DE102023118887A1 - Elektrochemische Zelle sowie Verwendung - Google Patents

Elektrochemische Zelle sowie Verwendung Download PDF

Info

Publication number
DE102023118887A1
DE102023118887A1 DE102023118887.9A DE102023118887A DE102023118887A1 DE 102023118887 A1 DE102023118887 A1 DE 102023118887A1 DE 102023118887 A DE102023118887 A DE 102023118887A DE 102023118887 A1 DE102023118887 A1 DE 102023118887A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
coating
electrochemical cell
support structure
transport layer
titanium oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023118887.9A
Other languages
English (en)
Inventor
Nathan Kruppe
Mehmet Oete
Philipp Hoerning
Nazlim Bagcivan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority to PCT/DE2023/100532 priority Critical patent/WO2024027873A1/de
Publication of DE102023118887A1 publication Critical patent/DE102023118887A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/08—Metallic material containing only metal elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C25B11/031—Porous electrodes
    • C25B11/032—Gas diffusion electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
    • C25B11/067—Inorganic compound e.g. ITO, silica or titania
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle (10) in Form einer Brennstoffzelle, eines Elektrolyseurs oder einer Redox-Flusszelle, umfassend zwei, durch eine Polymermembrane (6) voneinander getrennte Reaktionsräume (4, 5), und mit mindestens einer Transportlage (1, 1'), welche in mindestens einem der Reaktionsräume (4, 5) mit einer elektrisch leitfähigen, offen-porösen Beschichtung (3) zur Polymermembrane (6) gewandt angeordnet ist, wobei die Transportlage (1, 1'), umfassend eine metallische Trägerstruktur (2) mit der, zumindest bereichsweise auf die Trägerstruktur (2) aufgebrachten Beschichtung (3), wobei die Beschichtung (3) aus einer Mischung aus unterstöchiometrischem Titanoxid und Chromoxid gebildet ist, die maximal 0,5 Gew.-% an Elementen aus der Gruppe umfassend Nb, Zr, Y, Al, Sn, Zn, Ni, Ta, Mo, Ag, Cu, Au, Pt, V, Ru, W, Si, Fe, Ca, Mg, Na, H, N, C, aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung mindestens einer Transportlage (1, 1') in einer solchen elektrochemischen Zelle (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle in Form einer Brennstoffzelle, eines Elektrolyseurs oder einer Redox-Flusszelle und eine Verwendung einer Transportlage in einer solchen elektrochemischen Zelle.
  • Transportlagen weisen eine elektrische Leitfähigkeit auf und sind an sich bekannt. Sie werden auch als Gasdiffusionskörper, Gasdiffusionsschicht, Stromkollektor, Transportschicht und dergleichen bezeichnet und dienen zur Leitung und/oder Verteilung von Fluiden innerhalb eines Reaktionsraums einer elektrochemischen Zelle. Dabei kommen unter anderem Metallschäume, Metallgewebe, Metallgestricke, Metallfilze, Metallfadengelege, gesinterte Metalle mit offener Porosität, Streckmetalle und dergleichen zum Einsatz, die einseitig an eine gasdichte Metallplatte angeheftet sein können und zusätzlich zumindest bereichsweise beschichtet sein können, um eine bestimmte offene Porosität mit geeigneten Porendurchmessern der Beschichtung einzustellen, wobei die Beschichtung in Kontakt zu einer, die Reaktionsräume in einer elektrochemischen Zelle trennenden Polymermembrane eingesetzt wird.
