EP4248507A1 - Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur - Google Patents

Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur

Info

Publication number
EP4248507A1
EP4248507A1 EP21811249.8A EP21811249A EP4248507A1 EP 4248507 A1 EP4248507 A1 EP 4248507A1 EP 21811249 A EP21811249 A EP 21811249A EP 4248507 A1 EP4248507 A1 EP 4248507A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tin
alloy
component
redox flow
cell
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.)
Withdrawn
Application number
EP21811249.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ladislaus Dobrenizki
Mehmet OETE
Bertram Haag
Jan-Peter Viktor SCHINZEL
Jeevanthi VIVEKANANTHAN
Jan Martin STUMPF
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
Publication of EP4248507A1 publication Critical patent/EP4248507A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
    • B32B15/018—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of a noble metal or a noble metal alloy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C13/00—Alloys based on tin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C28/00—Alloys based on a metal not provided for in groups C22C5/00 - C22C27/00
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C22C30/02—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C22C30/04—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing tin or lead
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C5/00—Alloys based on noble metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C5/00—Alloys based on noble metals
    • C22C5/04—Alloys based on a platinum group metal
    • 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
    • C25B11/036—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
    • 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
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/387—Tin or alloys based on tin
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/8621—Porous electrodes containing only metallic or ceramic material, e.g. made by sintering or sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/8626—Porous electrodes characterised by the form
    • H01M4/8631—Bipolar electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
    • 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
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H01M8/0208—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
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—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
    • 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
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8694—Bipolar electrodes
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Component for an electrochemical cell as well as a redox flow cell, fuel cell and electrolyser
  • the invention relates to a component for an electrochemical cell, the component being in the form of an electrode for a redox flow cell or in the form of a bipolar plate for a fuel cell or an electrolyzer or in the form of a fluid diffusion layer for an electrolyzer.
  • the component comprises a substrate formed from a material in the form of a metal sheet and/or an expanded metal mesh.
  • the invention further relates to a redox flow cell, a fuel cell and an electrolyzer.
  • the redox flow battery is a storage device for electrical energy, with the electrical energy being stored in liquid chemical compounds or electrolytes, a so-called anolyte and a so-called catholyte.
  • the electrolytes are located in two reaction chambers that are separated from each other by an ion exchange membrane. An exchange of ions between anolyte and catholyte takes place via this membrane, whereby electrical energy is released. The electrical energy that is released is tapped off via an electrode that is in contact with the anolyte and the catholyte.
  • the electrolytes are each circulated in the reaction chambers by means of pumps and flow along the respective facing surface of the membrane. Since the electrolytes can be stored in tanks of any size, the amount of energy stored in the redox flow battery only depends on the size of the tanks used.
  • WO 2018/145720 A1 describes an electrode unit and a redox flow battery in which this electrode unit is used. Among other things, it is described that the substrate of the electrode unit is made of a composite material.
  • WO 2018/146342 A1 discloses various lignin-based electrolyte compositions for use in redox flow batteries.
  • plate-shaped composites made of plastic and graphite are often used as corrosion-resistant substrates for electrodes of redox flow batteries due to the use of strongly basic or acidic electrolytes. These substrates usually have a carbon coating applied to both sides, or there is a carbon felt between the membrane and the electrode that can be flowed through. A total plate thickness of the electrode in the range of about 0.7-1.2 mm is usual.
  • Such electrodes are often held in an electrically insulating plastic frame, which entails additional expense for the frame and the assembly process. The size and the production requirements of such electrodes currently stand in the way of a space-saving and, in particular, compact geometry of redox flow cells and their rational industrial production.
  • the object of the invention is to provide a component in the form of an electrode for a redox flow cell or in the form of a bipolar plate for a fuel cell or an electrolyser or in the form of a fluid diffusion layer for an electrolyser that can be produced inexpensively. Furthermore, it is the object of the invention to provide a redox flow cell, a fuel cell and an electrolyzer with at least one such component.
  • the component comprising a substrate, which is formed from a material in the form of a metal sheet and/or an expanded metal grid, in that the material consists of a tin-nickel alloy or a tin-silver alloy or a tin Zinc alloy or a tin-bismuth alloy or a tin-antimony alloy is formed.
  • ppm-level impurities in the tin-nickel alloy, or the tin-silver alloy, or the tin-zinc alloy, or the tin-bismuth alloy, or the tin-antimony alloy may be unavoidable ppm-level impurities in the tin-nickel alloy, or the tin-silver alloy, or the tin-zinc alloy, or the tin-bismuth alloy, or the tin-antimony alloy. It is possible to add at least one other metal with a total content of all other metals of no more than 1% by weight.
  • a component according to the invention in the form of the electrode is electrochemically stable with its active material, in particular in neutral and strongly alkaline conditions, compared to an electrolyte of a redox flow cell. It shows low overvoltages compared to the required reactions in the electrolyte (so-called catalytic activity) and lowest interfacial resistances comparable to those of gold coatings.
  • the component in the form of the electrode can also be produced inexpensively with just a few production steps.
  • a bipolar plate or a fluid diffusion layer it is advantageous to increase the thickness as the surface area increases in order to ensure mechanical stability.
  • sheet metal and expanded metal grids from a thickness of 0.1 mm can be used for such components. However, it has proven useful if the sheet metal and the expanded metal grid are each designed with a maximum thickness of 5 mm.
  • the sheet metal and/or the expanded metal grid has a three-dimensional profile at least in regions. This increases the later available contact surface of the metal sheet or expanded metal grid to a fluid flowing past.
  • the substrate may comprise just metal sheet, just expanded metal mesh (optionally in combination with an electrically conductive non-fluid penetrable backing plate, e.g. of nickel or graphite composite), or a combination of metal sheet and expanded metal mesh.
  • the expanded metal grid is arranged facing the fluid, wherein there is preferably only clamping between the metal sheet and the expanded metal grid.
  • the expanded metal grid can also be attached to the metal sheet via individual spot welds or glued or soldered to the metal sheet in places.
  • the substrate preferably has a three-dimensional profile on one side or preferably on both sides, at least in regions, with the formation of a flow field.
  • a flow field can be introduced into a substrate in a cost-effective manner by embossing or the like.
  • Such a flow field directs the flow of a fluid in defined paths and is equivalent to a three-dimensional structure in the area of the surface of the substrate. It ensures a homogeneous distribution and flow of the fluid on and along a membrane.
