EP3984088A1 - Schichtsystem zum beschichten einer bipolarplatte, sowie bipolarplatte und brennstoffzelle - Google Patents

Schichtsystem zum beschichten einer bipolarplatte, sowie bipolarplatte und brennstoffzelle

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EP3984088A1
EP3984088A1 EP20728665.9A EP20728665A EP3984088A1 EP 3984088 A1 EP3984088 A1 EP 3984088A1 EP 20728665 A EP20728665 A EP 20728665A EP 3984088 A1 EP3984088 A1 EP 3984088A1
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EP
European Patent Office
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layer
bipolar plate
layer system
electrode unit
fuel cell
Prior art date
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Pending
Application number
EP20728665.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jeevanthi VIVEKANANTHAN
Nazlim Bagcivan
Ricardo Henrique Brugnara
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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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 or electrode unit comprising a doped, diamond-like carbon layer.
  • the invention further relates to a bipolar plate with such a layer system and a fuel cell formed with at least one such bipolar plate.
  • the invention also relates to an electrode unit with such a layer system and a redox flow cell formed with at least one such electrode unit.
  • Bipolar plates and fuel cells are already known from DE 102 30 395 A1.
  • This bipolar plate has a metallic substrate which is provided with a doped diamond coating and / or a doped diamond-like carbon coating.
  • Metallic substrates are used for the formation of bipolar plates of fuel cells due to their good mechanical stability and high electrical and thermal conductivity. Under the aggressive operating conditions in a fuel cell, however, corrosion and dissolution of the metallic substrate often occur, so that coatings protecting against corrosion are applied in order to increase the long-term stability of the bipolar plates. In unfavorable operating conditions of the fuel cell, however, damage occurs again and again in the area of such coatings, so that the protection of the metallic substrate is lost at least locally and corrosion of the metallic substrate nevertheless sets in with a time delay.
  • a further object of the invention is to provide a layer system for a bipolar plate or electrode unit that is inexpensive to manufacture and that protects a metallic substrate from corrosion.
  • a further object of the invention is to provide a bipolar plate formed therewith and a fuel cell with such a bipolar plate and to provide an electrode unit and a redox flow cell formed with at least one such electrode unit. The object is achieved for the layer system for coating a bipolar plate or electrode unit in that it is designed to be comprehensive
  • the layer system is characterized by high long-term stability with high electrical conductivity and low costs.
  • the layer system ensures excellent corrosion protection for a metallic base material or a metallic substrate of a bipolar plate or electrode unit.
  • the top layer of doped, tetrahedral amorphous carbon ta-C has predominantly sp 3 -hybridized bonds.
  • a tetrahedral amorphous carbon ta-C is understood here if the sp 3 hybridization proportion in the top layer is more than 50%.
  • the at least one first layer of the layer system is preferably a metallic layer which is formed from at least one element from the group consisting of titanium, niobium, hafnium, zirconium, and tantalum.
  • the at least one first layer is formed from a titanium-niobium alloy.
  • the titanium-niobium alloy preferably has a niobium content in the range from 20 to 60 at .-%.
  • the at least one second layer of the layer system is preferably a metallic layer doped with at least one non-metal and formed from at least one element from the group titanium, niobium, hafnium, zirconium, tantalum, and the at least one non-metal being formed by at least one Element from the group comprising nitrogen, carbon, fluorine, boron, hydrogen, oxygen.
  • first layers and second layers can be arranged alternately on one another.
  • outer layers can be present, which can have the same or also different compositions.
  • a number n of first layers or second layers or cover layers can each be in the range from n> 2 to 100.
  • a cover layer made of ta-C: X is preferred, the dopant X being formed from hydrogen and / or oxygen and being present in an amount in the range from 0.1 to 10 at .-%.
  • a cover layer made of ta-C: X is particularly preferred, the dopant X being formed from tantalum or iridium or ruthenium and being present in an amount in the range from 0.1 to 20 at%.
  • the layer system comprising at least one metallic first layer and at least one metallic second layer and the at least one cover layer can be produced with a low electrical contact resistance of less than 30 m ⁇ * cm 2 , so that a high electrical conductivity results.
  • the at least one first layer, the at least one second layer and the at least one cover layer by means of physical gas phase separation are preferred. separation (PVD process, physical vapor deposition). In particular, deposition by means of arc evaporation and / or sputtering is preferred here. However, it is also possible to use other deposition processes, such as chemical vapor deposition (CVD process, Chemical Vapor Deposition) alone or in combination with a PVD process. The use of plasma-assisted CVD processes (PACVD) has also proven itself.