  • So beschreibt die DE 10 2018 132 399 A1 bereits einen Gasdiffusionskörper umfassend mindestens eine Basisschicht mit Durchgangsöffnungen, die entweder aus elektrisch leitendem Streckmetall, Gewebe oder Gitter gebildet ist oder aus einer elektrisch leitenden, mit Öffnungen versehenen Metallplatte. Weiterhin ist eine Zusatzschicht vorhanden, die als pulverförmiges Material unter Einsatz eines thermischen Spritzverfahrens aufgetragen ist. Das pulverförmige Material besteht zum Großteil aus Partikeln aus elektrisch leitendem Material, insbesondere aus Titan, und kann Zusätze in Form von Platinpartikeln, Goldpartikeln, Iridiumpartikeln oder Kombinationen daraus enthalten. Der Gasdiffusionskörper wird in elektrochemischen Zellen, insbesondere Elektrolyseuren oder Brennstoffzellen, eingesetzt.
  • Die DE 10 2020 203 398 A1 beschreibt ein Verfahren, bei welchem additiv ein Metallträger einer Brennstoffzelle hergestellt wird. Dabei wird der Metallträger durch Auftragung einer Metallschicht auf eine Basisstruktur aufgebaut. Als Basisstruktur kann dabei ein Metallgitter und/oder ein Metallgewebe dienen. Eine Porosität der Metallschicht kann graduell eingestellt werden, aber auch gasdichte Bereiche können erzeugt werden.
  • Die DE 10 2015 111 918 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektors für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle, insbesondere eines Elektrolyseurs. Es wird ein Substrat bereitgestellt und mindestens eine mikroporöse, aus Titan bestehende oder Titan enthaltende Schicht durch Plasmaspritzen im Vakuum auf das Substrat aufgebracht. Dazu eingesetztes Titanpulver kann mit mindestens einem weiteren Metallpulver aus einem unedlen Metall, insbesondere Aluminium, Eisen oder Zink, verspritzt werden. Als Substrat ist ein Titan-Streckgitter oder gesintertes Titanpulver beschrieben. Auf die mindestens eine mikroporöse Schicht kann eine Korrosionsschutzschicht, insbesondere aus Edelmetall oder aus einem porösen Elektrokatalysator, wie SnO2:Sb, Ti4O7, SnO2:M mit M = Sb, In, Nb, oder TiO2:M mit M = W, Nb, Mo, aufgebracht werden.
  • Die US 4 931 213 A beschreibt ein elektrisch leitfähiges keramisches Material aus unterstöchiometrischem Titanoxid, welches in elektrochemischen Anwendungen eingesetzt wird. Dabei wird Titandioxid mit Graphit zusammengebracht und zu dem unterstöchiometrischem Titanoxid reduziert.
  • Die US 2022 / 0 033 288 A1 offenbart eine elektrochemische Vorrichtung zur Reinigung eines Fluids, wie Abwasser oder Schlamm, umfassend eine elektrochemische Filtermembrane und einen offen-porösen metallischen Träger, der eine Beschichtung enthaltend TiOx mit x= 1,5 bis 1,9 aufweist.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrochemische Zelle bereitzustellen, die hinsichtlich einer elektrochemischen Stabilität und elektrischen Leitfähigkeit einer in der elektrochemischen Zelle eingesetzten Transportlage verbessert ist.
  • Die Aufgabe wird für die elektrochemische Zelle in Form einer Brennstoffzelle, eines Elektrolyseurs oder einer Redox-Flusszelle, umfassend zwei, durch eine Polymermembrane voneinander getrennte Reaktionsräume, und mit mindestens einer Transportlage, welche in mindestens einem der Reaktionsräume mit einer elektrisch leitfähigen, offen-porösen Beschichtung zur Polymermembrane gewandt angeordnet ist, wobei die Transportlage, umfassend eine metallische Trägerstruktur mit der, zumindest bereichsweise auf die Trägerstruktur aufgebrachten Beschichtung ausgebildet ist, wobei die Beschichtung aus einer Mischung aus unterstöchiometrischem Titanoxid und Chromoxid gebildet ist, die maximal 0,5 Gew.-% an Elementen aus der Gruppe umfassend Nb, Zr, Y, Al, Sn, Zn, Ni, Ta, Mo, Ag, Cu, Au, Pt, V, Ru, W, Si, Fe, Ca, Mg, Na, H, N, C, aufweist.