  • the component preferably further comprises a coating which is applied to the substrate, the coating being either a) made of carbon or a noble metal or a noble metal alloy or a metal nitride or at least one material from the group consisting of hafnium, niobium, tantalum, bismuth, nickel , tin, tin-nickel alloy, or b) is formed from a homogeneous or heterogeneous solid solution or compound from at least one of the material combinations from the group comprising: Ir-C, Ir-Ru-C, Ru-C, Ag -C, WC, Cu-C, Mo-C, Cr-C, Mg-C, Pt-C, Ta-C, Nb-C, with a proportion of carbon in the coating ranging from 35 to 99.99 at %, or c) a coating of a copper-tin alloy or a tin-nickel alloy or a tin-silver alloy or a tin-zinc alloy or a tin
  • a coating according to c) differs from the material of the substrate with regard to the chemical composition, ie it can contain the same metals but in a different concentration, or it can contain other metals.
  • the application of a coating further improves the chemical stability of the component and significantly extends its service life.
  • the coating has a thickness in the range from 2 to 500 nm.
  • the coating covers the substrate at least on one side, preferably on both sides or on all sides. In particular in the area of the edges of a metal sheet, uncoated areas or areas with a very small layer thickness can be present.
  • the coating should cover the substrate in a contact area with an electrolyte of a redox flow cell, ie in an area that is used in direct contact with an anolyte or catholyte.
  • the coating is preferably formed on the substrate by means of a PVD process or a combined PVD/PACVD process.
  • the coating is deposited with as few pores as possible, or at least only has pores with a diameter of less than 0.1 mm, in order to further reduce corrosive attack by the fluid on the substrate.
  • the coating can also be applied by an alternative coating method, for example galvanically or by thermal spraying.
  • the coating can also be in the form of a plating if it is made of metal.
  • plating is the one- or two-sided application of one or more metal layers to a different base metal.
  • An inseparable connection is achieved through pressure and/or temperature or subsequent heat treatment (e.g. diffusion annealing).
  • the plating can be done in particular by rolling on thin metal foil.
  • the electrode is made of a metal sheet which is provided with a coating on one or both sides, which is formed by plating with one of the metallic materials for the coating mentioned in group a) above, in particular tin.
  • redox flow cell in particular redox flow battery, comprising at least one component according to the invention in the form of an electrode and at least one electrolyte.
  • an electrolyte with a pH in the range from 7 to 14 is selected.
  • the redox flow cell comprises at least two electrodes, a first reaction space and a second reaction space, each reaction space being in contact with one of the electrodes and the reaction spaces being separated from one another by an ion exchange membrane.
  • the use of the electrode according to the invention allows small distances to the membrane and thus a space-saving construction of a redox flow cell.
  • the electrode is impermeable to the electrolytes, so that a perfect separation of the reaction spaces within a redox flow cell is guaranteed.
  • such electrodes have surfaces which, in addition to the high demands made of electrochemical stability, also meet the demands for low interfacial resistance and high catalytic activity.
  • flow batteries with aqueous electrolytes comprising a redox-active species on the anolyte side are preferred applications for the electrode according to the invention.
  • redox flow batteries Due to the small possible thicknesses of the electrodes, small redox flow batteries can be produced which also have a low production price.
  • redox flow battery preferably more than 10, in particular more than 50, redox flow cells are used that are electrically connected to one another.
  • An example of an anolyte suitable for a redox flow cell or a redox flow battery is:
  • Electrolyte combinations with aqueous electrolytes with a redox-active organic species on the anolyte side are preferably used to form a redox flow cell or a redox flow battery.
  • a fuel cell comprising at least one component according to the invention in the form of a bipolar plate and at least one polymer electrolyte membrane has proven to be stable over the long term.
  • an electrolyzer comprising at least one component according to the invention in the form of a bipolar plate or a fluid diffusion layer and comprising at least one polymer electrolyte membrane has proven to be stable over the long term.
  • FIGS. 1 to 6 show examples of components according to the invention in the form of electrodes and a redox flow cell or a redox flow battery.
  • Figures 7 and 8 show an example of a fuel cell and an electrolytic cell of an electrolyzer. So shows
  • FIG. 1 shows an electrode comprising a substrate in a plan view of the substrate plane
  • FIG. 2 shows a cross section through an electrode comprising a coating
  • FIG. 3 shows a cross section through an electrode with a profile
  • FIG. 4 shows a cross section through an electrode comprising a substrate made of a metal sheet and an expanded metal grid
  • FIG. 5 an electrode with a flux field
  • FIG. 6 a redox flow cell or a redox flow battery with a redox flow cell
  • Figure 7 shows an electrolyzer in section
  • FIG. 8 shows a fuel cell stack in a three-dimensional view.
  • FIG. 1 shows a component 1 in the form of an electrode comprising a substrate 2 in a plan view of the substrate plane.
  • the substrate 2 is formed here from a metal sheet 2a with a thickness of less than 0.5 mm.
  • the metal sheet 2a is made of a tin-silver alloy.
  • FIG. 2 shows a cross section through a component 1 in the form of an electrode, comprising a substrate 2 in the form of a metal sheet 2a made of a tin-antimony alloy, which has a coating 3 on both sides.
  • the coating 3 can also only be applied to one side of the metal sheet 2a, the coating 3 being intended to cover the substrate 2 at least in a contact area with an electrolyte of a redox flow cell 8 (cf. FIG. 6).
  • FIG. 3 shows a cross section through a component 1 in the form of an electrode comprising a substrate 2 in the form of a metal sheet 2a made of tin-bismuth alloy.
  • the metal sheet 2a has a three-dimensional profile 4, which increases the later contact surface of the metal sheet 2a to an electrolyte of a redox flow cell 8.
  • FIG. 4 shows a cross section through a component 1′ in the form of an electrode comprising a substrate 2 which comprises a metal sheet 2a and an expanded metal grid 2b.
  • the metal sheet 2a and the expanded metal mesh 2b are formed from a tin-silver alloy.
  • FIG. 5 shows a three-dimensional view of a component 1 in the form of an electrode, comprising a substrate 2 in the form of a metal sheet 2a made of tin-silver alloy with a profile 4 that forms a flux field 7 .