  • the at least one first layer and / or the at least one second layer preferably has a layer thickness in the range from 20 nm to 900 nm.
  • the at least one cover layer preferably has a layer thickness in the range from 5 nm to 4.5 ⁇ m. In this way, the material requirement for the layer system can be minimized and sufficient corrosion protection for a metallic substrate with good electrical properties at the same time can be achieved.
  • the object is achieved for the bipolar plate with an anode side and a cathode side by comprising a metallic substrate and a layer system according to the invention, with a structure of the bipolar plate in the order: metallic substrate,
  • At least one second layer optionally in an alternating arrangement of first layers and second layers,
  • the layer system can be located on the anode side and / or the cathode side of the bipolar plate.
  • first layers and several second layers these can either be sequential, i.e. first all first layers and then all second layers, or alternately, that is to say one or more first layers and one or more second layers alternately on top of one another.
  • a substrate made of stainless steel, preferably austenitic stainless steel, of titanium, a titanium alloy, aluminum, an aluminum alloy or a magnesium alloy is particularly preferred.
  • An optionally present gas diffusion layer is designed to be electrically conductive.
  • the object is also achieved for the fuel cell, in particular oxygen-hydrogen fuel cell, or the electrolyzer, in that this / this is designed to include at least one bipolar plate according to the invention.
  • the fuel cell preferably comprises at least one polymer electrolyte membrane.
  • the fuel cell can accordingly be a high or low temperature polymer electrolyte fuel cell.
  • At least one second layer optionally in an alternating arrangement of first layers and second layers,
  • a substrate made of stainless steel, preferably austenitic stainless steel, of titanium, a titanium alloy, aluminum, an aluminum alloy or a magnesium alloy is particularly preferred as the metallic substrate of the electrode unit.
  • the object is also for the redox flow cell, comprising at least one electrode unit according to the invention, a first reaction space and a second reaction space, each reaction space being in contact with one electrode unit and the reaction spaces being separated from one another by a polymer electrolyte membrane.
  • FIG. 1 a first layer system on a metallic substrate
  • FIG. 2 a second layer system on a metallic substrate
  • FIG. 3 a third layer system on a metallic substrate
  • FIG. 4 a fourth layer system on a metallic substrate
  • FIG. 5 a bipolar plate with a layer system
  • FIG. 6 shows a fuel cell or a fuel cell system
  • FIG. 7 shows an electrode unit with a layer system
  • FIG. 8 schematically a redox flow cell with an electrode unit.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an exemplary embodiment of a first layer system 1 according to the invention on a metallic substrate 5.
  • a first layer 2 made of a TiNb alloy.
  • a second layer 3 made of TiNbN or TiNbCN is located on the first layer 2.
  • FIG. 2 shows a sectional view of an exemplary embodiment of a second layer system 1 ' according to the invention on a metallic substrate 5.
  • a first layer 2a made of titanium and a further first layer 2b made of a TiFIf alloy.
  • a second layer 3 made of TiHfN or TiHfCN is located on the further first layer 2b.
  • FIG. 3 shows in a sectional view an exemplary embodiment of a third layer system 1 ′′ according to the invention on a metallic substrate 5.
  • a first layer 2 made of titanium is located on the substrate 5.
  • a second layer 3 made of TiBN is located on the first layer 2.
  • On the second layer 3 there is a first cover layer 4a made of ta-C: B (dopant X boron).
  • On the first cover layer 4a there is a second cover layer 4b made of ta-C: Ta (dopant X tantalum).
  • the first and the second cover layer 4a, 4b are applied alternately and each in a number n> 2.
  • FIG. 1 shows in a sectional view an exemplary embodiment of a third layer system 1 ′′ according to the invention on a metallic substrate 5.
  • a first layer 2 made of titanium is located on the substrate 5.
  • a second layer 3 made of TiBN is located on the first layer 2.
  • FIG. 4 shows a sectional view of an exemplary embodiment of a fourth layer system 1 according to the invention on a metallic substrate 5 which has a gas diffusion layer 6.
  • a first layer 2 made of a TiNb alloy is located on the gas diffusion layer 6.
  • a second layer 3 made of TiNbN or TiNbCN is located on the first layer 2.
