EP4364220A1 - Component for an electrochemical cell, redox flow cell, fuel cell, and electrolyser - Google Patents

Component for an electrochemical cell, redox flow cell, fuel cell, and electrolyser

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EP4364220A1
EP4364220A1 EP22729432.9A EP22729432A EP4364220A1 EP 4364220 A1 EP4364220 A1 EP 4364220A1 EP 22729432 A EP22729432 A EP 22729432A EP 4364220 A1 EP4364220 A1 EP 4364220A1
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EP
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layer
alloy
component
metal substrate
tin
Prior art date
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Pending
Application number
EP22729432.9A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ladislaus Dobrenizki
Bertram Haag
Jan-Peter Viktor SCHINZEL
Jeevanthi VIVEKANANTHAN
Jan Martin STUMPF
Moritz Wegener
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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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Definitions

  • the invention relates to a component for an electrochemical cell comprising a metal substrate and a layer system which is at least partially galvanically applied to the metal substrate, the layer system comprising a first layer arranged on the metal substrate and a second layer arranged on the first layer.
  • the invention also relates to electrochemical cells in the form of redox flow cells, electrolyzers and fuel cells.
  • Hydrogen represents an important raw material for key technologies with regard to future energy storage and energy conversion.
  • Water electrolysis is based on the decomposition of water into the components hydrogen (H2) and oxygen (O2).
  • a hydrogen-powered fuel cell generates electrical energy from the hydrogen.
  • a reduction in the hydrogen production costs using electrolysers comprising a polymer electrolyte membrane (PEM-EL) and a reduction in the production costs of the components of a fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane (PEM-BZ) represent a basic requirement for future efficient use of these systems.
  • the main components of a PEM electrolyzer stacks/PEM fuel cell stacks are the bipolar plates (BiP), the current collectors or fluid diffusion layers and the membrane electrode assembly (MEA).
  • the materials and the position of the bipolar plates make a not inconsiderable contribution to the costs of the respective stacks.
  • the essential requirements for the components, such as the bipolar plates and fluid diffusion layers are high corrosion resistance combined with low substrate and interface resistances.
  • Titanium and stainless steel plates are the state of the art in electrolysis. While the field of application of stainless steel plates on the anode side is limited to pFI ranges around 7 due to the high oxidation potentials present, titanium plates can be used over a wide pFI range from 1 to 7. On the cathode side, titanium proves to be disadvantageous since it tends to become hydrogen embrittlement. Furthermore, the operation of electrolyser stacks with titanium plates shows an increase in the ohmic see losses due to surface passivation. against this background, the use of niobium, platinum or gold coatings on titanium plates is known. Comprehensive use of stainless steel to form a bipolar plate requires the use of an electrochemically stable, conductive and, in particular, dense, impenetrable coating. In particular, tightness with respect to aqueous electrolytes should be achieved.
  • EP 3336942 A1 describes a metal sheet for forming a separator for a polymer electrolyte fuel cell.
  • the metallic substrate has a film covering the surface of the substrate, with an island-shaped intermediate layer between the substrate and the film.
  • the intermediate layer comprises at least one element from the group consisting of nickel, copper, silver, gold, or is formed from an NiP alloy.
  • a substrate made of stainless steel with an island-shaped intermediate layer made of NiP and an electrochemically applied film made of TiN-dispersed NhSn2 is described as an exemplary embodiment.
  • JP 2010-272429 A discloses a separator for a fuel cell with a substrate made of copper or a copper alloy coated with at least one wet-chemically formed first layer made of tin or a tin alloy.
  • the first layer may contain a conductive filler, in particular in the form of carbon.
  • US 2019/0 148741 A1 describes an electrochemical device such as a fuel cell, a battery, an electrolyser, a redox flow battery, comprising a coated component that has a substrate preferably made of a metal such as copper, iron, titanium, aluminum, nickel or stainless steel.
  • the substrate shows a coating of tin or a tin alloy such as a tin-nickel alloy, a tin-antimony alloy, a tin-nickel-antimony alloy, and an electroconductive coating comprising a carbon-based material and an azole-containing corrosion inhibitor on.
  • Flow battery systems as storage systems also enable a sustainable energy supply for stationary and mobile fields of application using renewable energies.
  • a metallic electrode with a structured geometry represents a new approach here, in order to ensure a homogeneous distribution of an electrolyte in the active area and at the same time enable small distances to the membrane.
  • metallic electrodes require corresponding surface properties that meet the high requirements of electrochemical stability, low interfacial resistance and catalytic activity.
  • composite plates comprising plastic and graphite (thickness ⁇ 0.5 - 0.6 mm) with a carbon black active coating applied on both sides (thickness ⁇ 0.1 - 0.3 mm) are often used as electrodes dry pressed or wet chemically applied. This results in a total plate thickness of the electrode of ⁇ 0.7-1.2 mm. With metal plates, thicknesses of ⁇ 0.5 mm can be achieved over a large area. It can also be assumed that the processability of large-area metallic plates turns out to be more favorable compared to injection-molded plastic frames with graphite-based electrodes.