  • a profiling 4 on both sides for forming a flow field 7 in each case, resulting in a three-dimensional structuring of the surface of the electrode onto which an electrolyte is to flow in a redox flow cell 8 .
  • FIG. 6 shows a redox flow cell 8 or a redox flow battery with a redox flow cell 8.
  • the redox flow cell 8 comprises two components 1a, 1b in the form of electrodes, a first reaction chamber 10a and a second reaction space 10b, each reaction space 10a, 10b being in contact with one of the electrodes.
  • the reaction spaces 10a, 10b are separated by an ion exchange membrane 9a separated from each other.
  • a liquid anolyte 11a is pumped from a tank 13a via a pump 12a into the first reaction chamber 10a and passed between the component 1a and the ion exchange membrane 9a.
  • a liquid catholyte 11b is pumped from a tank 13b via a pump 12b into the second reaction chamber 10b and passed between the component 1b and the ion exchange membrane 9a. Ion exchange takes place across the ion exchange membrane 9a, electrical energy being released at the electrodes due to the redox reaction.
  • FIG. 7 shows an electrolysis cell 20 of an electrolyzer comprising a polymer electrolyte membrane 9 which separates an anode side A and a cathode side K from one another.
  • a catalyst layer 21a, 21b each comprising a catalyst material and a fluid diffusion layer 22a, 22b, is arranged adjacent to the catalyst layer 21a, 21b on both sides of the polymer electrolyte membranes 9.
  • the fluid diffusion layers 22a, 22b are each disposed adjacent an electrically conductive plate 24a, 24b, the fluid diffusion layers 22a and 22b being formed of expanded metal 2b, 2b' of a tin-silver alloy.
  • the plates 24a, 24b each have flow channels 23a, 23b on their sides facing the fluid diffusion layers 22a, 22b in order to improve the supply of reaction medium (water) and the removal of reaction products (water, hydrogen, oxygen).
  • FIG. 8 schematically shows a fuel cell stack 100 comprising a plurality of fuel cells 90.
  • Each fuel cell 90 comprises a polymer electrolyte membrane 9 which is adjacent to components 1c, 1d in the form of bipolar plates on both sides.
  • Each bipolar plate has a tin-silver alloy substrate.
  • the bipolar plate has an inflow area with openings 80a and an outlet area with further openings 80b, which are used to supply a fuel cell (90) with process gases and coolant and to remove reaction products from the fuel cell (90) and coolant.
  • the bipolar plate also has a gas distributor structure 7 ′ on each side, which is intended to rest against the polymer electrolyte membrane 9 .

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (1, 1', 1a, 1b, 1c, 1d) für eine elektrochemische Zelle, wobei das Bauteil (1, 1', 1a, 1b, 1c, 1d) in Form einer Elektrode für eine Redox-Flow-Zelle (8) oder in Form einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle (90) oder einen Elektrolyseur oder in Form einer Fluiddiffusionslage (22a, 22b) für einen Elektrolyseur vorliegt, umfassend ein Substrat (2), das aus einem Material in Form eines Metallblechs (2a) und/oder eines Streckmetallgitters (2b, 2b') gebildet ist, wobei das Material aus einer Zinn-Nickel-Legierung oder einer Zinn-Silber-Legierung oder einer Zinn-Zink-Legierung oder einer Zinn-Bismut-Legierung oder einer Zinn-Antimon-Legierung gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Redox-Flow-Zelle (8), eine Brennstoffzelle (90) und einen Elektrolyseur.

Description

Bauteil für eine elektrochemische Zelle, sowie Redox-Flow-Zelle, Brennstoffzelle und Elektrolyseur
Die Erfindung betrifft ein Bauteil für eine elektrochemische Zelle, wobei das Bauteil in Form einer Elektrode für eine Redox-Flow-Zelle oder in Form einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur oder in Form einer Fluiddiffusionslage für einen Elektrolyseur vorliegt. Das Bauteil umfasst ein Substrat, das aus einem Material in Form eines Metallblechs und/oder eines Streckmetallgitters gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Redox-Flow-Zelle, eine Brennstoffzelle und einen Elektrolyseur.
Bauteile in Form von Elektroden sowie damit ausgestattete Redox-Flow-Zellen, insbesondere Redox-Flow-Batterien oder Flussbatterien, sind hinreichend bekannt. Die Re- dox-Flow-Batterie ist ein Speicher für elektrische Energie, wobei die elektrische Energie in flüssigen chemischen Verbindungen beziehungsweise Elektrolyten, einem sogenannten Anolyt und einem sogenannten Katholyt, gespeichert vorliegt. Die Elektro- lyte befinden sich in zwei Reaktionsräumen, die durch eine lonenaustauschmembran voneinander getrennt sind. Über diese Membran erfolgt ein lonenaustausch zwischen Anolyt und Katholyt, wobei elektrische Energie frei wird. Die frei werdende elektrische Energie wird über je eine Elektrode, die in Kontakt zum Anolyten und Katholyten steht, abgegriffen. Die Elektrolyte werden in den Reaktionsräumen mittels Pumpen jeweils zirkuliert und fließen an der jeweiligen zugewandten Oberfläche der Membran entlang. Da die Elektrolyte in beliebig groß ausgeführten Tanks gespeichert werden können, ist die in der Redox-Flow-Batterie gespeicherte Energiemenge nur von der Größe der verwendeten Tanks abhängig.
Flussbatteriesysteme als Speichersysteme ermöglichen eine nachhaltige Energieversorgung für stationäre und mobile Anwendungsfelder mittels erneuerbarer Energien. Um hohe Wirkungsgrade und Leistungsdichten zu erreichen, werden möglichst kompakte Zellaufbauten in Batteriestacks angestrebt. Hohe Leistungsdichten stellen jedoch große Herausforderungen an die einzelnen Komponenten eines Batteriestacks dar. Die WO 2018/145720 A1 beschreibt eine Elektrodeneinheit sowie eine Redox-Flow- Batterie, in welcher diese Elektrodeneinheit eingesetzt wird. Dabei ist unter anderem beschrieben, das Substrat der Elektrodeneinheit aus einem Kompositmaterial auszubilden.
Die WO 2018/146342 A1 offenbart verschiedene Elektrolyt-Zusammensetzungen auf Lignin-Basis zur Verwendung für Redox-Flow-Batterien.