  • Figure 5 shows a bipolar plate 10 with a layer system 1, which here has a metallic substrate 5 or a metallic carrier plate made of stainless steel.
  • the layer system 1 covers the bipolar plate 10 on both sides.
  • the layer system 1 has a total thickness in the range from 20 nm to 5 ⁇ m.
  • the bipolar plate 10 has an inflow area 11 with openings 8 and an outlet area 12 with further openings 8 ' , which are used to supply a fuel cell with process gases and to discharge reaction products from the fuel cell.
  • the bipolar plate 10 also has a gas distribution structure 9 on each side, which for
  • FIG. 6 schematically shows a fuel cell system 100 ′ comprising several
  • Fuel cells 100 Each fuel cell 100 comprises a polymer electrolyte membrane 7, which is adjacent on both sides of bipolar plates 10, 10 ' .
  • the same reference numerals as in FIG. 5 identify the same elements.
  • FIG. 7 shows an electrode unit 10a in a three-dimensional view comprising a metallic substrate 5 and a layer system 1a on the substrate 5.
  • a flow field 9a is embossed into the substrate 5, so that a three-dimensional structuring of the surface of the electrode unit 10a results.
  • FIG. 8 schematically shows a redox flow cell 110 or a redox flow battery with a redox flow cell 110.
  • the redox flow cell 110 comprises two electrode units 10a, 10b, a first reaction space 13a and a second reaction space 13b , each reaction space 13a, 13b in contact with one of the Electrode units 10a, 10b is.
  • the electrode units 10a, 10b each have a flow field 9a which is arranged facing the respective adjacent reaction space 13a, 13b.
  • the layer system 1a covers the surface in contact with the reaction space 13a, 13b with the flow field 9a of the substrate 5 of the respective electrode unit 10a, 10b.
  • the reaction spaces 13a, 13b are separated from one another by a polymer electrolyte membrane 7.
  • a liquid anolyte 14a is pumped from a tank 15a via a pump 16a into the first reaction space 13a and passed between the electrode unit 10a and the polymer electrolyte membrane 7.
  • a liquid catholyte 14b is pumped from a tank 15b via a pump 16b into the second reaction space 13b and passed between the electrode unit 10b and the polymer electrolyte membrane 7. It follows an ion exchange across the polymer electrolyte membrane 7, with electrical energy being released due to the redox reaction at the electrode units 10a, 10b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem (1, 1', 1", 1a) zum Beschichten einer Bipolarplatte (10) oder einer Elektrodeneinheit (10a, 10b) umfassend mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b), mindestens eine zweite Schicht (3) und mindestens eine, insbesondere auf der mindestens einen zweiten Schicht (3) angeordnete, Deckschicht (4, 4a, 4b) aus dotiertem, tetraedrischem amorphem Kohlenstoff ta-C:X, wobei als Dotierstoff X mindestens ein Element vorhanden ist aus der Gruppe umfassend Titan, Niob, Wolfram, Zirkon, Tantal, Hafnium, Molybdän, Kupfer, Silizium, Platin, Palladium, Ruthenium, Iridium, Silber, Bor, Stickstoff, Phosphor, Fluor, Wasserstoff, Sauerstoff, und wobei der Dotierstoff X in einer Konzentration von > 0 bis 20 at.-% in der Deckschicht (4, 4a, 4b) vorhanden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte (10) oder eine Elektrodeneinheit (10a, 10b) mit einem derartigen Schichtsystem (1, 1', 1", 1a) und eine Brennstoffzelle (100) sowie eine Redox-Flow-Zelle (110).

Description

Schichtsystem zum Beschichten einer Bipolarplatte.
sowie Bipolarplatte und Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem zum Beschichten einer Bipolarplatte oder Elektrodeneinheit umfassend eine dotierte, Diamant-ähnliche Kohlenstoffschicht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte mit einem derartigen Schichtsystem und eine mit mindestens einer solchen Bipolarplatte gebildete Brennstoffzelle. Die Erfin dung betrifft weiterhin eine Elektrodeneinheit mit einem derartigen Schichtsystem und eine mit mindestens einer solchen Elektrodeneinheit gebildete Redox-Flow-Zelle.
Bipolarplatten und Brennstoffzellen sind aus der DE 102 30 395 A1 bereits bekannt. Diese Bipolarplatte weist ein metallisches Substrat auf, das mit einer dotierten Dia mantbeschichtung und/oder einer dotierten Diamant-ähnlichen Kohlenstoffbeschich tung versehen ist.