  • Die elektrochemische Zelle besitzt eine wesentlich verbesserte Langzeit-Zellleistung aufgrund der hohen elektrochemischen Stabilität und elektrischen Leitfähigkeit der eingesetzten Transportlage.
  • Ein Grenzflächenwiderstand der Beschichtung liegt vorzugsweise unterhalb von 25 mOhm*cm2, wobei eine TPV-Messung (TVP = „through plane voltage“) auf Gold normiert und bei einer Pressung von 100 N/cm2 und einer Stromdichte von 2 A/cm2 durchgeführt wird. Bevorzugt liegt mindestens eine elektrische Leitfähigkeit von 3*103 S/m für die Beschichtung vor.
  • Das unterstöchiometrische Titanoxid weist bevorzugt die Formel TiO2-x mit 0 < x ≤ 1, insbesondere mit 0,01 < x ≤ 0,2, auf. Hierbei ist eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit erzielbar.
  • Das unterstöchiometrische Titanoxid liegt zu dem Chromoxid bevorzugt in einem Verhältnis von 95:5 bis 5:95 Gew.-% in der Beschichtung vor. Insbesondere liegt das unterstöchiometrische Titanoxid zu 75 bis 85 Gew.-% in der Beschichtung vor. Das Chromoxid ist bevorzugt stöchiometrisch aufgebaut.
  • Die Beschichtung ist bevorzugt durch ein thermisches Spritzen auf der Trägerstruktur ausgebildet. Dadurch lassen sich gezielt offene Porositäten in der Beschichtung einstellen und verändern. Die offen-poröse Beschichtung ist dabei auf der Trägerstruktur vorzugsweise durch ein thermisches Spritzen eines Titanpulvers und/oder Titanoxidpulvers und weiterhin eines Chrompulvers und/oder Chromoxidpulvers, optional unter vorheriger Mischung dieser Pulver, gebildet.
  • Im Bereich einer freien Oberfläche der Beschichtung ist dabei vorzugsweise eine offene Porosität eingestellt mit einem mittleren Durchmesser der Poren im einstelligen Mikrometerbereich, insbesondere im Bereich von 5 bis 15 µm, während auf der, der Trägerstruktur zugewandten Seite der Beschichtung vorzugsweise eine offene Porosität eingestellt ist mit einem mittleren Durchmesser der Poren im einstelligen Millimeterbereich, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 1, 5 mm. Dabei ist, ausgehend von der Trägerstruktur, der Porendurchmesser in der Beschichtung sukzessive in Richtung der freien Oberfläche verringert.
  • Besonders bevorzugt ist dabei eine offene Porosität im Bereich von 25 bis 35 Vol.-% auf der, der Trägerstruktur zugewandten Seite der offen-porösen Beschichtung ausgebildet und im Bereich der freien Oberfläche der offen-porösen Beschichtung eine offene Porosität im Bereich von 78 bis 82 Vol.-%.
  • Dabei werden zum thermischen Spritzen bevorzugt Pulver mit Korngrößen im Bereich von 1 bis 100 µm, insbesondere im Bereich von 25 ± 5 µm, eingesetzt. Als Pulver werden insbesondere solche verwendet, die bereits die geforderte unterstöchiometrische Zusammensetzung des Titanoxids und eine stöchiometrische Zusammensetzung des Chromoxids aufweisen.