Die Veröffentlichung „A biomimetic high-capacity phenazine-based anolyte for aqueous organic redox flow batteries“, Aaron Hollas et al., Nature energy, Vol. 3, Juni 2018, Seiten 508 - 514, beschreibt Anolyte für Redox-Flow-Batterien auf Basis wässriger „organischer“ Elektrolyte beziehungsweise auf Basis wässriger Elektrolyte mit einer redox-aktiven organischen Spezies. Diese gewinnen zunehmend an Bedeutung.
Derzeit werden als korrosionsbeständige Substrate für Elektroden von Redox-Flow- Batterien aufgrund der Verwendung stark basischer oder saurer Elektrolyte häufig plattenförmige Komposite aus Kunststoff und Graphit verwendet. Diese Substrate sind meist mit einer beidseitig aufgebrachten Kohlenstoffbeschichtung versehen oder es ist ein durchström barer Kohlenstoff-Filz zwischen der Membran und der Elektrode vorhanden. Eine Gesamtplattendicke der Elektrode im Bereich von etwa 0,7 - 1 ,2 mm ist dabei üblich. Solche Elektroden werden häufig in einem elektrisch isolierenden Kunststoffrahmen gehalten, was mit zusätzlichem Kostenaufwand für den Rahmen und das Montageverfahren verbunden ist. Die Größe und die Herstellungserfordernisse solcher Elektroden stehen einer platzsparenden und insbesondere kompakten Geometrie von Redox-Flow-Zellen und deren rationeller industrieller Fertigung derzeit im Wege.
Zum technischen Hintergrund wird hier auf die Veröffentlichung „Engineering aspects of the design, construction and performance of modular redox flow batteries for energy storage“, L. F. Arenas et al. , Journal of Energy Storage 11 (2017), Seiten 119 - 153, verwiesen. Aber auch andere elektrochemische Zellen, wie Brennstoffzellen und Elektrolyseure, insbesondere mit Polymerelektrolytmembranen, benötigen korrosionsbeständige Substrate im Bereich der Bipolarplatten und Fluiddiffusionslagen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil in Form einer Elektrode für eine Redox-Flow- Zelle oder in Form einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur oder in Form einer Fluiddiffusionslage für einen Elektrolyseur bereitzustellen, das kostengünstig herzustellen ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Redox-Flow- Zelle, eine Brennstoffzelle und einen Elektrolyseur mit mindestens einem solchen Bauteil bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für das Bauteil umfassend ein Substrat, das aus einem Material in Form eines Metallblechs und/oder eines Streckmetallgitters gebildet ist, dadurch gelöst, dass das Material aus einer Zinn-Nickel-Legierung oder einer Zinn-Silber- Legierung oder einer Zinn-Zink-Legierung oder einer Zinn-Bismut-Legierung oder einer Zinn-Antimon-Legierung gebildet ist.
Es können unvermeidbare Verunreinigungen im ppm-Bereich in der Zinn-Nickel- Legierung oder der Zinn-Silber-Legierung oder der Zinn-Zink-Legierung oder der Zinn- Bismut-Legierung oder der Zinn-Antimon-Legierung vorhanden sein. Ein Zusatz mindestens eines weiteren Metalls mit einem Gehalt aller weiteren Metalle von insgesamt nicht mehr als 1 Gew.-% ist möglich.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form der Elektrode ist insbesondere im neutralen und stark alkalischen, gegenüber einem Elektrolyten einer Redox-Flow-Zelle mit seinem Aktivmaterial elektrochemisch stabil. Es weist geringe Überspannungen gegenüber den erforderlichen Reaktionen in den Elektrolyten (sog. katalytische Aktivität) sowie geringste Grenzflächenwiderstände vergleichbar mit denen von Goldbeschichtungen auf. Das Bauteil in Form der Elektrode ist zudem kostengünstig mit wenigen Herstellschritten produzierbar. Je nach Dimension einer Elektrode, einer Bipolarplatte oder einer Fluiddiffusionslage ist es vorteilhaft, zur Sicherstellung der mechanischen Stabilität mit zunehmender Fläche auch die Dicke zu erhöhen. So sind für solche Bauteile prinzipiell Metallbleche und Streckmetallgitter ab einer Dicke von 0,1 mm verwendbar. Es hat sich aber bewährt, wenn das Metallblech und das Streckmetallgitter jeweils in einer Dicke von maximal 5 mm ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Bauteils weist das Metallblech und/oder das Streckmetallgitter zumindest bereichsweise eine dreidimensionale Profilierung auf. Dies erhöht die später zur Verfügung stehende Kontaktfläche des Metallblechs oder Streckmetallgitters zu einem vorbeiströmenden Fluid.
Das Substrat kann lediglich ein Metallblech, lediglich ein Streckmetallgitter (gegebenenfalls in Kombination mit einer elektrisch leitenden, nicht von Fluid durchdringbaren Stützplatte, z.B. aus Nickel oder Graphit-Komposit) oder eine Kombination von Metallblech und Streckmetallgitter umfassen.
Sofern nur ein Streckmetallgitter vorgesehen ist, das von einem Fluid durchströmbar ist, kann dieses zu einem Wickel aufgerollt, in Lagen übereinander gestapelt oder einlagig vorgesehen sein.
Bei einer Kombination eines Metallblechs mit einem Streckmetallgitter wird das Streckmetallgitter dem Fluid zugewandt angeordnet, wobei vorzugsweise lediglich eine Klemmung zwischen Metallblech und Streckmetallgitter erfolgt. Allerdings kann das Streckmetallgitter zur Vereinfachung einer späteren Montage des Bauteils auch über einzelne Schweißpunkte an dem Metallblech angeheftet oder stellenweise mit dem Metallblech verklebt oder verlötet sein.
