EP3948996A1 - Schichtsystem, bipolarplatte mit einem solchen schichtsystem und damit gebildete brennstoffzelle - Google Patents

Schichtsystem, bipolarplatte mit einem solchen schichtsystem und damit gebildete brennstoffzelle

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EP3948996A1
EP3948996A1 EP20708423.7A EP20708423A EP3948996A1 EP 3948996 A1 EP3948996 A1 EP 3948996A1 EP 20708423 A EP20708423 A EP 20708423A EP 3948996 A1 EP3948996 A1 EP 3948996A1
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EP
European Patent Office
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layer
metal
layer system
oxide
bipolar plate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20708423.7A
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French (fr)
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Detlev Repenning
Moritz Wegener
Jeevanthi VIVEKANANTHAN
Yashar Musayev
Ladislaus Dobrenizki
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Filing date
Publication date
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a layer system for coating a bipolar plate, comprising at least one cover layer made of tin oxide.
  • the invention further relates to a bipolar plate comprising a metallic substrate and such a layer system.
  • the invention further relates to a fuel cell comprising at least one such bipolar plate.
  • a bipolar plate arrangement for a fuel cell unit is already known from DE 102008036849 A1, in which a coating on the cathode side is formed by a tin oxide doped with fluorine.
  • WO 03/092139 A2 discloses a fuel cell with one or more bipolar plates which are coated with a corrosion-resistant metal and furthermore with an electrically conductive, polycrystalline tin oxide layer.
  • the tin oxide layer can be fluorine-doped or antimony-doped.
  • the corrosion-resistant metal is either a nickel alloy or is selected from the group of the metals tantalum, niobium, zirconium and hafnium.
  • DE 102008055808 A1 describes a bipolar plate for a fuel cell which has a hydrophilic coating, the hydrophilic layer being formed by a metal oxide or a carbide. Silicon dioxide, hafnium dioxide, zirconium dioxide, aluminum oxide, tin oxide, tantalum pentoxide, niobium pentoxide, molybdenum dioxide, iridium dioxide, ruthenium dioxide and mixtures thereof are described as suitable metal oxides.
  • the metal oxide can be mixed with N, C, Li, Ba, Pb, Mo, Ag, Au, Ru, Re, Nd, Y, Mn, V, Cr, Sb, Ni, W, Zr, Hf or mixtures thereof can be doped.
  • Chromium carbide, titanium carbide, tantalum carbide, niobium carbide and zirconium carbide are mentioned as suitable carbides for forming a hydrophilic layer. It is the object of the invention to provide an improved layer system for a bipolar plate and to provide such a bipolar plate. It is also an object of the invention to propose a fuel cell with at least one such bipolar plate.
  • the object is achieved for the layer system for coating a bipolar plate, comprising at least one top layer of tin oxide, in that at least one metal oxide is homogeneously dissolved in the tin oxide from the group comprising tantalum oxide, niobium oxide, titanium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, and where a electrical conductivity of the cover layer is greater than or equal to 10 2 S / cm.
  • the layer system is characterized by high long-term stability combined with high electrical conductivity and low costs.
  • the layer system ensures excellent corrosion protection for a metallic base material or substrate of a bipolar plate.
  • the layer system is preferably formed by a PVD or a CVD method (PVD: Physical Vapor Deposition; CVD: Chemical Vapor Deposition).
  • the cover layer has in particular a layer thickness in the range from 0.1 to 15 ⁇ m, in particular in the range from 0.5 to 3 ⁇ m.
  • Cover layers which have a metal oxide in the form of tantalum oxide and / or niobium oxide in homogeneous solution in tin dioxide are particularly preferred here.
  • the above-mentioned advantages are achieved here based on a mixed phase that forms in the form of alpha-tin dioxide-tantalum oxide and / or alpha-tin dioxide-niobium oxide.
  • the cover layer in the homogeneous solution of tin oxide and metal oxide has a proportion of 0.1-5 at.% Tantalum and / or niobium and / or titanium and / or zirconium and / or hafnium.