  • Another cell configuration such as the all-vanadium redox flow cell, consists of two bipolar plates in the form of two electrodes, usually with graphite felt to increase the active surface, and a membrane.
  • the electrolyte consists of vanadium dissolved in sulfuric acid (pH ⁇ 1).
  • the bipolar plates (thickness about 0.5 - 0.6 mm) are usually used as planar plates made of pure graphite or a graphite-polymer compound.
  • Bipolar plates made of polypropylene filled with graphite or carbon nanotubes are characterized by high corrosion resistance and high overvoltages for the hydrogen generation reaction (HER).
  • HER hydrogen generation reaction
  • metallic bipolar plates are characterized by their higher electrical conductivity and higher mechanical stability or strength, which lead to higher performance and efficiency in cell configurations with graphite felt due to lower ohmic losses.
  • Electrochemical stability pH range: 1-14
  • the task is for the component of an electrochemical cell, comprising a metal substrate and a layer system which is at least partially galvanically applied to the metal substrate, the layer system optionally having a first layer arranged on the metal substrate and a first layer arranged on the metal substrate or, if present, on the at least one second layer arranged in the first layer, dissolved in which the optional first layer is formed from copper or nickel and the at least one second layer is made from an alloy comprising at least two of the elements tin, copper, nickel, silver, zinc, bismuth , antimony, cobalt, manganese, tungsten, is formed, wherein in the alloy non-metallic particles are comprehensively integrated electrically conductive particles.
  • the electrically conductive particles have an electrical conductivity in a temperature range from 20 to 25° C. in a range from 0.25 m ⁇ cm 2 to 10 m ⁇ cm 2 .
  • Such components have excellent electrochemical stability, as is required in electrochemical cells. Due to the low interfacial resistances, such components are particularly suitable for the construction of electrodes of a redox flow cell, of bipolar plates for fuel cells and electrolysers, and of fluid diffusion layers of electrolysers.
  • the materials tin and nickel proved to be thermodynamically stable over a wide pH range due to the formation of oxides.
  • An alloy of a tin-nickel alloy with a nickel content in the range from 20 to 30% by weight is therefore particularly preferred.
  • Such a low nickel content is of great advantage with regard to the reduced nickel diffusion into the membrane of an electrochemical cell, since this minimizes or prevents nickel poisoning of the membrane and thus effectively prevents a drop in cell performance.
  • second layers made of such a tin-nickel alloy with electrically conductive particles dispersed therein in particular made of carbon and/or graphite and/or carbon nanotubes and/or carbon fibers and/or soot and/or graphene and/or graphene oxide, proved to be effective more long-term stable than comparison layers made of gold.
  • the alloy is alternatively made of a copper-tin alloy or a tin-silver alloy or a tin-zinc alloy or a tin-bismuth alloy or a Ner tin-antimony alloy or a tin-cobalt alloy or a nickel-tungsten alloy or a tin-manganese alloy formed.
  • SnCu in particular has proven to be an efficient material composition in the redox flow cell when using alkaline electrolytes.
  • the first layer is made of copper or nickel. This ensures good adhesion of the layer system to the metal substrate.
  • the non-metallic particles preferably include a proportion of electrically conductive particles, which bring about a significant reduction in the interfacial resistance of the component and are in particular formed from at least one material from the group comprising carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, soot, graphene, graphene oxide, metal nitride, metal carbide are.
  • the proportion of electrically conductive particles is in particular more than 50% of the non-metallic particles. It has been shown that the electrically conductive particles protruding from the second layer reliably maintain the electrical contact between the membrane of the electrochemical cell and the electrical contacts outside the electrochemical cell, even under highly corrosive conditions.
  • a combination of an alloy of a tin-nickel alloy with a nickel content in the range from 20 to 30% by weight with non-metallic particles dispersed therein made of at least one material from the group comprising carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon fibers and soot is particularly preferred , graphene, graphene oxide.
  • This alloy forms an oxide layer on its surface as a passivation, which has a particularly corrosion-inhibiting effect and increases the long-term stability of the electrochemical cell.
  • the non-metallic particles can also include a proportion of particles formed from a non-electrically conductive material, such as at least one material from the group consisting of metal sulfide, metal oxide, diamond, mica, PTFE.
  • a non-electrically conductive material such as at least one material from the group consisting of metal sulfide, metal oxide, diamond, mica, PTFE.
  • Preferred metal oxides are Al 2 O 3 , BeO 2 , CdO, MgO, S 1 O 2 , T 1 O 2 , ZrO 2 , Fe oxides and the like. Deployed.