Bevorzugt weist das Substrat einseitig oder vorzugsweise beidseitig zumindest bereichsweise eine dreidimensionale Profilierung unter Ausbildung eines Flussfeldes auf. Die Einbringung eines solches Flussfeldes in ein Substrat ist durch Prägen oder dergleichen in kostengünstiger Weise möglich. Ein solches Flussfeld lenkt die Strömung eines Fluids in definierte Bahnen und ist gleichbedeutend mit einer dreidimensionalen Struktur im Bereich der Oberfläche des Substrats. Es sorgt für eine homogene Verteilung und Strömung des Fluids an und entlang einer Membrane. Das Bauteil umfasst bevorzugt weiterhin eine Beschichtung, welche auf dem Substrat aufgebracht ist, wobei die Beschichtung entweder a) aus Kohlenstoff oder Edelmetall oder einer Edelmetall-Legierung oder einem Metallnitrid oder mindestens einem Material aus der Gruppe umfassend Hafnium, Niob, Tantal, Bismut, Nickel, Zinn, Zinn-Nickel-Legierung, gebildet ist oder b) aus einer homogenen oder heterogenen festen Lösung oder Verbindung aus mindestens einer der Materialienkombinationen aus der Gruppe gebildet ist umfassend: Ir-C, Ir-Ru-C, Ru-C, Ag-C, W-C, Cu-C, Mo-C, Cr-C, Mg-C, Pt-C, Ta-C, Nb-C, wobei ein Anteil an Kohlenstoff in der Beschichtung im Bereich von 35 bis 99,99 At.-% liegt, oder c) aus einer hinsichtlich einer chemischen Zusammensetzung unterschiedlich zum Substrat gewählten Beschichtung aus einer Kupfer-Zinn-Legierung oder einer Zinn- Nickel-Legierung oder einer Zinn-Silber-Legierung oder einer Zinn-Zink-Legierung oder einer Zinn-Bismut-Legierung oder einer Zinn-Antimon-Legierung.
Weiterhin können in der Beschichtung Spuren von Wasserstoff, Stickstoff, Bor, Fluor oder Sauerstoff vorhanden sein.
Eine Beschichtung gemäß c) unterscheidet sich vom Material des Substrats hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung, kann also die gleichen Metalle enthalten, jedoch in einer unterschiedlichen Konzentration, oder kann andere Metalle enthalten.
Das Aufbringen einer Beschichtung verbessert die chemische Stabilität des Bauteils weiterhin und verlängert die Lebensdauer signifikant.
Die Beschichtung weist insbesondere eine Dicke im Bereich von 2 bis 500 nm auf.
Es hat sich bewährt, wenn die Beschichtung das Substrat zumindest einseitig, bevorzugt beid- oder allseitig bedeckt. Insbesondere im Bereich der Kanten eines Metallblechs können unbeschichtete Bereiche oder Bereiche mit sehr geringer Schichtdicke vorliegen. Insbesondere sollte die Beschichtung das Substrat in einem Kontaktbereich zu einem Elektrolyten einer Redox-Flow-Zelle bedecken, also in einem Bereich, der in direktem Kontakt zu einem Anolyten oder Katholyten eingesetzt wird. Die Beschichtung ist vorzugsweise mittels eines PVD-Verfahrens oder eines kombinierten PVD/PACVD-Verfahrens auf dem Substrat gebildet. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Beschichtung möglichst porenfrei abgeschieden ist oder zumindest nur Poren mit einem Durchmesser kleiner 0,1 mm aufweist, um einen korrosiven Angriff des Fluids auf das Substrat weiter zu verringern. Die Beschichtung kann aber auch durch ein alternatives Beschichtungsverfahren, beispielsweise galvanisch oder durch thermisches Spritzen, aufgebracht werden.
Die Beschichtung kann weiterhin in Form einer Plattierung vorliegen, sofern diese metallisch ausgebildet wird. Als Plattieren bezeichnet man in der Metallbearbeitung das ein- bzw. zweiseitige Aufbringen einer oder mehrerer Metalllage(n) auf ein dazu unterschiedliches Grundmetall. Dabei wird eine untrennbare Verbindung durch Druck und/oder Temperatur bzw. nachfolgende Wärmebehandlung (z. B. Diffusionsglühen) erzielt. Das Plattieren kann insbesondere durch ein Aufwalzen von dünner Metallfolie erfolgen.
Insbesondere hat es sich bewährt, wenn die Elektrode aus einem Metallblech wird, das ein- oder beidseitig mit einer Beschichtung versehen wird, die durch Plattieren mit einem der in Gruppe a) oben genannten metallischen Werkstoffe für die Beschichtung, insbesondere durch Zinn, gebildet wird.
Die Aufgabe wird weiterhin für die Redox-Flow-Zelle, insbesondere Redox-Flow- Batterie, gelöst, umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form einer Elektrode und mindestens einen Elektrolyten. Insbesondere wird dabei ein Elektrolyt mit einem pH-Wert im Bereich von 7 bis 14 gewählt.
Die Redox-Flow-Zelle umfasst insbesondere mindestens zwei Elektroden, einen ersten Reaktionsraum und einen zweiten Reaktionsraum, wobei jeder Reaktionsraum in Kontakt mit einer der Elektroden steht und wobei die Reaktionsräume durch eine lo- nenaustauschmembran voneinander getrennt sind. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrode ermöglicht geringe Abstände zur Membran und damit einen platzsparenden Aufbau einer Redox-Flow-Zelle. Die Elektrode ist undurchlässig für die Elektrolyte, so dass eine einwandfreie Trennung der Reaktionsräume innerhalb einer Redox-Flow-Zelle gewährleistet ist. Gleichzeitig weisen derartige Elektroden Oberflächen auf, die neben den hohen Anforderungen an die elektrochemische Stabilität auch den Forderungen nach einem niedrigen Grenzflächenwiderstand sowie hoher katalytischer Aktivität gerecht werden.
Insbesondere Flussbatterien mit wässrigen Elektrolyten umfassend eine redox-aktive Spezies auf der Anolyt-Seite sind bevorzugte Anwendungen für die erfindungsgemäße Elektrode.
Es können aufgrund der geringen möglichen Dicken der Elektroden kleinbauende Re- dox-Flow-Batterien hergestellt werden, die zudem einen geringen Herstellungspreis aufweisen. So werden zur Ausbildung einer Redox-Flow-Batterie bevorzugt mehr als 10, insbesondere mehr als 50 Redox-Flow-Zellen elektrisch miteinander verschaltet eingesetzt.