  • the electrical conductivity of the mixed phase formed has a maximum in this area. It is particularly preferred if the cover layer is doped with iridium and / or ruthenium.
  • the iridium and / or ruthenium is preferably present in the top layer in a concentration in the range from 10 -4 at.% To 0.1 at.%. This increases the electrical conductivity of the top layer even further.
  • an adhesive layer is also present in addition to the cover layer, the adhesive layer having a layer thickness in the range from 1 nm to 300 nm.
  • the adhesive layer is preferably formed to contain at least one element from the group comprising titanium, tantalum, niobium, zirconium, hafnium.
  • the adhesive layer is intended to improve the adhesion of the cover layer to the base material or substrate of a bipolar plate. There is preferably between the cover layer and the adhesive layer
  • At least one intermediate layer made of a metal nitride or
  • the intermediate layer should in particular ensure adhesion between that of the adhesive layer and the cover layer.
  • the metal carbide and / or the metal nitride and / or the metal boride has at least one metal from the group comprising titanium, tantalum, niobium, zirconium, and hafnium.
  • the at least one metal is preferably present in a concentration in the range from 30 to 56 at.% In the metal carbide and / or metal nitride and / or metal boride.
  • metal borides have the highest electrical conductivity. It is therefore advantageous if the at least one intermediate layer contains boron.
  • the boron serves here to increase conductivity and thus in particular to adjust the electrical conductivity of the intermediate layer (s).
  • a layer thickness of an individual intermediate layer is preferably selected in the range from 0.1 to 0.5 ⁇ m.
  • the cover layer is doped with fluorine. This leads to a stabilization and further hydrophobization of the cover layer and increases the long-term stability of the layer system significantly. It can therefore not only be used with advantage on a cathode side of a bipolar plate, i.e. under anodic oxidation conditions, but can also be used on an anode side of the bipolar plate, since the formation of superficial hydroxide compounds is prevented, which would have a negative, ie increasing Influence on a surface resistance of the top layer.
  • Doping the cover layer with fluorine in the range from 0.5 to 5 at .-% has proven useful.
  • the cover layer is further doped with nitrogen and / or carbon.
  • Doping the cover layer with nitrogen in the range from 0 to 10 at.% And / or with carbon in the range from 0 to 10 at.% has proven useful.
  • the layer system according to the invention, comprising the adhesive layer, at least one intermediate layer and the cover layer preferably has a total thickness in the range from 0.1 to 20 ⁇ m.
  • the following layer systems have proven to be advantageous for coating a metallic bipolar plate, in particular made of austenitic steel:
  • Adhesive layer - Intermediate layer: - Top layer: SnO2 - 0.95 at .-% Ta 2 O 5
  • Adhesive layer niobium
  • Adhesive layer tantalum
  • Cover layer SnO2-x Fx - 0.95 at .-% Ta 2 O 5
  • Adhesive layer niobium
  • Adhesive layer TiNb
  • Cover layer SnO2-x Fx - 0.2 at .-% Ta 2 O 5 - 1 at .-% Nb 2 O 5
  • a bipolar plate with an anode side and a cathode side comprising a substrate and a layer system according to the invention, with a structure of the bipolar plate in the following order:
  • Top layer This is preferably a bipolar plate with a metallic substrate or a metallic carrier plate, in particular made of austenitic stainless steel.
  • a carrier plate can be designed in one or more parts.
  • the layer system is preferably arranged on the cathode side of the bipolar plate, but can also be used on the anode side of the bipolar plate with appropriate fluorination and, if necessary, further doping with nitrogen and / or carbon.
  • the object is also achieved for a fuel cell or an electrolyser, this being designed to include at least one bipolar plate according to the invention.
  • the fuel cell is designed in particular as an oxygen-hydrogen or air-hydrogen fuel cell. It has proven itself here if the fuel cell comprises at least one polymer electrolyte membrane.
  • Table 1 shows a comparison of various outer layers of the layer system according to the invention.
  • FIGS. 1 to 5 are intended to explain, by way of example, a layer system according to the invention and a bipolar plate coated therewith and a fuel cell.