  • Preferred metal carbides are SiC, WC, VC, TiC, O2C3, O3C2 and the like are used.
  • BN or SiN and the like are preferably used as metal nitrides.
  • Carbon is particularly preferably used in the form of graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, soot, graphene or also in the form of graphene oxide.
  • M0S2, MoS, NiFeS2 and the like are preferably used as metal sulfides.
  • a preferred particle size of the non-metallic particles is in a range from 100 nm to 8 ⁇ m, in particular in the range from 500 nm to 6 ⁇ m. Particles in the nanometer range are particularly preferably used, which are particularly stable in an electrolyte for the electrodeposition of the second Layer are dispersible. In particular, the particle size is chosen such that they protrude from the surface of the at least one second layer and thus ensure contact with a membrane.
  • a preferred volume fraction of non-metallic particles in the second layer is in the range from 2 to 50% by volume. This ensures reliable binding of the particles in the metallic matrix.
  • the metal substrate is preferably formed from a material from the group comprising stainless steel, such as grades 1.4404 or DC04, titanium, a titanium alloy, aluminum, an aluminum alloy, an alloy containing predominantly tin.
  • the first layer is preferably present to improve the adhesion of the layer system.
  • the metal substrate is formed from a material from the group consisting of copper, a copper alloy, nickel, a nickel alloy, and a low-alloy carbon steel.
  • the metal substrate is made of copper or nickel.
  • the first layer can also be dispensed with.
  • 100Cr6 has proven itself as a low-alloy carbon steel.
  • the optional first layer and the at least one second layer are formed by electroplating. Electrolyte-tight layers with a layer thickness >10 micrometers can be deposited without further ado using galvanic processes for use in PEM-EL and redox flow cells. This means that galvanically deposited, conductive and resistant layers can be achieved on metallic substrates such as stainless steel over a wide pH and potential range.
  • the non-metallic particles are dispersed in an electrolyte to form the second layer and incorporated into the alloy deposited on the first layer to form the at least one second layer.
  • a single second layer or a plurality of second layers can be applied one on top of the other.
  • the galvanic deposition is carried out using a so-called "pulse plating" process, in which the voltage applied to the electrolyte is periodically switched off or reversed.
  • the short-term current surges when switching on increase the formation of nuclei for the metal deposition and thus create a basis for fine-grained deposits and gloss.
  • the metal substrate is in particular in the form of a metal sheet or a metal foil with a thickness in the range from 0.05 to 1 mm. Furthermore, the metal sheet or the metal foil can have embossed three-dimensional structures in order to increase the surface area and thus increase the contact area with a fluid in an electrochemical cell.
  • the first layer preferably has a layer thickness of up to 5 ⁇ m, in particular in the range of up to 3 ⁇ m.
  • the at least one second layer preferably has a layer thickness of up to 30 ⁇ m, in particular in the range from 5 to 20 ⁇ m.
  • the preferred total layer thickness of the layer system is ⁇ 10 ⁇ m and is in particular in the range from 4 to 8 ⁇ m.
  • a surface of the second layer, which faces away from the metal substrate and forms the cover layer of the layer system, is in particular anodized.
  • a targeted enrichment of the respective alloy element in the form of oxides (surface modification) is possible by means of such a subsequent anodization. This is achieved by applying potentials to components immersed in aqueous electrolytes.
  • the component according to the invention is preferably in the form of an electrode for a redox flow cell, the layer system contacting the metal substrate at least in a contact area with an electrolyte, optionally also in a contact area with a graphite felt through which electrolyte flows, the redox flow -Cell covered.
  • a redox flow cell in particular redox flow battery, comprising at least one electrode for the redox flow cell and at least one electrolyte, in particular with a pFI value in the range from -1 to 14
  • the redox flow cell preferably 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.
  • a graphite felt can be arranged in each of the reaction chambers, which felt is arranged adjacent to the respective electrode.
  • redox flow cells that are electrically interconnected are used.
  • 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 and/or metallic species on the anolyte side are preferably used to form a redox flow cell or a redox flow battery.
  • electrolyte anolyte or catholyte
  • electrolyte anolyte or catholyte
  • 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.
  • an electrolyzer comprising at least one component according to the invention in the form of a bipolar plate or a fluid diffusion layer and at least one polymer electrolyte membrane.
  • the electrolyser is preferably set up for the electrolysis of water.