Metallische Substrate werden für die Bildung von Bipolarplatten von Brennstoffzellen aufgrund ihrer guten mechanischen Stabilität sowie hohen elektrischen und thermi schen Leitfähigkeit eingesetzt. Unter den aggressiven Betriebsbedingungen in einer Brennstoffzelle kommt es aber häufig zu Korrosion und Auflösung des metallischen Substrats, so dass vor Korrosion schützende Beschichtungen aufgebracht werden, um die Langzeitstabilität der Bipolarplatten zu erhöhen. Bei ungünstigen Betriebsbe dingungen der Brennstoffzelle kommt es aber immer wieder zu Beschädigungen im Bereich solcher Beschichtungen, so dass der Schutz des metallischen Substrats zu mindest lokal verloren geht und eine Korrosion des metallischen Substrats dennoch mit Zeitverzug einsetzt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Schichtsystem für eine Bipolarplatte oder Elektrodeneinheit bereitzustellen, das kostengünstig herzustellen ist und ein metalli sches Substrat vor Korrosion schützt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine damit ausgebildete Bipolarplatte und eine Brennstoffzelle mit einer solchen Bipolar platte bereitzustellen sowie eine Elektrodeneinheit und eine mit mindestens einer sol chen Elektrodeneinheit gebildete Redox-Flow-Zelle bereitzustellen. Die Aufgabe wird für das Schichtsystem zum Beschichten einer Bipolarplatte oder Elektrodeneinheit gelöst, indem dieses ausgebildet ist umfassend
- mindestens eine erste Schicht,
- mindestens eine zweite Schicht und
- mindestens eine, insbesondere auf der mindestens einen zweiten Schicht angeord nete, Deckschicht aus dotiertem, tetraedrischem amorphem Kohlenstoff ta-C:X, wobei als Dotierstoff X mindestens ein Element vorhanden ist aus der Gruppe umfassend Ti tan, Niob, Wolfram, Zirkon, Tantal, Hafnium, Molybdän, Kupfer, Silizium, Platin, Palla dium, Ruthenium, Iridium, Silber, Bor, Stickstoff, Phosphor, Fluor, Wasserstoff, Sauer stoff, und wobei der Dotierstoff X in einer Konzentration von > 0 bis 20 at.-% in der Deckschicht vorhanden ist.
Das Schichtsystem zeichnet sich durch eine hohe Langzeitstabilität bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit und geringen Kosten aus. Zudem gewährleistet das Schichtsystem einen ausgezeichneten Korrosionsschutz für ein metallisches Grund material oder ein metallisches Substrat einer Bipolarplatte oder Elektrodeneinheit.
Die Deckschicht aus dotiertem, tetraedrischem amorphem Kohlenstoff ta-C:X weist dabei überwiegend sp3-hybridisierte Bindungen auf. Dabei wird hier unter einem tetraedrisch amorphen Kohlenstoff ta-C verstanden, wenn der sp3-Hybridisierungs- anteil in der Deckschicht bei über 50 % liegt.
Bevorzugt ist die mindestens eine erste Schicht des Schichtsystems eine metallische Schicht, die aus mindestens einem Element der Gruppe Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Tantal gebildet ist. Insbesondere ist die mindestens eine erste Schicht aus einer Titan- Niob-Legierung gebildet. Die Titan-Niob-Legierung weist dabei bevorzugt einen Niob anteil im Bereich von 20 bis 60 at.-% auf.
Es können mehrere solche erste Schichten vorhanden sein, die die gleiche oder auch voneinander abweichende Zusammensetzungen aufweisen können. Die mindestens eine zweite Schicht des Schichtsystems ist bevorzugt eine mit min destens einem Nichtmetall dotierte metallische Schicht, die gebildet ist aus mindes tens einem Element der Gruppe Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Tantal, und wobei das mindestens eine Nichtmetall gebildet ist durch mindestens ein Element aus der Grup pe umfassend Stickstoff, Kohlenstoff, Fluor, Bor, Wasserstoff, Sauerstoff.
Es können mehrere solche zweite Schichten vorhanden sein, die die gleiche oder auch voneinander abweichende Zusammensetzungen aufweisen können.
Zudem können erste Schichten und zweite Schichten abwechselnd aufeinander an geordnet sein.