  • FIG. 1 shows a bipolar plate having the layer system
  • FIG. 3 shows a section III-III through the arrangement according to FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a cross section through a layer system in an enlarged manner
  • FIG. 1 shows a bipolar plate 2 with a layer system 1, which here has a metallic substrate or a metallic carrier plate 2a made of stainless steel.
  • the layer system 1 covers the bipolar plate 2 at least on its cathode side.
  • the layer system 1 has a total thickness in the range from 100 nm to 20 ⁇ m.
  • the bipolar plate 2 has an inflow area 3a with openings 4 and an outlet area 3b with further openings 4 'which are used to supply a fuel cell with process gases and to discharge reaction products from the fuel cell.
  • the bipolar plate 2 also has a gas distribution structure 5 on each side, which is provided for contact with a polymer electrolyte membrane 7 (see FIG. 2).
  • FIG. 1 shows a bipolar plate 2 with a layer system 1, which here has a metallic substrate or a metallic carrier plate 2a made of stainless steel.
  • the layer system 1 covers the bipolar plate 2 at least on its cathode side.
  • the layer system 1 has a total thickness in the range from 100
  • FIG. 2 schematically shows a fuel cell system 100 comprising a plurality of fuel cells 10.
  • Each fuel cell 10 comprises a polymer electrolyte membrane 7 which is adjacent on both sides of bipolar plates 2, 2 '.
  • the same reference symbols as in FIG. 1 identify the same elements.
  • FIG. 3 shows a section III-III through the bipolar plate 2 according to FIG. 1.
  • the same reference symbols as in FIG. 1 identify the same elements.
  • the support plate 2a made of stainless steel can be seen, which can be constructed in one or more parts.
  • a gas diffusion layer 6 is arranged between the carrier plate 2a and the layer system 1. It can also be seen that a further coating 8 on the anode side the carrier plate 2a is present. This can correspond to the layer system 1.
  • a coating 8 can be provided which is designed according to DE102016202372 A1.
  • a further gas diffusion layer 6 ' is located between the coating 8 and the carrier plate 2a.
  • the gas diffusion layers 6, 6 ' are designed to be electrically conductive, in particular formed from a fiber mat made of carbon material.
  • FIG. 4 shows a section through two bipolar plates 2, 2 ′ and a polymer electrolyte membrane 7 according to FIG. 2 arranged between them, which together form a fuel cell 10.
  • the same reference symbols as in FIGS. 1 to 3 identify the same elements.
  • the layer system 1 of a first bipolar plate with a carrier plate 2a as cathode and, on the other hand, the coating 8 of a second bipolar plate with a further carrier plate 2a 'as anode are arranged adjacent to the polymer electrolyte membrane 7.
  • the gas diffusion layers 6, 6 ' can be seen.
  • FIG. 5 shows a cross section through the layer system 1 according to FIG. 1. It can be seen that a cover layer 1a, an intermediate layer 1b and an adhesive layer 1c are present.
  • the adhesive layer 1c is located on a side B of the layer system 1, which is arranged facing the carrier plate 2a of the bipolar plate 2.
  • the cover layer 1 a is located on a side A of the layer system 1 which is arranged facing away from the carrier plate 2 a of a bipolar plate 2.
  • the layer system 1 can also have a plurality of intermediate layers 1b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem (1) zum Beschichten einer Bipolarplatte (2), umfassend zumindest eine Deckschicht (1a) aus Zinnoxid, wobei in dem Zinnoxid mindestens ein Metalloxid homogen gelöst ist aus der Gruppe umfassend Tantaloxid, Nioboxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, und wobei eine elektrische Leitfähigkeit der Deckschicht (1a) größer oder gleich 102 S/cm beträgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte (2, 2') mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite, umfassend ein Substrat (2a, 2a') sowie ein solches Schichtsystem (1), sowie eine Brennstoffzelle (10) oder einen Elektrolyseur mit einer solchen Bipolarplatte (2, 2').