Als für eine Redox-Flow-Zelle oder eine Redox-Flow-Batterie geeigneter Anolyt wird hier beispielhaft genannt:
1.4 M 7,8-Dihydroxyphenazin-2-sulfonsäure (kurz: DHPS) gelöst in 1 molarer Natronlauge
Als für eine Redox-Flow-Zelle oder eine Redox-Flow-Batterie geeigneter Katholyt wird hier beispielhaft genannt:
0.31 M Kaliumhexacyanoferrat(ll) und 0.31 M Kaliumhexacyanoferrat(lll) gelöst in 2 molarer Natronlauge.
Es werden bevorzugt Elektrolyt-Kombinationen mit wässrigen Elektrolyten mit einer redox-aktiven organischen Spezies auf der Anolyt-Seite zur Bildung einer Redox- Flow-Zelle oder einer Redox-Flow-Batterie verwendet. Eine Brennstoffzelle umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form einer Bipolarplatte sowie mindestens eine Polymerelektrolytmembrane hat sich als langzeitstabil erwiesen.
Weiterhin hat sich ein Elektrolyseur umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form einer Bipolarplatte oder einer Fluiddiffusionslage sowie umfassend mindestens eine Polymerelektrolytmembrane als langzeitstabil erwiesen.
Die Figuren 1 bis 6 zeigen beispielhaft erfindungsgemäße Bauteile in Form von Elektroden und eine Redox-Flow-Zelle beziehungsweise eine Redox-Flow-Batterie. Die Figuren 7 und 8 zeigen beispielhaft eine Brennstoffzelle und eine Elektrolysezelle eines Elektrolyseurs. So zeigt
Figur 1 eine Elektrode umfassend ein Substrat in der Draufsicht auf die Substratebene,
Figur 2 einen Querschnitt durch eine Elektrode umfassend eine Beschichtung,
Figur 3 einen Querschnitt durch eine Elektrode mit einer Profilierung,
Figur 4 einen Querschnitt durch eine Elektrode umfassend ein Substrat aus einem Metallblech und einem Streckmetallgitter,
Figur 5 eine Elektrode mit einem Flussfeld,
Figur 6 eine Redox-Flow-Zelle beziehungsweise eine Redox-Flow-Batterie mit einer Redox-Flow-Zelle,
Figur 7 einen Elektrolyseur im Schnittbild und
Figur 8 einen Brennstoffzellenstapel in einer dreidimensionalen Ansicht. Figur 1 zeigt ein Bauteil 1 in Form einer Elektrode umfassend ein Substrat 2 in der Draufsicht auf die Substratebene. Das Substrat 2 ist hier aus einem Metallblech 2a in einer Dicke kleiner 0,5 mm gebildet. Das Metallblech 2a ist aus einer Zinn-Silber- Legierung gebildet.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauteil 1 in Form einer Elektrode umfassend ein Substrat 2 in Form eines Metallblechs 2a aus einer Zinn-Antimon-Legierung, das beidseitig eine Beschichtung 3 aufweist. Dabei kann die Beschichtung 3 aber auch nur auf einer Seite des Metallblechs 2a aufgebracht sein, wobei die Beschichtung 3 das Substrat 2 zumindest in einem Kontaktbereich zu einem Elektrolyten einer Redox- Flow-Zelle 8 bedecken soll (vergleiche Figur 6).
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauteil 1 in Form einer Elektrode umfassend ein Substrat 2 in Form eines Metallblechs 2a aus Zinn-Bismut-Legierung. Das Metallblech 2a weist eine dreidimensionale Profilierung 4 auf, die die spätere Kontaktfläche des Metallblechs 2a zu einem Elektrolyten einer Redox-Flow-Zelle 8 erhöht.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauteil 1 ' in Form einer Elektrode umfassend ein Substrat 2, das ein Metallblech 2a und ein Streckmetallgitter 2b umfasst. Das Metallblech 2a und das Streckmetallgitter 2b sind aus einer Zinn-Silber-Legierung gebildet.
Figur 5 zeigt ein Bauteil 1 in Form einer Elektrode in dreidimensionaler Ansicht umfassend ein Substrat 2 in Form eines Metallblechs 2a aus Zinn-Silber-Legierung mit einer Profilierung 4, die ein Flussfeld 7 ausbildet. In dem Substrat 2 ist beidseitig eine Profilierung 4 zur Ausbildung jeweils eines Flussfeldes 7 vorhanden, so dass eine dreidimensionale Strukturierung der Oberfläche der Elektrode resultiert, die in einer Redox- Flow-Zelle 8 von einem Elektrolyten angeströmt werden soll.
Figur 6 zeigt eine Redox-Flow-Zelle 8 beziehungsweise eine Redox-Flow-Batterie mit einer Redox-Flow-Zelle 8. Die Redox-Flow-Zelle 8 umfasst zwei Bauteile 1 a, 1 b in Form von Elektroden, einen ersten Reaktionsraum 10a und einen zweiten Reaktionsraum 10b, wobei jeder Reaktionsraum 10a, 10b in Kontakt mit einer der Elektroden steht. Die Reaktionsräume 10a, 10b sind durch eine lonenaustauschmembran 9a voneinander getrennt. Ein flüssiger Anolyt 11 a wird aus einem Tank 13a über eine Pumpe 12a in den ersten Reaktionsraum 10a gepumpt und zwischen dem Bauteil 1a und der lonenaustauschmembran 9a hindurchgeführt. Ein flüssiger Katholyt 11 b wird aus einem Tank 13b über eine Pumpe 12b in den zweiten Reaktionsraum 10b gepumpt und zwischen dem Bauteil 1 b und der lonenaustauschmembran 9a hindurchgeführt. Es erfolgt ein lonentausch über die lonenaustauschmembran 9a hinweg, wobei aufgrund der Redox-Reaktion an den Elektroden elektrische Energie frei wird.
Figur 7 zeigt eine Elektrolysezelle 20 eines Elektrolyseurs umfassend eine Polymerelektrolytmembrane 9, welche eine Anodenseite A und eine Kathodenseite K voneinander trennt. Beiderseits der Polymerelektrolytmembrane 9 ist jeweils eine Katalysatorschicht 21 a, 21 b umfassend jeweils ein Katalysatormatenal sowie eine Fluiddiffusionslage 22a, 22b an die Katalysatorschicht 21 a, 21 b angrenzend angeordnet. Die Fluiddiffusionslagen 22a, 22b sind jeweils angrenzend an eine elektrisch leitfähige Platte 24a, 24b angeordnet, wobei die Fluiddiffusionslagen 22a und 22b aus einem Streckmetall 2b, 2b' aus einer Zinn-Silber-Legierung gebildet sind. Die Platten 24a, 24b weisen jeweils Strömungskanäle 23a, 23b auf ihren den Fluiddiffusionslagen 22a, 22b zugewandten Seiten auf, um eine Zufuhr von Reaktionsmedium (Wasser) und eine Abfuhr von Reaktionsprodukten (Wasser, Wasserstoff, Sauerstoff) zu verbessern.