  • Bevorzugt werden die bereitgestellten Pulver oder die vermischten Pulver mittels atmosphärischem Plasmaspritzen auf die Trägerstruktur gespritzt. Aber auch andere thermische Spritzverfahren sind einsetzbar. Prozesstechnisch wird ausgenutzt, dass mittels thermischen Spritzens zum einen offen poröse Lagen oder Bauteile hergestellt werden können. Zudem wird die Fähigkeit dieser Abscheidetechnologie nutzbar gemacht, geometrische Strukturen vom Mikrometer- bis zum Millimeterbereich generativ herzustellen. Auf diese Weise können dreidimensionale Strömungskanäle durch eine lokal unterschiedlich dick aufgespritzte offen-poröse Beschichtung ausgebildet werden, die geeignet sind, die Fluidströme innerhalb der elektrochemischen Zelle zu führen. Der geometrischen Ausformung der Strömungskanäle sind dabei kaum Grenzen gesetzt. Dies ermöglicht einen Fluidtransport sowohl in lateraler als auch in normaler Richtung zu einer Polymermembrane.
  • Die metallische Trägerstruktur ist bevorzugt plattenförmig ausgebildet und umfasst zumindest eine offen-poröse Lage, beispielsweise aus einem Metallsinterteil, Metallschaum, Metallgewebe, Metallgestrick, Metallvlies, Metallfadengelege und dergleichen, auf welche zumindest einseitig die Beschichtung aufgespritzt wird. Die Trägerstruktur kann weiterhin mindestens eine gasundurchlässige Metallplatte umfassen, die auf der, der Beschichtung abgewandten Seite der offen-porösen Lage angeordnet wird. Dabei weist die Trägerstruktur insbesondere eine Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm, insbesondere von 0,5 mm, auf. Sowohl eine Metallplatte als auch eine offen-poröse Lage können dreidimensionale Strukturen zur Ausbildung von makroskopisch erkennbaren Strömungskanälen oder Strömungsleitstrukturen aufweisen. Diese dreidimensionalen Strukturen können durch Prägen, Einformen und dergleichen gebildet sein.
  • Die offen-poröse Beschichtung ist bevorzugt in einer Schichtdicke im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm auf die Trägerstruktur, hier insbesondere auf die offen-poröse Lage, aufgetragen. Dabei können auf einer freien Oberfläche der Beschichtung, welche der Trägerstruktur abgewandt ist, ebenfalls dreidimensionale Strukturen beim thermischen Spritzen in-situ ausgebildet sein.
  • Eine Verwendung mindestens einer Transportlage, umfassend eine metallische Trägerstruktur mit einer, zumindest bereichsweise auf die Trägerstruktur aufgebrachten, elektrisch leitfähigen, offen-porösen Beschichtung, wobei die Beschichtung aus einer Mischung aus unterstöchiometrischem Titanoxid und Chromoxid gebildet ist, die maximal 0,5 Gew.-% an Elementen aus der Gruppe umfassend Nb, Zr, Y, Al, Sn, Zn, Ni, Ta, Mo, Ag, Cu, Au, Pt, V, Ru, W, Si, Fe, Ca, Mg, Na, H, N, C, aufweist, in einer elektrochemische Zelle in Form einer Brennstoffzelle, eines Elektrolyseurs oder einer Redox-Flusszelle, umfassend zwei, durch eine Polymermembrane voneinander getrennte Reaktionsräume, wobei die mindestens eine Transportlage in mindestens einem der Reaktionsräume mit der Beschichtung zur Polymermembrane gewandt angeordnet wird, hat sich bewährt.
  • Die 1 bis 3 sollen Transportlagen zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle und deren Einsatz in einer elektrochemischen Zelle beispielhaft erläutern. So zeigt:
    • 1 eine erste Transportlage zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht,
    • 2 eine zweite Transportlage zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht, und
    • 3 einen Schnitt durch eine elektrochemische Zelle eines Elektrolyseurs.
