preceding claims. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf die andere Seite der Protonen-Austausch-Membran (18) eine zweite Katalysatorschicht (22) aufgebracht wird.A method according to claim 9, characterized in that on the other side of the proton exchange membrane ( 18 ) a second catalyst layer ( 22 ) is applied. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle (10), insbesondere eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), dadurch gekennzeichnet, dass eine Membraneinheit (14) nach Anspruch 9 oder 10 hergestellt und zwischen zwei Bipolarplatten (28, 30) angeordnet wird. Method for producing an electrochemical cell ( 10 ), in particular a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ), characterized in that a membrane unit ( 14 ) according to claim 9 or 10 and between two bipolar plates ( 28 . 30 ) is arranged. Stromkollektor (26) für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle (10), insbesondere einer Anode eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), gekennzeichnet durch mindestens eine mikroporöse, aus Titan bestehende oder Titan enthaltende und durch Plasmaspritzen im Vakuum ausgebildete Schicht (44).Current collector ( 26 ) for an electrode of an electrochemical cell ( 10 ), in particular an anode of a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ), characterized by at least one microporous layer consisting of titanium or titanium and formed by plasma spraying in a vacuum ( 44 ). Stromkollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) durch Plasmaspritzen auf ein durch Sintern von Titanpulver hergestelltes Substrat (50) aufgebracht ist und dass der Stromkollektor (26) durch das Substrat (50) und die mindestens eine aus Titan bestehende Schicht (44) ausgebildet wird.Current collector according to claim 12, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 by plasma spraying onto a substrate produced by sintering of titanium powder ( 50 ) is applied and that the current collector ( 26 ) through the substrate ( 50 ) and the at least one titanium layer ( 44 ) is formed. Stromkollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) selbsttragend ausgebildet ist.Current collector according to claim 12, characterized in that the current collector ( 26 ) is self-supporting trained. Stromkollektor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (26) eine mittlere Stromkollektorschichtdicke in einem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm aufweist.Current collector according to one of claims 12 to 14, characterized in that the current collector ( 26 ) has an average current collector layer thickness in a range of about 10 μm to about 100 μm. Stromkollektor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr mikroporöse Schichten (44) derart ausgebildet sind, dass Porositäten aufeinanderfolgender Schichten (44) gleich sind oder abnehmen, insbesondere ausgehend vom Substrat (50).Current collector according to one of Claims 12 to 15, characterized in that two or more microporous layers ( 44 ) are formed such that porosities of successive layers ( 44 ) are the same or decrease, in particular starting from the substrate ( 50 ). Stromkollektor nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) eine Korrosionsschutzschicht (64) aufgebracht ist.Current collector according to one of Claims 12 to 16, characterized in that the at least one microporous layer ( 44 ) a corrosion protection layer ( 64 ) is applied. Stromkollektor nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (50) eine Substratdicke (d1) aufweist und dass die mindestens eine mikroporöse Schicht (44) eine Schichtdicke (d5) aufweist, die kleiner als die Substratdicke (d1) ist. Current collector according to one of claims 13 to 17, characterized in that the substrate ( 50 ) has a substrate thickness (d 1 ) and that the at least one microporous layer ( 44 ) has a layer thickness (d 5 ) which is smaller than the substrate thickness (d 1 ). Membraneinheit (14) einer elektrochemischen Zelle (10), insbesondere eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), umfassend eine Protonen-Austausch-Membran (18), auf deren einer Seite eine erste Katalysatorschicht (20) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste Katalysatorschicht (20) ein Stromkollektor (26) nach einem der Ansprüche 12 bis 18 aufgebracht ist.Membrane unit ( 14 ) an electrochemical cell ( 10 ), in particular a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ) comprising a proton exchange membrane ( 18 ), on one side of which a first catalyst layer ( 20 ) is applied, characterized in that on the first catalyst layer ( 20 ) a current collector ( 26 ) is applied according to one of claims 12 to 18. Elektrochemische Zelle (10), insbesondere in Form eines Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseurs (12), umfassend zwei Bipolarplatten (30, 32) und eine zwischen diesen angeordnete Membraneinheit (14) nach Anspruch 19.Electrochemical cell ( 10 ), in particular in the form of a proton exchange membrane electrolyzer ( 12 ) comprising two bipolar plates ( 30 . 32 ) and a membrane unit ( 14 ) according to claim 19.
DE102015111918.8A 2015-07-17 2015-07-22 Current collector, membrane unit, electrochemical cell, method for producing a current collector, a membrane unit and an electrochemical cell Withdrawn DE102015111918A1 (en)

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