Es können weiterhin mehrere solche Deckschichten vorhanden sein, die die gleiche oder auch voneinander abweichende Zusammensetzungen aufweisen können.
Eine Anzahl n an ersten Schichten oder zweiten Schichten oder Deckschichten kann hierbei jeweils im Bereich von n > 2 bis 100 liegen.
Bevorzugt ist eine Deckschicht aus ta-C:X, wobei der Dotierstoff X aus Wasserstoff und/oder Sauerstoff gebildet ist und in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 10 at.-% vorhanden ist.
Besonders bevorzugt ist eine Deckschicht aus ta-C:X, wobei der Dotierstoff X aus Tantal oder Iridium oder Ruthenium gebildet ist und in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 20 at.-% vorhanden ist.
Das Schichtsystem umfassend mindestens eine metallische erste Schicht und min destens eine metallische zweite Schicht sowie die mindestens eine Deckschicht ist mit einem geringen elektrischen Kontaktwiderstand von weniger als 30 mQ*cm2 herstell bar, so dass eine hohe elektrische Leitfähigkeit resultiert.
Bevorzugt werden die mindestens eine erste Schicht, die mindestens eine zweite Schicht und die mindestens eine Deckschicht mittels physikalischer Gasphasenab- scheidung (PVD-Verfahren, Physical Vapour Deposition) ausgebildet. Insbesondere ist hierbei eine Abscheidung mittels Lichtbogenverdampfens und/oder Sputterns be vorzugt. Aber auch eine Verwendung anderer Abscheideverfahren, wie eine chemi sche Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren, Chemical Vapour Deposition), ist al lein oder auch in Kombination mit einem PVD-Verfahren möglich. Auch der Einsatz von plasmaunterstützten CVD-Verfahren (PACVD) hat sich bewährt.
Die mindestens eine erste Schicht und/oder die mindestens eine zweite Schicht weist/weisen bevorzugt eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 900 nm auf.
Die mindestens eine Deckschicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 4,5 pm auf. So lässt sich der Materialbedarf für das Schichtsystem mini mieren und dennoch ein ausreichender Korrosionsschutz für ein metallisches Substrat bei gleichzeitig guten elektrischen Eigenschaften erzielen.
Die Aufgabe wird für die Bipolarplatte mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite gelöst, indem diese umfassend ein metallisches Substrat sowie ein erfindungsgemä ßes Schichtsystem aufweist, mit einem Aufbau der Bipolarplatte in der Reihenfolge: metallisches Substrat,
optional eine Gasdiffusionsschicht,
mindestens eine erste Schicht,
mindestens eine zweite Schicht, optional in abwechselnder Anordnung von ersten Schichten und zweiten Schichten,
mindestens eine Deckschicht.
Das Schichtsystem kann sich dabei auf der Anodenseite und/oder der Kathodenseite der Bipolarplatte befinden. Bei mehreren ersten Schichten und mehreren zweiten Schichten können diese entweder nacheinander, d.h. zuerst alle ersten Schichten und dann alle zweiten Schichten, oder aber abwechselnd, das heißt eine oder mehrere erste Schichten und eine oder mehrere zweite Schichten abwechselnd aufeinander, angeordnet sein.
Als metallisches Substrat einer Bipolarplatte ist insbesondere ein Substrat aus Edel stahl, vorzugsweise austenitischem Edelstahl, aus Titan, einer Titanlegierung, Alumi nium, einer Aluminium-Legierung oder einer Magnesium-Legierung bevorzugt. Dabei ist eine optional vorhandene Gasdiffusionsschicht elektrisch leitfähig ausgebil det.
Die Aufgabe wird weiterhin für die Brennstoffzelle, insbesondere Sauerstoff- Wasserstoff-Brennstoffzelle, oder den Elektrolyseur, dadurch gelöst, dass diese/dieser umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte ausgebildet ist.
Bevorzugt umfasst die Brennstoffzelle mindestens eine Polymerelektrolytmembrane. Bei der Brennstoffzelle kann es sich demnach um eine Hoch- oder Niedertemperatur- Polymerelektrolytbrennstoffzelle handeln.
Die Aufgabe wird weiterhin für die Elektrodeneinheit gelöst, umfassend in der Reihen folge
ein metallisches Substrat,
mindestens eine erste Schicht,
mindestens eine zweite Schicht, optional in abwechselnder Anordnung von ersten Schichten und zweiten Schichten,
mindestens eine Deckschicht.