Description

Schichtsystem, Bipolarplatte mit einem solchen Schichtsystem
und damit gebildete Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem zum Beschichten einer Bipolarplatte, umfas- send zumindest eine Deckschicht aus Zinnoxid. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte umfassend ein metallisches Substrat und ein solches Schichtsystem. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle umfassend mindestens eine sol- che Bipolarplatte. Aus der DE 102008036849 A1 ist bereits eine Bipolarplattenanordnung für eine Brennstoffzelleneinheit bekannt, bei welcher eine kathodenseitige Beschichtung durch ein mit Fluor-dotiertes Zinnoxid gebildet ist. Die WO 03 / 092139 A2 offenbart eine Brennstoffzelle mit einer oder mehreren Bipo- larplatten, die mit einem korrosionsbeständigen Metall und weiterhin mit einer elektrisch leitfähigen, polykristallinen Zinnoxidschicht beschichtet sind. Dabei kann die Zinnoxidschicht Fluor-dotiert oder Antimon-dotiert ausgebildet sein. Das korrosionsbe- ständige Metall ist entweder eine Nickel-Legierung oder ist ausgewählt aus der Grup- pe der Metalle Tantal, Niob, Zirkonium, Hafnium. Die DE 102008055808 A1 beschreibt eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die eine hydrophile Beschichtung aufweist, wobei die hydrophile Schicht durch ein Me- talloxid oder ein Karbid gebildet ist. Als geeignetes Metalloxid sind hierbei Siliziumdi- oxid, Hafniumdioxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Zinnoxid, Tantalpentoxid, Niob- pentoxid, Molybdändioxid, Iridiumdioxid, Rutheniumdioxid und Mischungen daraus beschrieben. Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit ist beschrieben, dass das Metalloxid unter anderem mit N, C, Li, Ba, Pb, Mo, Ag, Au, Ru, Re, Nd, Y, Mn, V, Cr, Sb, Ni, W, Zr, Hf oder Mischungen daraus dotiert sein kann. Als zur Bildung einer hyd- rophilen Schicht geeignete Karbide sind Chromkarbid, Titankarbid, Tantalkarbid, Ni- obkarbid und Zirkoniumkarbid genannt. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Schichtsystem für eine Bipolarplatte bereitzustellen und eine derartige Bipolarplatte bereitzustellen. Weiterhin ist es Aufga- be der Erfindung, eine Brennstoffzelle mit mindestens einer solchen Bipolarplatte vor- zuschlagen. Die Aufgabe wird für das Schichtsystem zum Beschichten einer Bipolarplatte, umfas- send zumindest eine Deckschicht aus Zinnoxid, dadurch gelöst, dass in dem Zinnoxid mindestens ein Metalloxid homogen gelöst ist aus der Gruppe umfassend Tantaloxid, Nioboxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, und wobei eine elektrische Leitfä- higkeit der Deckschicht größer oder gleich 102 S/cm beträgt. Das Schichtsystem zeichnet sich durch eine hohe Langzeitstabilität bei gleichzeitig hoher elektrischer Leit- fähigkeit und geringen Kosten aus. Zudem gewährleistet das Schichtsystem einen ausgezeichneten Korrosionsschutz für ein metallisches Grundmaterial oder Substrat einer Bipolarplatte.
Das Schichtsystem ist dabei vorzugsweise durch ein PVD- oder ein CVD-Verfahren (PVD: Physical Vapour Depostion; CVD: Chemical Vapour Deposition) gebildet.
Die Deckschicht weist insbesondere eine Schichtdicke im Bereich von 0,1 bis 15 µm, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 3 µm auf.
Besonders bevorzugt sind hierbei Deckschichten, die ein Metalloxid in Form von Tan- taloxid und/oder Nioboxid in homogener Lösung im Zinndioxid aufweisen. Die oben genannten Vorteile werden hier basierend auf einer sich ausbildenden Mischphase in Form von alpha-Zinndioxid-Tantaloxid und/oder alpha-Zinndioxid-Nioboxid erreicht.