  • 1 zeigt eine erste Transportlage 1 zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle 10 (vergleiche 3) in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht. Die erste Transportlage 1 umfasst eine metallische Trägerstruktur 2, die aus einem offen-porösen Metallsinterteil 2c aus Titan in Plattenform gebildet ist. Auf eine Seite der Trägerstruktur 2 ist eine elektrisch leitfähige, offen-poröse Beschichtung 3 durch atmosphärisches Plasmaspritzen mittels einer Vorrichtung 20 zum thermischen Spritzen aufgebracht, welche hier lediglich schematisch dargestellt ist. Die Beschichtung 3 ist aus einer Mischung aus unterstöchiometrischem Titanoxid und Chromoxid gebildet, die weiterhin maximal 0,5 Gew.-% an Elementen aus der Gruppe umfassend Nb, Zr, Y, Al, Sn, Zn, Ni, Ta, Mo, Ag, Cu, Au, Pt, V, Ru, W, Si, Fe, Ca, Mg, Na, H, N, C, aufweist.
  • 2 zeigt eine zweite Transportlage 1' zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle 10 (vergleiche 3) in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht. Die zweite Transportlage 1' umfasst eine metallische Trägerstruktur 2 in Plattenform, die eine gasdichte Metallplatte 2a aus Stahl umfasst, welche einseitig mit einem offen-porösen Metallgewebe 2b aus Stahl verbunden ist. Auf die freie Seite des offen-porösen Metallgewebes 2b ist eine elektrisch leitfähige, offen-poröse Beschichtung 3 durch atmosphärisches Plasmaspritzen mittels einer Vorrichtung 20 zum thermischen Spritzen aufgebracht, welche hier lediglich schematisch dargestellt ist. Die Beschichtung 3 ist aus einer Mischung aus unterstöchiometrischem Titanoxid und Chromoxid gebildet, die weiterhin maximal 0,5 Gew.-% an Elementen aus der Gruppe umfassend Nb, Zr, Y, Al, Sn, Zn, Ni, Ta, Mo, Ag, Cu, Au, Pt, V, Ru, W, Si, Fe, Ca, Mg, Na, H, N, C, aufweist.
  • 3 zeigt einen Schnitt durch eine elektrochemische Zelle 10 in Form eines Elektrolyseurs. Die elektrochemische Zelle 10 umfasst zwei, durch eine Polymermembrane 6, hier eine Polymerelektrolytmembrane, voneinander getrennte Reaktionsräume 4, 5. Auf beiden Seiten der Polymermembrane 6 ist je eine Transportlage 1' pro Reaktionsraum 4, 5 mit einer freien Oberfläche 3a (vergleiche 1 und 2) der Beschichtung 3 jeweils zur Polymermembrane 6 gewandt angeordnet. Beiderseits der Polymerelektrolytmembrane ist jeweils eine nicht gesondert dargestellte elektrisch leitende Katalysatorschicht umfassend jeweils ein Katalysatormaterial angeordnet. Die Metallplatten 2a weisen hier jeweils Strömungskanäle 7 auf ihren dem Metallgewebe 2b zugewandten Seiten auf, um eine Zufuhr von Reaktionsmedium (Wasser) und eine Abfuhr von Reaktionsprodukten (Wasser, Wasserstoff, Sauerstoff) zu verbessern. Derartige Strömungskanäle 7 sind lediglich optional vorhanden und können alternativ oder zusätzlich auch auf der freien Oberfläche 3a der Beschichtung 3 beim thermischen Spritzen in-situ ausgebildet sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1'
    Transportlage
    2
    Trägerstruktur
    2a
    Metallplatte
    2b
    Metallgewebe
    2c
    Metallsinterteil
    3
    offen-poröse Beschichtung
    3a
    freie Oberfläche
    4, 5
    Reaktionsraum
    6
    Polymermembrane
    7
    Strömungskanäle
    10
    elektrochemische Zelle
    20
    Vorrichtung zum thermischen Spritzen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018132399 A1 [0003]
    • DE 102020203398 A1 [0004]
    • DE 102015111918 A1 [0005]
    • US 4931213 A [0006]

Claims (8)

  1. Elektrochemische Zelle (10) in Form einer Brennstoffzelle, eines Elektrolyseurs oder einer Redox-Flusszelle, umfassend zwei, durch eine Polymermembrane (6) voneinander getrennte Reaktionsräume (4, 5), und mit mindestens einer Transportlage (1, 1'), welche in mindestens einem der Reaktionsräume (4, 5) mit einer elektrisch leitfähigen, offen-porösen Beschichtung (3) zur Polymermembrane (6) gewandt angeordnet ist, wobei die Transportlage (1, 1'), umfassend eine metallische Trägerstruktur (2) mit der, zumindest bereichsweise auf die Trägerstruktur (2) aufgebrachten Beschichtung (3) ausgebildet ist, wobei die Beschichtung (3) aus einer Mischung aus unterstöchiometrischem Titanoxid und Chromoxid gebildet ist, die maximal 0,5 Gew.-% an Elementen aus der Gruppe umfassend Nb, Zr, Y, Al, Sn, Zn, Ni, Ta, Mo, Ag, Cu, Au, Pt, V, Ru, W, Si, Fe, Ca, Mg, Na, H, N, C, aufweist.