  • Metal substrate Stainless steel Electroplated first layer: Copper or nickel Electroplated second layer (DC, Pulse Plating): Alloy: SnNi Non-metallic particles: Graphite
  • Titanium galvanically produced first layer copper or nickel galvanically produced second layer (DC, pulse plating): alloy: SnAg non-metallic particles: titanium nitride and SiC Example 3:
  • Metal substrate copper galvanically produced first layer: not applicable galvanically produced second layer (DC, pulse plating): alloy: SnCu non-metallic particles: graphite and SiC Example 4:
  • Metal substrate Aluminum Electroplated first layer: Copper or nickel Electroplated second layer (DC, Pulse Plating): Alloy: SnZn Non-metallic particles: Graphene oxide and S1O2 Example 5:
  • Metal substrate Stainless steel Electroplated first layer: Copper or nickel Electroplated second layer (DC, Pulse Plating): Alloy: SnBi Non-metallic particles: Graphene and WC Example 6:
  • Metal substrate titanium Electroplated first layer: copper or nickel Electroplated second layer (DC, pulse plating): Alloy: SnSb or SnMn Non-metallic particles: carbon black and mica
  • Example 7 Metal substrate: stainless steel Electroplated first layer: copper or nickel Electroplated second layer (DC, pulse plating): alloy: SnCo non-metallic particles: carbon nanotubes and MgO
  • Metal substrate Stainless steel Electroplated first layer: Copper or nickel Electroplated second layer (DC, pulse plating):
  • NiW Non-metallic particles Graphite and M0S2
  • Metal substrate Stainless steel Electroplated first layer: Copper or nickel Electroplated second layer (DC, pulse plating):
  • FIGS. 1 to 8 show examples of components and their use in electrochemical cells. So shows
  • FIG. 1 shows a component comprising a metal substrate and a layer system
  • FIG. 2 shows the component according to FIG. 1 in a sectional view
  • FIG. 3 shows another component with a three-dimensional structure in a side view
  • FIG. 4 shows a component with an integral metal substrate and first layer
  • FIG. 5 shows a component in the form of an electrode with a three-dimensionally structured flow 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.
  • Figure 1 shows a component 1 comprising a metal substrate 2 and a layer system 3 in a plan view of a surface 4.
  • FIG. 2 shows the component 1 according to FIG. 1 in sectional view II-II.
  • the same reference symbols as in FIG. 1 identify the same elements.
  • the metal substrate 2 can now be seen, here for example made of stainless steel, in the form of a metal sheet.
  • the metal sheet is galvanically coated on both sides with a first layer 3a made of nickel in a layer thickness of 1 ⁇ m.
  • a galvanically applied second layer 3b made of a tin-nickel alloy containing non-metallic particles of graphite in a layer thickness in the range of 5 ⁇ m.
  • FIG. 3 shows another component 1 ' with a three-dimensional structure 5 in a side view.
  • the component 1 ' comprises a metal substrate 2, which is not visible here and which is covered on all sides by a layer system 3
  • FIG. 4 shows a component 1 ′′ in cross section, which has a metal substrate 2 made of nickel.
  • the metal substrate 2 simultaneously forms the first layer 3a here.
  • the second layer 3b formed thereon galvanically is made of a tin-nickel alloy containing non-metallic particles Graphite and SiC formed in a layer thickness of 10 pm.
  • Figure 5 shows a component 1a in the form of an electrode in a three-dimensional view comprising a metal substrate 2 in the form of a metal sheet made of titanium coated with a layer system 3.
  • a metal substrate 2 in the form of a metal sheet made of titanium coated with a layer system 3.
  • the metal substrate 2 there is a three-dimensional structure 5 for forming a flow field 7 in each case. so that an enlargement of the surface of the electrode results, onto which an electrolyte is to flow in a redox flow cell 8 (compare FIG. 6).
  • FIG. 6 shows a redox flow cell 8 or a redox flow battery with a redox flow cell 8.
  • the redox flow cell 8 includes two components 1a, 1b in the form of electrodes (see Figure 5), a first reaction space 10a and a second reaction space 10b, each reaction space 10a, 10b being in contact with one of the electrodes.
  • Graphite felt which is not shown separately here, can be arranged in the reaction spaces 10a, 10b.
  • the river fields 7 (not visible here) same FIG. 5) of the electrodes are aligned to face an ion exchange membrane 9a and, if present, the respective graphite felt.
  • the reaction spaces 10a, 10b are separated from one another by the ion exchange membrane 9a.
  • the graphite felt if present, is at least slightly compressed between the respective electrode and the ion exchange membrane 9a, with electrolyte liquid being able to flow through the graphite felt.
  • the electrolyte can partially flow past the graphite felt in the area of a structured surface of the electrode and continue to flow through it.
  • 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.
  • An ion exchange takes place via the ion exchange membrane 9a, with electrical energy being released at the electrodes due to the redox reaction.
  • FIG. 7 shows an electrolytic 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 made of titanium (anode side) and a graphite felt (cathode side) adjacent to the catalyst layer 21a, 21b.
  • the fluid diffusion layers 22a, 22b are each arranged adjacent to a component 1e, 1f in the form of an electrically conductive plate.
  • the plates are made of high-grade steel and have a galvanically applied layer system 3 (compare FIG.