Insbesondere weist die Deckschicht in der homogenen Lösung aus Zinnoxid und Me- talloxid einen Anteil von 0,1 - 5 at.-% Tantal und/oder Niob und/oder Titan und/oder Zirkonium und/oder Hafnium auf. In diesem Bereich weist die elektrische Leitfähigkeit der gebildeten Mischphase ein Maximum auf. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Deckschicht mit Iridium und/oder Ruthe- nium dotiert ist. Das Iridium und/oder das Ruthenium ist vorzugsweise in einer Kon- zentration im Bereich von 10 -4 at.-% bis 0,1 at.-% in der Deckschicht vorhanden. Dies erhöht die elektrische Leitfähigkeit der Deckschicht noch weiter. In einer bevorzugten Ausführungsform des Schichtsystems ist zusätzlich zur Deck- schicht weiterhin eine Haftschicht vorhanden, wobei die Haftschicht eine Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 300 nm aufweist. Die Haftschicht ist bevorzugt enthaltend mindestens ein Element aus der Gruppe umfassend Titan, Tantal, Niob, Zirkonium, Hafnium, ausgebildet. Die Haftschicht soll die Haftung der Deckschicht am Grundma- terial oder Substrat einer Bipolarplatte verbessern. Vorzugsweise ist zwischen der Deckschicht und der Haftschicht
- mindestens eine Zwischenschicht aus einem Metallkarbid oder
- mindestens eine Zwischenschicht aus einem Metallnitrid oder
- mindestens eine Zwischenschicht aus Metallborid oder
- mindestens eine Zwischenschicht umfassend
mindestens ein Metallkarbid und mindestens ein Metallnitrid oder
mindestens ein Metallkarbid und mindestens ein Metallborid oder
mindestens ein Metallnitrid und mindestens ein Metallborid oder
mindestens ein Metallkarbid und mindestens ein Metallnitrid und mindestens ein Metallborid oder
- eine Kombination aus zwei oder mehr solcher Zwischenschichten angeordnet.
Die Zwischenschicht soll insbesondere eine Haftung zwischen der der Haftschicht und der Deckschicht gewährleisten. Insbesondere weist das Metallkarbid und/oder das Metallnitrid und/oder das Metallbo- rid mindestens ein Metall auf aus der Gruppe umfassend Titan, Tantal, Niob, Zirkoni- um, Hafnium. Das mindestens eine Metall liegt dabei vorzugsweise in einer Konzent- ration im Bereich von 30 bis 56 at.-% im Metallkarbid und/oder Metallnitrid und/oder Metallborid vor. Die Metallboride weisen unter diesen Hartstoffen die höchste elektrische Leitfähigkeit auf. Es ist daher von Vorteil, wenn die mindestens eine Zwischenschicht Bor enthält. Das Bor dient hier einer Leitfähigkeitserhöhung und damit insbesondere der Einstel- lung der elektrischen Leitfähigkeit der Zwischenschicht(en). Eine Schichtdicke einer einzelnen Zwischenschicht wird bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,5 µm gewählt. Es können allerdings zwei oder mehr Zwischenschichten vorhan- den sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Schichtsystems ist die Deck- schicht mit Fluor dotiert. Dies führt zu einer Stabilisierung und weiterhin Hydrophobi- sierung der Deckschicht und erhöht die Langzeitstabilität des Schichtsystems signifi- kant. Somit kann diese nicht nur mit Vorteil auf einer Kathodenseite einer Bipolarplat- te, also unter anodischen Oxidationsbedingungen, eingesetzt werden, sondern wei- terhin auf einer Anodenseite der Bipolarplatte eingesetzt werden, da die Ausbildung oberflächlicher Hydroxidverbindungen verhindert wird, welche einen negativen, das heißt erhöhenden Einfluss auf einen Oberflächenwiderstand der Deckschicht hätten. Eine Dotierung der Deckschicht mit Fluor im Bereich von 0,5 bis 5 at.