  2. Elektrochemische Zelle (10) nach Anspruch 1, wobei das unterstöchiometrische Titanoxid die Formel TiO2-x mit 0 < x ≤ 1 aufweist.
  3. Elektrochemische Zelle (10) nach Anspruch 2, wobei das unterstöchiometrische Titanoxid die Formel TiO2-x mit 0,01 < x ≤ 0,2 aufweist.
  4. Elektrochemische Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beschichtung (3) durch thermisches Spritzen auf der Trägerstruktur (2) ausgebildet ist.
  5. Elektrochemische Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das unterstöchiometrische Titanoxid zu dem Chromoxid in einem Verhältnis von 95:5 bis 5:95 Gew.-% in der Beschichtung (3) vorliegt.
  6. Elektrochemische Zelle (10) nach Anspruch 5, wobei das unterstöchiometrische Titanoxid zu 75 bis 85 Gew.-% in der Beschichtung (3) vorliegt.
  7. Elektrochemische Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die offen-poröse Beschichtung (3) auf der Trägerstruktur (2) durch ein thermisches Spritzen eines Titanpulvers und/oder Titanoxidpulvers und weiterhin eines Chrompulvers und/oder Chromoxidpulvers, optional unter vorheriger Mischung dieser Pulver, gebildet ist.
  8. Verwendung mindestens einer Transportlage (1, 1'), umfassend eine metallische Trägerstruktur (2) mit einer, zumindest bereichsweise auf die Trägerstruktur (2) aufgebrachten, elektrisch leitfähigen, offen-porösen Beschichtung (3), wobei die Beschichtung (3) aus einer Mischung aus unterstöchiometrischem Titanoxid und Chromoxid gebildet ist, die maximal 0,5 Gew.-% an Elementen aus der Gruppe umfassend Nb, Zr, Y, Al, Sn, Zn, Ni, Ta, Mo, Ag, Cu, Au, Pt, V, Ru, W, Si, Fe, Ca, Mg, Na, H, N, C, aufweist, in einer elektrochemische Zelle (10) in Form einer Brennstoffzelle, eines Elektrolyseurs oder einer Redox-Flusszelle, umfassend zwei, durch eine Polymermembrane (6) voneinander getrennte Reaktionsräume (4, 5), wobei die mindestens eine Transportlage (1, 1') in mindestens einem der Reaktionsräume (4, 5) mit der Beschichtung (3) zur Polymermembrane (6) gewandt angeordnet wird.