  • the plates also each have a three-dimensional structure 5, which forms flow channels 23a, 23b on the sides of the plates facing the fluid diffusion layers 22a, 22b, in order to allow reaction medium (water) to be supplied and reaction products (water, hydrogen, oxygen ) to improve.
  • 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 on both sides of components 1c, 1d in the form of bipolar plates.
  • Each bipolar plate has a metal substrate 2 with a galvanically applied layer system 3 (see FIG. 2).
  • the bipolar plate has an inflow area with openings 80a and an outlet area with further openings 80b, which serve to supply a fuel cell 90 with process gases and coolant and to discharge reaction products from the fuel cell 90 and coolant.
  • the bipolar plate also has a gas distributor structure 6 on each side, which is intended for contact with the polymer electrolyte membrane 9 .
  • FIGS. 1 to 8 are only intended to explain the invention by way of example. However, further electrochemical cells with at least one component designed according to the invention should be included in the idea of the invention.

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Abstract

The invention relates to a component (1) of an electrochemical cell (10), said component (1) comprising a metal substrate (2) and a layer system (3) that is at least partially electroplated onto the metal substrate (2); the layer system (3) optionally comprises a first layer (3a) disposed on the metal substrate (2), and comprises at least one second layer (3b) that is disposed on the metal substrate (2) or, if applicable, on the first layer (3a), the optional first layer (3a) being made of copper or nickel, and the at least one second layer (3b) being made of an alloy comprising at least two of the elements tin, copper, nickel, silver, zinc, bismuth, antimony, cobalt, manganese, tungsten, nonmetal particles comprising electrically conductive particles being incorporated into the alloy. The component (1) forms in particular an electrode for a redox flow cell (8) or a flow field plate for a fuel cell (90) or an electrolyser.

Description

Bauteil für eine elektrochemische Zelle, sowie component for an electrochemical cell, as well as
Redox-Flow-Zelle, Brennstoffzelle und Elektrolyseur Redox flow cell, fuel cell and electrolyser
Die Erfindung betrifft ein Bauteil für eine elektrochemische Zelle umfassend ein Me tallsubstrat und ein zumindest partiell auf dem Metallsubstrat galvanisch aufgebrach tes Schichtsystem, wobei das Schichtsystem eine auf dem Metallsubstrat angeordne te erste Schicht und eine auf der ersten Schicht angeordnete zweite Schicht umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin elektrochemische Zellen in Form von Redox-Flow- Zellen, Elektrolyseuren und Brennstoffzellen. The invention relates to a component for an electrochemical cell comprising a metal substrate and a layer system which is at least partially galvanically applied to the metal substrate, the layer system comprising a first layer arranged on the metal substrate and a second layer arranged on the first layer. The invention also relates to electrochemical cells in the form of redox flow cells, electrolyzers and fuel cells.
Wasserstoff stellt einen wichtigen Rohstoff für Schlüssel-Technologien im Hinblick auf eine zukünftige Energiespeicherung und Energiewandlung dar. Die Wasserelektrolyse basiert auf der Zerlegung von Wasser in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauer stoff (O2). Eine Wasserstoff-betriebene Brennstoffzelle erzeugt aus dem Wasserstoff elektrische Energie. Eine Reduzierung der Wasserstoff-Flerstellungskosten durch Elektrolyseure umfassend eine Polymerelektrolytmembrane (PEM-EL) sowie eine Re duzierung der Fierstellkosten der Komponenten einer Brennstoffzelle umfassend eine Polymerelektrolytmembrane (PEM-BZ) stellen eine Grundvoraussetzung für eine zu künftige effiziente Nutzung dieser Anlagen dar. Die Flauptkomponenten eines PEM- Elektrolyseur-Stacks/PEM-Brennstoffzellen-Stacks sind die Bipolarplatten (BiP), die Stromkollektoren beziehungsweise Fluiddiffusionslagen und die Membran-Elektroden- Einheit (MEA). Dabei steuern die Materialien und die Fierstellung der Bipolarplatten einen nicht unerheblichen Anteil zu den Fl erste II kosten der jeweiligen Stacks bei. Die wesentlichen Anforderungen an die Komponenten, wie die Bipolarplatten und Fluiddif fusionslagen, stellen in beiden Anwendungsfeldern eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig niedrigen Substrat- und Grenzflächenwiderständen dar. Hydrogen represents an important raw material for key technologies with regard to future energy storage and energy conversion. Water electrolysis is based on the decomposition of water into the components hydrogen (H2) and oxygen (O2). A hydrogen-powered fuel cell generates electrical energy from the hydrogen. A reduction in the hydrogen production costs using electrolysers comprising a polymer electrolyte membrane (PEM-EL) and a reduction in the production costs of the components of a fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane (PEM-BZ) represent a basic requirement for future efficient use of these systems. The main components of a PEM electrolyzer stacks/PEM fuel cell stacks are the bipolar plates (BiP), the current collectors or fluid diffusion layers and the membrane electrode assembly (MEA). The materials and the position of the bipolar plates make a not inconsiderable contribution to the costs of the respective stacks. In both fields of application, the essential requirements for the components, such as the bipolar plates and fluid diffusion layers, are high corrosion resistance combined with low substrate and interface resistances.