-% hat sich dabei bewährt. Um die elektrische Leitfähigkeit der Deckschicht weiter zu erhöhen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Deckschicht weiterhin mit Stickstoff und/oder Kohlen- stoff dotiert ist. Eine Dotierung der Deckschicht mit Stickstoff im Bereich von 0 bis 10 at.-% und/oder mit Kohlenstoff im Bereich von 0 bis 10 at.-% hat sich dabei bewährt. Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Schichtsystem umfassend die Haftschicht, mindestens eine Zwischenschicht und die Deckschicht insgesamt eine Dicke im Be- reich von 0,1 bis 20 µm auf. Insbesondere haben sich folgende Schichtsysteme zum Beschichten einer metalli- schen Bipolarplatte, insbesondere aus austenitischem Stahl, als vorteilhaft erwiesen: Beispiel 1:
Haftschicht: -- Zwischenschicht: -- Deckschicht: SnO2 - 0,95 at.-% Ta2O5
Beispiel 2:
Haftschicht: Niob
Zwischenschicht: -- Deckschicht: SnO2 - 1,3 at.-% Nb2O5 Beispiel 3:
Haftschicht: Tantal
Zwischenschicht: Tantalkarbid
Deckschicht: SnO2-x Fx - 0,95 at.-% Ta2O5
dotiert mit 1 at.-% Ir (Ir-Anteil pro cm2: 0,27 µg; pro kW: 180 µg) Beispiel 4:
Haftschicht: Niob
Zwischenschicht: Niobnitrid
Deckschicht: SnO2-x Ny Fz - 1,3 at.-% Nb2O5
mit z = 0,05; y = 0,3; x = z + y = 0,35 Beispiel 5:
Haftschicht: TiNb
Zwischenschicht: Titan-Niobnitrid
Deckschicht: SnO2-x Fx - 0,2 at.-% Ta2O5 - 1 at.-% Nb2O5
mit x = 0,1 Die Aufgabe wird für eine Bipolarplatte mit einer Anodenseite und einer Kathodensei- te, umfassend ein Substrat sowie ein erfindungsgemäßes Schichtsystem gelöst, mit einem Aufbau der Bipolarplatte in der Reihenfolge:
Substrat
Gasdiffusionsschicht,
optionale Haftschicht,
optionale Zwischenschicht(en),
Deckschicht. Vorzugsweise handelt es sich hier um eine Bipolarplatte mit einem metallischen Sub- strat beziehungsweise einer metallischen Trägerplatte, insbesondere aus austeniti- schem Edelstahl. Eine Trägerplatte kann dabei ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Das Schichtsystem ist bevorzugt auf der Kathodenseite der Bipolarplatte angeordnet, kann aber bei entsprechender Fluorierung und gegebenenfalls noch weiterer Dotie- rung mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff auch auf der Anodenseite der Bipolarplatte eingesetzt werden. Die Aufgabe wird weiterhin für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur gelöst, wobei diese/dieser umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte aus- gebildet ist. Die Brennstoffzelle ist dabei insbesondere als eine Sauerstoff- Wasserstoff- oder Luft-Wasserstoff-Brennstoffzelle ausgebildet. Dabei hat es sich be- währt, wenn die Brennstoffzelle mindestens eine Polymerelektrolytmembrane umfasst.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt verschiedene Deckschichten des erfindungsgemä- ßen Schichtsystems im Vergleich. d
Tabelle 1: Deckschichten unterschiedlicher Zusammensetzung im Vergleich
* Ir-Anteil pro cm2: 0,027 µm pro kW: 18 µg
**Ir-Anteil pro cm2: 0,27 µg pro kW: 180 µg 0 < x £ 0,65; 0 < y £ 0,5; 0 < z £ 0,15 Die Figuren 1 bis 5 sollen ein erfindungsgemäßes Schichtsystem sowie eine damit beschichtete Bipolarplatte und eine Brennstoffzelle beispielhaft erläutern. So zeigt FIG 1 eine Bipolarplatte aufweisend das Schichtsystem;
FIG 2 schematisch ein Brennstoffzellensystem umfassend mehrere
Brennstoffzellen;