DE102023118887.9A 2022-08-03 2023-07-18 Elektrochemische Zelle sowie Verwendung Pending DE102023118887A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/DE2023/100532 WO2024027873A1 (de) 2022-08-03 2023-07-19 Elektrochemische zelle sowie verwendung

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022119472 2022-08-03
DE102022119472.8 2022-08-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102023118887A1 true DE102023118887A1 (de) 2024-02-08

Family

ID=89575488

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102023118887.9A Pending DE102023118887A1 (de) 2022-08-03 2023-07-18 Elektrochemische Zelle sowie Verwendung

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102023118887A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4931213A (en) 1987-01-23 1990-06-05 Cass Richard B Electrically-conductive titanium suboxides
DE102015111918A1 (de) 2015-07-17 2017-01-19 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Stromkollektor, Membraneinheit, elektrochemische Zelle, Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektor, einer Membraneinheit und einer elektrochemischen Zelle
DE102018132399A1 (de) 2018-12-17 2020-06-18 Forschungszentrum Jülich GmbH Gasdiffusionskörper
DE102020203398A1 (de) 2020-03-17 2021-09-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur additiven Herstellung eines Metallträgers einer Brennstoffzelle

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4931213A (en) 1987-01-23 1990-06-05 Cass Richard B Electrically-conductive titanium suboxides
DE102015111918A1 (de) 2015-07-17 2017-01-19 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Stromkollektor, Membraneinheit, elektrochemische Zelle, Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektor, einer Membraneinheit und einer elektrochemischen Zelle
DE102018132399A1 (de) 2018-12-17 2020-06-18 Forschungszentrum Jülich GmbH Gasdiffusionskörper
DE102020203398A1 (de) 2020-03-17 2021-09-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur additiven Herstellung eines Metallträgers einer Brennstoffzelle

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2676318B1 (de) Schichtaufbau sowie seine verwendung zur ausbildung eines keramischen schichtaufbaus zwischen einem interkonnektor und einer kathode einer hochtemperaturbrennstoffzelle
DE602004007039T2 (de) Strukturen für gasdiffusionsmaterialien und herstellungsverfahren dafür
WO2017025285A1 (de) Präparationstechnik von kohlenwasserstoffselektiven gasdiffusionselektroden basierend auf cu-haltigen-katalysatoren
DE60118884T2 (de) Verfahren zur herstellung einer anoden-tragenden elektrolyt enthaltende anordnung und solche anordnung enthaltende keramische zelle
DE112005001131T5 (de) Neuartige Methode, um eine Hochleistungsmembranelektrodenanordnung (MEA) für eine PEM-Brennstoffzelle herzustellen
DE112009001684B4 (de) Brennstoffzellenseparator und Brennstoffzelle
DE102014109321A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle
DE102006045086A1 (de) Elektrochemische Zellenstrukturen und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE112005000891B4 (de) Brennstoffzellenkathode und Verwendung
EP3642391B1 (de) Verfahren, verwendung und elektrolysezelle mit gasdiffusionselektrode zur reduktion von kohlendioxid
DE102018105115A1 (de) Elektrode, Zelleneinheit und Elektrolyseur
DE102017107422A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit, Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit und deren Verwendung
DE102004053582A1 (de) Neues elektrisches Kontaktelement für eine Brennstoffzelle
EP2573211A2 (de) Verbesserte Gasdiffusionselektroden und Verfahren zu ihrer Herstellung
WO2022127984A1 (de) Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte für eine elektrochemische zelle und bipolarplatte
DE102014201688A1 (de) Katalysatoreinrichtung mit einer intermetallischen verbindung aus iridium und wolfram
DE102023118887A1 (de) Elektrochemische Zelle sowie Verwendung
WO2024027873A1 (de) Elektrochemische zelle sowie verwendung
WO2012028313A1 (de) Verfahren zur herstellung von platin-übergangsmetall-katalysatorpartikeln
EP3479429B1 (de) Verfahren zur herstellung eines geträgerten katalysatormaterials für eine brennstoffzelle
DE102016123910A1 (de) Gasdiffusionselektrode
EP2342777A1 (de) Tubulare hochtemperatur-brennstoffzelle, verfahren zu deren herstellung und eine solche enthaltende brennstoffzellenanlage
DE102020204386A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur und Brennstoff-/Elektrolysezelle
DE102019133872A1 (de) Brennstoffzelle oder Elektrolyseur
DE102018204602A1 (de) Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle