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.
- 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:
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
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
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 1bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat unlegierter Stahl oder Kupfer bereitgestellt wird. - 7. Verfahren nach einem der
Sätze 1bis 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 3bis 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 einemBereich 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 einemBereich 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 derSätze 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 einemBereich 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 einemBereich 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 32bis 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 32bis 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 58bis 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.
- 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 ofsentences 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 thesentences 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 thesentences 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 thesentences 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 thesentences 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:
In
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
Die anodische Katalysatorschicht
Eine Kontaktfläche zwischen der kathodischen Bipolarplatte
Eine Kontaktfläche der mikroporösen Schicht des kathodischen Stromkollektors
Wie bereits dargelegt, stellt die schematische Schnittansicht in
In
In
Im Unterschied zur elektrochemischen Zelle
Der Aufbau der elektrochemischen Zelle
Die Funktionsweise der elektrochemischen Zelle
Durch die Strömungskanäle
Unter Abgabe von zwei Elektronen, die durch den anodischen Stromkollektor
In
In
Eine mittlere Schichtdicke d5 der mikroporösen Schicht
Die mikroporöse Schicht
Die in den
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
Die Dicke d4 der kathodischen Katalysatorschicht
Die Dicke d5 der mikroporösen Schicht
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
Optional kann auch die Katalysatorschicht
So ist in
Im Gegensatz dazu ist bei dem in
Die Größe der Poren nimmt ausgehend von der Kontaktfläche
Die mikroporöse Schicht
Die Kontaktfläche
In
Die selbsttragende mikroporöse Schicht
Ein zweiter Bereich
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. 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.
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
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: 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:
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)
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