Figur 8 zeigt schematisch einen Brennstoffzellenstapel 100 umfassend mehrere Brennstoffzellen 90. Jede Brennstoffzelle 90 umfasst eine Polymerelektrolytmembrane 9, die zu beiden Seiten von Bauteilen 1 c, 1 d in Form von Bipolarplatten benachbart ist. Eine jede Bipolarplatte weist ein Substrat aus einer Zinn-Silber-Legierung auf. Die Bipolarplatte weist einen Einströmbereich mit Öffnungen 80a sowie einen Auslassbereich mit weiteren Öffnungen 80b auf, die zur Versorgung einer Brennstoffzelle (90) mit Prozessgasen und Kühlmittel und Abführung von Reaktionsprodukten aus der Brennstoffzelle (90) und Kühlmittel dienen. Die Bipolarplatte weist weiterhin auf jeder Seite eine Gasverteilerstruktur 7' auf, die zur Anlage an die Polymerelektrolytmembrane 9 vorgesehen ist. Bezuqszeichenliste
1 , r, 1a, 1 b, 1c, 1d Bauteil
2 Substrat
2a Metallblech
2b, 2b' Streckmetallgitter
3 Beschichtung
4 Profilierung
7 Flussfeld
7' Gasverteilerstruktur
8 Redox-Flow-Zelle oder Redox-Flow-Batterie
9 Polymerelektrolytmembran
9a lonenaustauschmembran
10a erster Reaktionsraum
10b zweiter Reaktionsraum
11a Anolyt
11 b Katholyt
12a, 12b Pumpe
13a, 13b, 13c Tank
20 Elektrolysezelle eines Elektrolyseurs
21a, 21 b Katalysatormaterial
22a, 22b Fluiddiffusionslage
23a, 23b Strömungskanäle
24a, 24b elektrisch leitfähige Platte
80a, 80b Öffnungen
90 Brennstoffzelle
100 Brennstoffzellenstapel
A Anodenseite
K Kathodenseite d Dicke des Metallblechs oder Streckmetalls
D Dicke der Beschichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Bauteil (1 , 1 ', 1a, 1 b, 1c, 1 d) für eine elektrochemische Zelle, wobei das Bauteil (1 , 1 ', 1a, 1 b, 1c, 1 d) in Form einer Elektrode für eine Redox-Flow-Zelle (8) oder in Form einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle (90) oder einen Elektrolyseur oder in Form einer Fluiddiffusionslage (22a, 22b) für einen Elektrolyseur vorliegt, umfassend ein Substrat (2), das aus einem Material in Form eines Metallblechs (2a) und/oder eines Streckmetallgitters (2b, 2b') gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus einer Zinn-Nickel-Legierung oder einer Zinn-Silber-Legierung oder einer Zinn- Zink-Legierung oder einer Zinn-Bismut-Legierung oder einer Zinn-Antimon-Legierung gebildet ist.
2. Bauteil (1 , 1 ', 1a, 1 b) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (2a) und das Streckmetallgitter (2b, 2b') jeweils in einer Dicke von maximal 5 mm ausgebildet ist.
3. Bauteil (1 , 1 ', 1a, 1 b) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (2a) und/oder das Streckmetallgitter (2b, 2b') zumindest bereichsweise eine dreidimensionale Profilierung (4) aufweist.
4. Bauteil (1 , 1 ', 1a, 1 b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese weiterhin eine Beschichtung (3) umfasst, welche auf dem Substrat (2) aufgebracht ist, wobei die Beschichtung (3) entweder a) aus Kohlenstoff oder Edelmetall oder einer Edelmetall-Legierung oder einem Metallnitrid oder mindestens einem Material aus der Gruppe umfassend Hafnium, Niob, Tantal, Bismut, Nickel, Zinn, Zinn-Nickel-Legierung, gebildet ist oder b) aus einer homogenen oder heterogenen festen Lösung oder Verbindung aus mindestens einer der Materialienkombinationen aus der Gruppe gebildet ist umfassend: Ir-C, Ir-Ru-C, Ru-C, Ag-C, W-C, Cu-C, Mo-C, Cr-C, Mg-C, Pt-C, Ta-C, Nb-C, wobei ein Anteil an Kohlenstoff in der Beschichtung (3) im Bereich von 35 bis 99,99 At.-% liegt, oder c) aus einer hinsichtlich einer Materialzusammensetzung unterschiedlich zum Substrat (2) gewählten Beschichtung (3) aus einer Kupfer-Zinn-Legierung oder einer Zinn- Nickel-Legierung oder einer Zinn-Silber-Legierung oder einer Zinn-Zink-Legierung oder einer Zinn-Bismut-Legierung oder einer Zinn-Antimon-Legierung.
5. Bauteil (1 , 1 ', 1 a, 1 b) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) eine Dicke (D) im Bereich von 2 bis 500 nm aufweist.
6. Bauteil (1 , 1 ', 1 a, 1 b) in Form der Elektrode für die Redox-Flow-Zelle (8) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) das Substrat (2) zumindest in einem Kontaktbereich zu einem Elektrolyten der Redox- Flow-Zelle (8) bedeckt.
7. Redox-Flow-Zelle (8), insbesondere Redox-Flow-Batterie, umfassend mindestens eine Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mit einem pH-Wert im Bereich von 7 bis 14.
8. Redox-Flow-Zelle (8) nach Anspruch 7, umfassend mindestens zwei Elektroden, einen ersten Reaktionsraum (10a) und einen zweiten Reaktionsraum (10b), wobei jeder Reaktionsraum (10a, 10b) in Kontakt mit einer der Elektrode steht und wobei die Reaktionsräume (10a, 10b) durch eine lonenaustauschmembran (9a) voneinander getrennt sind.
9. Brennstoffzelle (90) umfassend mindestens eine Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5 sowie mindestens eine Polymerelektrolytmembrane (9).
10. Elektrolyseur umfassend mindestens eine Bipolarplatte oder eine Fluiddiffusionslage (22a, 22b) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 sowie mindestens eine Polymerelektrolytmembrane (9).