Als metallisches Substrat der Elektrodeneinheit ist insbesondere ein Substrat aus Edelstahl, vorzugsweise austenitischem Edelstahl, aus Titan, einer Titanlegierung, Aluminium, einer Aluminium-Legierung oder einer Magnesium-Legierung bevorzugt.
Die Aufgabe wird weiterhin für die Redox-Flow-Zelle, umfassend mindestens eine er findungsgemäße Elektrodeneinheit, einen ersten Reaktionsraum und einen zweiten Reaktionsraum, wobei jeder Reaktionsraum in Kontakt mit jeweils einer Elektroden einheit steht und wobei die Reaktionsräume durch eine Polymerelektrolytmembran voneinander getrennt sind.
Die Figuren 1 bis 8 sollen erfindungsgemäße Schichtsysteme und eine damit gebilde te Bipolarplatte sowie Brennstoffzelle und Elektrodeneinheit sowie eine Redox-Flow- Zelle beispielhaft erläutern. So zeigt: Figur 1 ein erstes Schichtsystem auf einem metallischen Substrat, Figur 2 ein zweites Schichtsystem auf einem metallischen Substrat,
Figur 3 ein drittes Schichtsystem auf einem metallischen Substrat,
Figur 4 ein viertes Schichtsystem auf einem metallischen Substrat mit
Gasdiffusionsschicht,
Figur 5 eine Bipolarplatte mit einem Schichtsystem,
Figur 6 eine Brennstoffzelle beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem, Figur 7 eine Elektrodeneinheit mit einem Schichtsystem, und
Figur 8 schematisch eine Redox-Flow-Zelle mit einer Elektrodeneinheit.
Figur 1 zeigt im Schnittbild ein Ausführungsbeispiel eines ersten erfindungsgemäßen Schichtsystems 1 auf einem metallischen Substrat 5. Auf dem Substrat 5 befindet sich eine erste Schicht 2 aus einer TiNb-Legierung. Auf der ersten Schicht 2 befindet sich eine zweite Schicht 3 aus TiNbN oder TiNbCN. Auf der zweiten Schicht 3 befindet sich mindestens eine Deckschicht 4 aus ta-C: H (Dotierstoff X = Wasserstoff) und/oder ta-C: H: 0 (Dotierstoffe X = Wasserstoff und Sauerstoff) oder ta-C:H:0:Si (Dotierstoffe X = Wasserstoff und Sauerstoff und Silizium).
Figur 2 zeigt im Schnittbild ein Ausführungsbeispiel eines zweiten erfindungsgemäßen Schichtsystems 1 ' auf einem metallischen Substrat 5. Auf dem Substrat 5 befindet sich eine erste Schicht 2a aus Titan und eine weitere erste Schicht 2b aus einer TiFIf-Legierung. Auf der weiteren ersten Schicht 2b befindet sich eine zweite Schicht 3 aus TiHfN oder TiHfCN. Auf der zweiten Schicht 3 befindet sich eine Deckschicht 4 aus ta-C: Ir (Dotierstoff X = Iridium) oder ta-C:Ru (Dotierstoff X = Ruthenium).
Figur 3 zeigt im Schnittbild ein Ausführungsbeispiel eines dritten erfindungsgemäßen Schichtsystems 1 " auf einem metallischen Substrat 5. Auf dem Substrat 5 befindet sich eine erste Schicht 2 aus Titan. Auf der ersten Schicht 2 befindet sich eine zweite Schicht 3 aus TiBN. Auf der zweiten Schicht 3 befindet sich eine erste Deckschicht 4a aus ta-C:B (Dotierstoff X = Bor). Auf der ersten Deckschicht 4a befindet sich eine zweite Deckschicht 4b aus ta-C:Ta (Dotierstoff X = Tantal). Alternativ können die erste und die zweite Deckschicht 4a, 4b abwechselnd und jeweils in einer Anzahl n > 2 auf gebracht werden. Figur 4 zeigt zeigt im Schnittbild ein Ausführungsbeispiel eines vierten erfindungsge mäßen Schichtsystems 1 auf einem metallischen Substrat 5, das eine Gasdiffusions schicht 6 aufweist. Auf der Gasdiffusionsschicht 6 befindet sich eine erste Schicht 2 aus einer TiNb-Legierung. Auf der ersten Schicht 2 befindet sich eine zweite Schicht 3 aus TiNbN oder TiNbCN. Auf der zweiten Schicht 3 befindet sich mindestens eine Deckschicht 4 aus ta-C: H (Dotierstoff X = Wasserstoff) und/oder ta-C: H: O (Dotierstof fe X = Wasserstoff und Sauerstoff) oder ta-C:H:0:Si (Dotierstoffe X = Wasserstoff und Sauerstoff und Silizium).