Bei der Elektrolyse bilden Titan- und Edelstahlplatten den Stand der Technik. Wäh rend das Einsatzfeld von Edelstahlplatten anodenseitig aufgrund hoher anliegender Oxidationspotentiale auf pFI-Bereiche um 7 beschränkt ist, können Titanplatten über einen breiten pFI-Bereich von 1 bis 7 eingesetzt werden. Kathodenseitig erweist sich Titan als nachteilig, da dieses zu einer Wasserstoffversprödung neigt. Des Weiteren zeigt sich im Betrieb von Elektrolyseur-Stacks mit Titanplatten ein Anstieg der ohm- sehen Verluste aufgrund der Oberflächenpassivierung. Vor diesem Hintergrund ist der Einsatz von Niob, Platin- oder Goldbeschichtungen von Titanplatten bekannt. Ein um fassender Einsatz von Edelstahl zur Ausbildung einer Bipolarplatte erfordert den Ein satz einer elektrochemisch stabilen, leitfähigen und insbesondere dichten, undurch dringlichen Beschichtung. Insbesondere soll eine Dichtheit gegenüber wässrigen Elektrolyten erreicht werden. Titanium and stainless steel plates are the state of the art in electrolysis. While the field of application of stainless steel plates on the anode side is limited to pFI ranges around 7 due to the high oxidation potentials present, titanium plates can be used over a wide pFI range from 1 to 7. On the cathode side, titanium proves to be disadvantageous since it tends to become hydrogen embrittlement. Furthermore, the operation of electrolyser stacks with titanium plates shows an increase in the ohmic see losses due to surface passivation. Against this background, the use of niobium, platinum or gold coatings on titanium plates is known. Comprehensive use of stainless steel to form a bipolar plate requires the use of an electrochemically stable, conductive and, in particular, dense, impenetrable coating. In particular, tightness with respect to aqueous electrolytes should be achieved.
Bei der PEM-BZ sind die vorliegenden Potentialfenster moderater und der pH-Bereich weitestgehend auf 3 beschränkt. Jedoch können lokal Betriebsbedingungen in der Zelle auftreten, die zu Potentialen >1,4 V NHE (Normalwasserstoffelektrode) führen können. Dies erfordert den Einsatz edelmetallhaltiger Schichten wie z.B. Ir, Ru oder Au, deren Materialkosten trotz Schichtdicken im nm-Bereich oberhalb des Zielkosten bereichs für Bipolarplatten von 3 $/kW liegen (allgemein anerkannte Zielvorgabe der Energiebehörde der USA, Department of Energy, für das Jahr 2025). In the case of PEM-BZ, the existing potential windows are more moderate and the pH range is largely limited to 3. However, local operating conditions can occur in the cell that can lead to potentials >1.4 V NHE (normal hydrogen electrode). This requires the use of layers containing precious metals such as Ir, Ru or Au, the material costs of which, despite layer thicknesses in the nm range, are above the target cost range for bipolar plates of $3/kW (generally recognized target of the US Department of Energy for the year 2025).
Die EP 3336942 A1 beschreibt ein Metallblech zur Ausbildung eines Separators für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Das metallische Substrat weist eine die Ober fläche des Substrats beschichtenden Film auf, mit einer inselförmigen Zwischen schicht zwischen dem Substrat und dem Film. Die Zwischenschicht umfasst wenigs tens ein Element aus der Gruppe umfassend Nickel, Kupfer, Silber, Gold, oder ist aus einer NiP-Legierung gebildet. Als ein Ausführungsbeispiel ist ein Substrat aus Edel stahl mit einer inselförmigen Zwischenschicht aus NiP und darauf einem elektroche misch aufgebrachten Film aus TiN-dispergiertem NhSn2 beschrieben. EP 3336942 A1 describes a metal sheet for forming a separator for a polymer electrolyte fuel cell. The metallic substrate has a film covering the surface of the substrate, with an island-shaped intermediate layer between the substrate and the film. The intermediate layer comprises at least one element from the group consisting of nickel, copper, silver, gold, or is formed from an NiP alloy. A substrate made of stainless steel with an island-shaped intermediate layer made of NiP and an electrochemically applied film made of TiN-dispersed NhSn2 is described as an exemplary embodiment.
Die JP 2010-272429 A offenbart einen Separator für eine Brennstoffzelle mit einem Substrat aus Kupfer oder einer Kupferlegierung beschichtet mit mindestens einer nasschemisch gebildeten ersten Schicht aus Zinn oder einer Zinnlegierung. Die erste Schicht kann einen leitenden Füllstoff, insbesondere in Form von Kohlenstoff, enthal ten. JP 2010-272429 A discloses a separator for a fuel cell with a substrate made of copper or a copper alloy coated with at least one wet-chemically formed first layer made of tin or a tin alloy. The first layer may contain a conductive filler, in particular in the form of carbon.
Die US 2019 / 0 148741 A1 beschreibt eine elektrochemische Vorrichtung wie eine Brennstoffzelle, eine Batterie, einen Elektrolyseur, eine Redox-Flussbatterie, umfas send ein beschichtetes Bauteil, das ein Substrat aus vorzugsweise einem Metall, wie Kupfer, Eisen, Titan, Aluminium, Nickel oder Edelstahl, aufweist. Das Substrat weist eine Beschichtung aus Zinn oder einer Zinn-Legierung, wie einer Zinn-Nicke- Legierung, einer Zinn-Antimon-Legierung, einer Zinn Nickel-Antimon-Legierung, sowie eine elektrisch leitende Beschichtung umfassend ein Kohlenstoff-basiertes Material und einen Azol-enthaltenden Korrosionsinhibitor auf. Flussbatteriesysteme als Spei chersysteme ermöglichen darüber hinaus eine nachhaltige Energieversorgung für sta tionäre und mobile Anwendungsfelder mittels erneuerbarer Energien. Um hohe Wir kungsgrade und Leistungsdichten zu erreichen, werden möglichst kompakte Batte riestacks angestrebt. Hohe Leistungsdichten stellen jedoch große Herausforderungen an die einzelnen Komponenten eines Batteriestacks dar. Einen neuen Ansatz stellt hier eine metallische Elektrode mit strukturierter Geometrie dar, um für eine homoge ne Verteilung eines Elektrolyten im Aktivbereich zu sorgen und gleichzeitig geringe Abstände zur Membrane zu ermöglichen. Auf der anderen Seite erfordern metallische Elektroden entsprechende Oberflächeneigenschaften, die den hohen Anforderungen an eine elektrochemische Stabilität, einen niedrigen Grenzflächenwiderstand sowie eine katalytische Aktivität gerecht werden. US 2019/0 148741 A1 describes an electrochemical device such as a fuel cell, a battery, an electrolyser, a redox flow battery, comprising a coated component that has a substrate preferably made of a metal such as copper, iron, titanium, aluminum, nickel or stainless steel. The substrate shows a coating of tin or a tin alloy such as a tin-nickel alloy, a tin-antimony alloy, a tin-nickel-antimony alloy, and an electroconductive coating comprising a carbon-based material and an azole-containing corrosion inhibitor on. Flow battery systems as storage systems also enable a sustainable energy supply for stationary and mobile fields of application using renewable energies. In order to achieve high efficiencies and power densities, battery stacks that are as compact as possible are sought. However, high power densities pose major challenges for the individual components of a battery stack. A metallic electrode with a structured geometry represents a new approach here, in order to ensure a homogeneous distribution of an electrolyte in the active area and at the same time enable small distances to the membrane. On the other hand, metallic electrodes require corresponding surface properties that meet the high requirements of electrochemical stability, low interfacial resistance and catalytic activity.
Bei einer Redox-Flow-Zelle werden häufig als Elektroden Kompositplatten umfassend Kunststoff und Graphit (Dicke ~0,5 - 0,6 mm) mit einer beidseitig aufgebrachten Ruß- Aktivbeschichtung (Dicke ~0,1 - 0,3 mm) eingesetzt, die trockengepresst oder nass chemisch aufgebracht wird. Damit ergibt sich eine Gesamtplattendicke der Elektrode von ~0,7 - 1 ,2 mm. Mit metallischen Platten lassen sich Dicken von < 0,5 mm in groß flächiger Dimensionierung erzielen. Es ist zudem anzunehmen, dass die Verarbeitbar keit von großflächigen metallischen Platten günstiger ausfällt im Vergleich zu spritz gegossenen Kunststoffrahmen mit grafitbasierten Elektroden. In a redox flow cell, composite plates comprising plastic and graphite (thickness ~0.5 - 0.6 mm) with a carbon black active coating applied on both sides (thickness ~0.1 - 0.3 mm) are often used as electrodes dry pressed or wet chemically applied. This results in a total plate thickness of the electrode of ~0.7-1.2 mm. With metal plates, thicknesses of < 0.5 mm can be achieved over a large area. It can also be assumed that the processability of large-area metallic plates turns out to be more favorable compared to injection-molded plastic frames with graphite-based electrodes.