FIG 3 einen Schnitt III-III durch die Anordnung gemäß FIG 1;
FIG 4 einen Schnitt durch zwei Bipolarplatten und eine dazwischen
angeordnete Polymerelektrolytmembrane gemäß FIG 2; und
FIG 5 einen Querschnitt durch ein Schichtsystem in vergrößerter
Darstellung. Figur 1 zeigt eine Bipolarplatte 2 mit einem Schichtsystem 1, die hier ein metallisches Substrat beziehungsweise eine metallische Trägerplatte 2a aus Edelstahl aufweist. Das Schichtsystem 1 bedeckt die Bipolarplatte 2 zumindest auf ihrer Kathodenseite. Das Schichtsystem 1 weist insgesamt eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 20 µm auf. Die Bipolarplatte 2 weist einen Einströmbereich 3a mit Öffnungen 4 sowie einen Auslassbereich 3b mit weiteren Öffnungen 4´ auf, die zur Versorgung einer Brenn- stoffzelle mit Prozessgasen und Abführung von Reaktionsprodukten aus der Brenn- stoffzelle dienen. Die Bipolarplatte 2 weist weiterhin auf jeder Seite eine Gasvertei- lerstruktur 5 auf, die zur Anlage an eine Polymerelektrolytmembrane 7 (vergleiche FIG 2) vorgesehen ist. Figur 2 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 umfassend mehrere Brenn- stoffzellen 10. Jede Brennstoffzelle 10 umfasst eine Polymerelektrolytmembrane 7, die zu beiden Seiten von Bipolarplatten 2, 2´ benachbart ist. Gleiche Bezugszeichen wie in FIG 1 kennzeichnen gleiche Elemente.
Figur 3 zeigt einen Schnitt III-III durch die Bipolarplatte 2 gemäß Figur 1. Gleiche Be- zugszeichen wie in FIG 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Es ist die Trägerplatte 2a aus Edelstahl zu erkennen, welche einteilig oder mehrteilig aufgebaut sein kann. Zwi- schen der Trägerplatte 2a und dem Schichtsystem 1 ist eine Gasdiffusionsschicht 6 angeordnet. Weiterhin ist ersichtlich, dass eine weitere anodenseitige Beschichtung 8 der Trägerplatte 2a vorhanden ist. Diese kann dem Schichtsystem 1 entsprechen. Al- ternativ kann eine Beschichtung 8 vorgesehen sein, die gemäß der DE102016202372 A1 ausgebildet ist. Zwischen der Beschichtung 8 und der Trägerplatte 2a befindet sich eine weitere Gasdiffusionsschicht 6´. Dabei sind die Gasdiffusionsschichten 6, 6´ elektrisch leitfähig ausgebildet, insbesondere aus einer Fasermatte aus Kohlenstoff- material gebildet. Figur 4 zeigt einen Schnitt durch zwei Bipolarplatten 2, 2´ und eine dazwischen ange- ordnete Polymerelektrolytmembrane 7 gemäß FIG 2, die zusammen eine Brennstoff- zelle 10 ausbilden. Gleiche Bezugszeichen wie in den Figuren 1 bis 3 kennzeichnen gleiche Elemente. Es ist erkennbar, dass angrenzend an die Polymerelektrolytmemb- rane 7 einmal das Schichtsystem 1 einer ersten Bipolarplatte mit Trägerplatte 2a als Kathode und zum anderen die Beschichtung 8 einer zweiten Bipolarplatte mit weiterer Trägerplatte 2a´ als Anode angeordnet sind. Weiterhin sind die Gasdiffusionsschich- ten 6, 6´erkennbar. Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch das Schichtsystem 1 gemäß Figur 1. Es ist er- kennbar, dass eine Deckschicht 1a, eine Zwischenschicht 1b und eine Haftschicht 1c vorhanden sind. Die Haftschicht 1c befindet sich auf einer Seite B des Schichtsystems 1, welche der Trägerplatte 2a der Bipolarplatte 2 zugewandt angeordnet ist. Die Deck- schicht 1a befindet sich auf einer Seite A des Schichtsystems 1, die der Trägerplatte 2a einer Bipolarplatte 2 abgewandt angeordnet ist. Alternativ kann das Schichtsystem 1 auch mehrere Zwischenschichten 1b aufweisen.