Figur 5 zeigt eine Bipolarplatte 10 mit einem Schichtsystem 1 , die hier ein metalli sches Substrat 5 beziehungsweise eine metallische Trägerplatte aus Edelstahl auf weist. Das Schichtsystem 1 bedeckt die Bipolarplatte 10 beidseitig. Das Schichtsys tem 1 weist insgesamt eine Dicke im Bereich von 20 nm bis 5 pm auf. Die Bipolarplat te 10 weist einen Einströmbereich 11 mit Öffnungen 8 sowie einen Auslassbereich 12 mit weiteren Öffnungen 8' auf, die zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Prozess gasen und Abführung von Reaktionsprodukten aus der Brennstoffzelle dienen. Die Bi polarplatte 10 weist weiterhin auf jeder Seite eine Gasverteilerstruktur 9 auf, die zur
Figur 6 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100' umfassend mehrere
Brennstoffzellen 100. Jede Brennstoffzelle 100 umfasst eine Polymerelektrolytmemb rane 7, die zu beiden Seiten von Bipolarplatten 10, 10' benachbart ist. Gleiche Be zugszeichen wie in Figur 5 kennzeichnen gleiche Elemente.
Figur 7 zeigt eine Elektrodeneinheit 10a in dreidimensionaler Ansicht umfassend ein metallisches Substrat 5 und ein Schichtsystem 1 a auf dem Substrat 5. In das Substrat 5 ist ein Flussfeld 9a eingeprägt, so dass eine dreidimensionale Strukturierung der Oberfläche der Elektrodeneinheit 10a resultiert.
Figur 8 zeigt schematisch eine Redox-Flow-Zelle 110 beziehungsweise eine Redox- Flow-Batterie mit einer Redox-Flow-Zelle 110. Die Redox-Flow-Zelle 110 umfasst zwei Elektrodeneinheiten 10a, 10b, einen ersten Reaktionsraum 13a und einen zweiten Reaktionsraum 13b, wobei jeder Reaktionsraum 13a, 13b in Kontakt mit einer der Elektrodeneinheiten 10a, 10b steht. Die Elektrodeneinheiten 10a, 10b weisen jeweils ein Flussfeld 9a auf, das dem jeweils benachbarten Reaktionsraum 13a, 13b zuge wandt angeordnet ist. Das Schichtsystem 1 a (vergleiche Figur 7) bedeckt dabei die jeweils mit dem Reaktionsraum 13a, 13b in Kontakt stehende Oberfläche mit Flussfeld 9a des Substrats 5 der jeweiligen Elektrodeneinheit 10a, 10b. Die Reaktionsräume 13a, 13b sind durch eine Polymerelektrolytmembran 7 voneinander getrennt. Ein flüs siger Anolyt 14a wird aus einem Tank 15a über eine Pumpe 16a in den ersten Reakti onsraum 13a gepumpt und zwischen der Elektrodeneinheit 10a und der Polymerelekt rolytmembran 7 hindurchgeführt. Ein flüssiger Katholyt 14b wird aus einem Tank 15b über eine Pumpe 16b in den zweiten Reaktionsraum 13b gepumpt und zwischen der Elektrodeneinheit 10b und der Polymerelektrolytmembran 7 hindurchgeführt. Es er folgt ein lonentausch über die Polymerelektrolytmembran 7 hinweg, wobei aufgrund der Redox-Reaktion and den Elektrodeneinheiten 10a, 10b elektrische Energie frei wird.