EP21811249.8A 2020-11-20 2021-11-10 Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur Withdrawn EP4248507A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020130693.8A DE102020130693A1 (de) 2020-11-20 2020-11-20 Bauteil für eine elektrochemische Zelle, sowie Redox-Flow-Zelle, Brennstoffzelle und Elektrolyseur
PCT/DE2021/100893 WO2022105959A1 (de) 2020-11-20 2021-11-10 Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4248507A1 true EP4248507A1 (de) 2023-09-27

Family

ID=78725189

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21811249.8A Withdrawn EP4248507A1 (de) 2020-11-20 2021-11-10 Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20240003022A1 (de)
EP (1) EP4248507A1 (de)
JP (1) JP2023549791A (de)
KR (1) KR20230079170A (de)
CN (1) CN116508180A (de)
AU (1) AU2021384651A1 (de)
DE (1) DE102020130693A1 (de)
WO (1) WO2022105959A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102024206263A1 (de) * 2024-07-03 2026-01-08 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Gasdiffusionslage, elektrochemische Zelle mit der Gasdiffusionslage und Verfahren zum Herstellen der Gasdiffusionslage

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5145680B2 (ja) * 2006-09-28 2013-02-20 株式会社日立製作所 燃料電池セパレータ
US20110033784A1 (en) * 2008-02-27 2011-02-10 Impact Coatings Ab Electrode with a coating, method in production thereof and use of a material
US10329676B2 (en) * 2012-07-26 2019-06-25 Avantium Knowledge Centre B.V. Method and system for electrochemical reduction of carbon dioxide employing a gas diffusion electrode
US9478822B2 (en) * 2013-08-15 2016-10-25 Nuvera Fuel Cells, LLC Multi-stack electrochemical cell system and method of use
JP6418235B2 (ja) * 2014-03-31 2018-11-07 住友電気工業株式会社 多孔質集電体及び燃料電池
JP6434723B2 (ja) 2014-07-01 2018-12-05 住友電気工業株式会社 膜電極複合体、膜電極複合体の製造方法、燃料電池及び燃料電池の製造方法
JP6701601B2 (ja) * 2015-09-10 2020-05-27 住友電気工業株式会社 金属多孔体、燃料電池、及び金属多孔体の製造方法
DE102016202372A1 (de) * 2016-02-17 2017-08-17 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Schicht und Schichtsystem, sowie Bipolarplatte, Brennstoffzelle und Elektrolyseur
GB2551191B (en) 2016-06-10 2020-01-15 Imperial Innovations Ltd Electrically conductive composite coating with azole corrosion inhibitor
CN108123142B (zh) * 2016-11-28 2022-01-04 财团法人工业技术研究院 抗腐蚀结构及包含其抗腐蚀结构的燃料电池
TWI624989B (zh) * 2016-12-14 2018-05-21 財團法人工業技術研究院 雙極板、燃料電池及燃料電池組
WO2018145720A1 (en) 2017-02-10 2018-08-16 Cmblu Projekt Ag Flow-by electrode unit and use thereof, redox flow battery system and use thereof, method of manufacturing a flow-by electrode unit, method of operating a redox flow battery system
WO2018146344A1 (en) 2017-02-13 2018-08-16 Cmblu Projekt Ag Process for the production of sulphonated low molecular weight derivatives from lignin
JP7104500B2 (ja) * 2017-09-15 2022-07-21 株式会社豊田中央研究所 化学反応用電極及びそれを用いた電気化学セル
DE202018103058U1 (de) * 2018-05-30 2019-09-02 Reinz-Dichtungs-Gmbh Separatorplatte für ein elektrochemisches System
US11056698B2 (en) * 2018-08-02 2021-07-06 Raytheon Technologies Corporation Redox flow battery with electrolyte balancing and compatibility enabling features
CN110112434A (zh) * 2019-05-16 2019-08-09 张国胜 双极板及包含该双极板的燃料电池电堆和发电系统
US11532827B2 (en) * 2019-11-25 2022-12-20 Robert Bosch Gmbh Fuel cell bipolar plate alloys

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230079170A (ko) 2023-06-05
WO2022105959A1 (de) 2022-05-27
DE102020130693A1 (de) 2022-05-25
AU2021384651A9 (en) 2024-02-08
CN116508180A (zh) 2023-07-28
JP2023549791A (ja) 2023-11-29
US20240003022A1 (en) 2024-01-04
AU2021384651A1 (en) 2023-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP4014271B1 (de) Elektrodeneinheit und redox-flow-zelle
EP4264713A1 (de) Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte für eine elektrochemische zelle und bipolarplatte
WO2023274441A1 (de) Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur
DE102022112319A1 (de) Bauteil für eine elektrochemische Zelle, sowie Redox-Flow-Zelle, Brennstoffzelle und Elektrolyseur
DE102022101159A1 (de) Redox-Flow-Zelle
WO2022105960A1 (de) Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur
EP4248507A1 (de) Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur
DE102017115053A1 (de) Beschichtete aluminium-bipolarplatte für brennstoffzellenanwendungen
WO2023025426A1 (de) Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und beschichtung
EP4248506A1 (de) Bauteil einer redox-flow-zelle sowie redox-flow-zelle und redox-flow-batterie
DE102024105383A1 (de) Bauteil für eine elektrochemische Zelle, sowie Redox-Flow-Zelle, Brennstoffzelle und Elektrolyseur
EP4222798B1 (de) Elektrode, redox-flow-zelle sowie redox-flow-batterie
EP4302344A1 (de) Redox-flow-zelle
DE102021126534B4 (de) Elektrodenplatte für eine elektrochemische Zelle, Redox-Flow-Zelle sowie Redox-Flow-Batterie
WO2023208261A1 (de) Redox-flusszelle
EP4677665A1 (de) Bauteil für eine elektrochemische zelle, sowie redox-flow-zelle, brennstoffzelle und elektrolyseur
WO2026052348A1 (de) Gasdiffusionsschicht für eine elektrolysezelle sowie verfahren zur herstellung einer gasdiffusionsschicht
EP4278402A1 (de) Redox-flussbatterie
DE102022212973A1 (de) Bipolarplatte, Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte, Zelle sowie elektrochemischer Energiewandler
DE102021130935A1 (de) Schicht und Schichtsystem, sowie elektrisch leitfähige Platte und elektrochemische Zelle
DE102021126138A1 (de) Redox-Flussbatterie

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230620

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20250603