Bezugszeichenliste 1 Schichtsystem
1a Deckschicht
1b Zwischenschicht(en)
1c Haftschicht
2, 2´ Bipolarplatte
2a, 2a´ metallisches Substrat; Trägerplatte
3a Einströmbereich
3b Auslassbereich
4, 4´ Öffnung
5 Gasverteilerstruktur
6, 6´ Gasdiffusionsschicht
7 Polymerelektrolytmembrane
8 Beschichtung
10 Brennstoffzelle
100 Brennstoffzellensystem
A Seite des Schichtsystems 1, der Trägerplatte 2a abgewandt B Seite des Schichtsystems 1, der Trägerplatte 2a zugewandt

Claims

Patentansprüche
1. Schichtsystem (1) zum Beschichten einer Bipolarplatte (2), umfassend zumindest eine Deckschicht (1a) aus Zinnoxid, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zinnoxid mindestens ein Metalloxid homogen gelöst ist aus der Gruppe umfassend Tantaloxid, Nioboxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, und dass eine elektrische Leitfähig- keit der Deckschicht (1a) größer oder gleich 102 S/cm beträgt.
2. Schichtsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (1a) mit Iridium und/oder Ruthenium dotiert ist.
3. Schichtsystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Iridium und/oder das Ruthenium in einer Konzentration im Bereich von 10 -4 at.-% bis 0,1 at.- % in der Deckschicht (1a) vorhanden ist.
4. Schichtsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, das zusätzlich zur Deckschicht (1a) weiterhin eine Haftschicht (1c) vorhan- den ist, wobei die Haftschicht (1c) eine Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 300 nm aufweist.
5. Schichtsystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (1c) enthaltend mindestens ein Element aus der Gruppe umfassend Titan, Tantal, Niob, Zirkonium, Hafnium, ausgebildet ist.
6. Schichtsystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwi- schen der Deckschicht (1a) und der Haftschicht (1c)
- mindestens eine Zwischenschicht (1b) aus einem Metallkarbid oder
- mindestens eine Zwischenschicht (1b) aus einem Metallnitrid oder
- mindestens eine Zwischenschicht (1b) aus einem Metallborid oder
- mindestens eine Zwischenschicht (1b) umfassend
mindestens ein Metallkarbid und mindestens ein Metallnitrid oder mindestens ein Metallkarbid und mindestens ein Metallborid oder
mindestens ein Metallnitrid und mindestens ein Metallborid oder
mindestens ein Metallkarbid und mindestens ein Metallnitrid und mindestens ein Metallborid oder
- eine Kombination aus zwei oder mehr solcher Zwischenschichten (1b) angeordnet ist.
7. Schichtsystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallkar- bid und/oder das Metallnitrid und/oder das Metallborid mindestens ein Metall aufweist aus der Gruppe umfassend Titan, Tantal, Niob, Zirkonium, Hafnium.
8. Schichtsystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Metall in einer Konzentration im Bereich von 30 bis 56 at.-% im Metallkarbid und/oder Metallnitrid und/oder Metallborid vorliegt.
9. Schichtsystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zwischenschicht (1b) Bor enthält.
10. Schichtsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (1a) mit Fluor dotiert ist.
11. Schichtsystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Deck- schicht (1a) weiterhin mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff dotiert ist.
12. Bipolarplatte (2, 2´) mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite, umfassend ein Substrat (2a, 2a´) sowie ein Schichtsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einem Aufbau der Bipolarplatte in der Reihenfolge:
Substrat, insbesondere metallisches Substrat (2a, 2a´),
Gasdiffusionsschicht (6, 6´),
optionale Haftschicht (1c),
optionale Zwischenschicht(en) (1b),
Deckschicht (1a).
13. Brennstoffzelle (10), insbesondere Sauerstoff-Wasserstoff-Brennstoffzelle, oder Elektrolyseur, umfassend mindestens eine Bipolarplatte (2, 2´) nach Anspruch 12.
14. Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 13, umfassend mindestens eine Polymerelekt- rolytmembrane (7).
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