Bezuqszeichenliste
, 1 ', 1 ",1a Schichtsystem
, 2a, 2b erste Schicht
zweite Schicht
, 4a, 4b Deckschicht
metallisches Substrat
Gasdiffusionsschicht
Polymerelektrolytmembrane
, 8' Öffnung
Gasverteilerstruktur
a Flussfeld
0, 10' Bipolarplatte
0a, 10b Elektrodeneinheit
1 Einström bereich
2 Auslassbereich
3a, 13b Reaktionsraum
4a Anolyt
4b Katholyt
5a, 15b Tank
6a, 16b Pumpe
00 Brennstoffzelle
00 Brennstoffzellensystem
10 Redox-Flow-Zelle

Claims

Patentansprüche
1 . Schichtsystem (1 , 1 1 ", 1 a) zum Beschichten einer Bipolarplatte (10) oder einer Elektrodeneinheit (10a, 10b) umfassend
- mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b),
- mindestens eine zweite Schicht (3) und
- mindestens eine, insbesondere auf der mindestens einen zweiten Schicht (3) ange ordnete, Deckschicht (4, 4a, 4b) aus dotiertem, tetraedrischem amorphem Kohlenstoff ta-C:X, wobei als Dotierstoff X mindestens ein Element vorhanden ist aus der Gruppe umfassend Titan, Niob, Wolfram, Zirkon, Tantal, Hafnium, Molybdän, Kupfer, Silizium, Platin, Palladium, Ruthenium, Iridium, Silber, Bor, Stickstoff, Phosphor, Fluor, Was serstoff, Sauerstoff, und wobei der Dotierstoff X in einer Konzentration von > 0 bis 20 at.-% in der Deckschicht (4, 4a, 4b) vorhanden ist.
2. Schichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 a) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b) eine metallische Schicht ist, die aus mindes tens einem Element der Gruppe Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Tantal gebildet ist.
3. Schichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 a) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b) aus einer Titan-Niob-Legierung gebildet ist.
4. Schichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 a) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Titan-Niob-Legierung einen Niobanteil im Bereich von 20 bis 60 at.-% aufweist.
5. Schichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 a) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die mindestens eine zweite Schicht (3) eine mit mindestens einem Nichtmetall dotierte metallische Schicht ist, die gebildet ist aus mindestens einem Element der Gruppe Titan, Niob, Hafnium, Zirkon, Tantal, und wobei das mindestens eine Nichtmetall gebildet ist durch mindestens ein Element aus der Gruppe umfas send Stickstoff, Kohlenstoff, Fluor, Bor, Wasserstoff, Sauerstoff.
6. Schichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b) und/oder die min destens eine zweite Schicht (3) eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 900 nm aufweist.
7. Schichtsystem (1 , 1 ', 1 ", 1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Deckschicht (4, 4a, 4b) eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 4,5 pm aufweist.
8. Bipolarplatte (10) mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite, umfassend ein Substrat (5) sowie ein Schichtsystem (1 , 1 ', 1 ") nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Aufbau der Bipolarplatte (10) in der Reihenfolge:
metallisches Substrat (5),
optional eine Gasdiffusionsschicht (6),
mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b),
mindestens eine zweite Schicht (3), optional in abwechselnder Anordnung von ersten Schichten (2, 2a, 2b) und zweiten Schichten (3),
mindestens eine Deckschicht (4, 4a, 4b).
9. Brennstoffzelle (100), insbesondere Sauerstoff-Wasserstoff-Brennstoffzelle, oder Elektrolyseur, umfassend mindestens eine Bipolarplatte (10) nach Anspruch 8.
10. Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 9, umfassend mindestens eine Polymerelekt rolytmembrane (7).
1 1 . Elektrodeneinheit (10a, 10b) umfassend ein Substrat (5) sowie ein Schichtsystem (1 a) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Aufbau der Elektrodeneinheit (10a, 1 b) in der Reihenfolge:
metallisches Substrat (5),
mindestens eine erste Schicht (2, 2a, 2b),
mindestens eine zweite Schicht (3), optional in abwechselnder Anordnung von ersten Schichten (2, 2a, 2b) und zweiten Schichten (3),
mindestens eine Deckschicht (4, 4a, 4b).
12. Redox-Flow-Zelle (110) umfassend mindestens eine Elektrodeneinheit (10a, 10b) nach Anspruch 11 , einen ersten Reaktionsraum (13a) und einen zweiten Reaktions raum (13b), wobei jeder Reaktionsraum (13a, 13b) in Kontakt mit jeweils einer Elekt- rodeneinheit (10a, 10b) im Bereich des Schichtsystems (1 a) steht und wobei die Re aktionsräume (13a, 13b) durch eine Polymerelektrolytmembran (7) voneinander ge trennt sind.
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