Eine weitere Zellkonfiguration, wie beispielsweise bei der All-Vanadium Redox-Flow- Zelle, besteht aus zwei Bipolarplatten in Form von zwei Elektroden mit meist Graphit filz zur Vergrößerung der aktiven Oberfläche sowie einer Membran. Der Elektrolyt be steht aus in Schwefelsäure gelöstem Vanadium (pH < 1 ). Die Bipolarplatten (Dicke etwa 0,5 - 0,6 mm) werden üblicherweise als planare Platten aus reinem Graphit oder einem Graphit-Polymer-Compound eingesetzt. So zeichnen sich Bipolarplatten aus Polypropylen gefüllt mit Grafit oder Carbon-Nanotubes durch eine hohe Korrosionsbe ständigkeit und hohe Überspannungen für die Wasserstoffentstehungsreaktion (HER) aus. Gegenüber Bipolarplatten aus Graphitkompositen zeichnen sich metallische Bipolar platten durch ihre höhere elektrische Leitfähigkeit und höhere mechanische Stabilität beziehungsweise Festigkeit aus, die bei Zellkonfigurationen mit Graphitfilz zu einer höheren Leistungsfähigkeit und Effizienz aufgrund niedriger ohm’scher Verluste füh ren. Another cell configuration, such as the all-vanadium redox flow cell, consists of two bipolar plates in the form of two electrodes, usually with graphite felt to increase the active surface, and a membrane. The electrolyte consists of vanadium dissolved in sulfuric acid (pH < 1). The bipolar plates (thickness about 0.5 - 0.6 mm) are usually used as planar plates made of pure graphite or a graphite-polymer compound. Bipolar plates made of polypropylene filled with graphite or carbon nanotubes are characterized by high corrosion resistance and high overvoltages for the hydrogen generation reaction (HER). Compared to bipolar plates made of graphite composites, metallic bipolar plates are characterized by their higher electrical conductivity and higher mechanical stability or strength, which lead to higher performance and efficiency in cell configurations with graphite felt due to lower ohmic losses.
In den Anwendungsfällen PEM-EL, PEM-BZ, und Redox-Flow-Zelle sind jeweils elektrisch leitfähige, dichte Beschichtungen erforderlich. Diese nehmen die Funktion einer Barriereschicht ein und können durch zusätzliche darauf aufgebrachte Schichten im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit, insbesondere katalytische Wirksamkeit, ge steigert werden. Die Anforderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Elektrochemische Stabilität: pH-Bereich: 1-14 Electrically conductive, dense coatings are required in the PEM-EL, PEM-BZ and redox flow cell applications. These take on the function of a barrier layer and their performance, in particular catalytic effectiveness, can be increased by additional layers applied thereto. The requirements can be summarized as follows: Electrochemical stability: pH range: 1-14
Potentialbereich: -1 V NHE bis +3 V NHE (Kurzzeit: -2 V NHE bis +3 V NHE)Potential range: -1 V NHE to +3 V NHE (short-term: -2 V NHE to +3 V NHE)
Laufzeit: > 10000 h Running time: > 10000 h
Grenzflächenwiderstand: Interfacial Resistance:
< 10 mOhm cm2 (bei 100 N/cm2 Kontaktdruck) < 10 mOhm cm 2 (at 100 N/cm 2 contact pressure)
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil für eine elektrochemische Zelle bereitzustel len, welches diese Anforderungen an eine elektrochemische Stabilität und einen ge ringen Grenzflächenwiderstand erfüllt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrochemische Zelle in Form einer Redox-Flow-Zelle, eines Elektrolyseurs oder ei ne Brennstoffzelle mit einem solchen Bauteil bereitzustellen. It is the object of the invention to provide a component for an electrochemical cell which meets these requirements for electrochemical stability and low interfacial resistance. Furthermore, it is the object of the invention to provide an electrochemical cell in the form of a redox flow cell, an electrolyzer or a fuel cell with such a component.
Die Aufgabe wird für das Bauteil einer elektrochemischen Zelle, umfassend ein Me tallsubstrat und ein zumindest partiell auf dem Metallsubstrat galvanisch aufgebrach tes Schichtsystem, wobei das Schichtsystem optional eine auf dem Metallsubstrat an geordnete erste Schicht und eine auf dem Metallsubstrat oder, sofern vorhanden, auf der ersten Schicht angeordnete mindestens eine zweite Schicht umfasst, gelöst, in dem die optionale erste Schicht aus Kupfer oder Nickel gebildet ist und die mindes tens eine zweite Schicht aus einer Legierung umfassend mindestens zwei der Ele mente Zinn, Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Bismuth, Antimon, Kobalt, Mangan, Wolfram, gebildet ist, wobei in der Legierung nichtmetallische Partikel umfassend elektrisch leit fähige Partikel eingebunden vorliegen. The task is for the component of an electrochemical cell, comprising a metal substrate and a layer system which is at least partially galvanically applied to the metal substrate, the layer system optionally having a first layer arranged on the metal substrate and a first layer arranged on the metal substrate or, if present, on the at least one second layer arranged in the first layer, dissolved in which the optional first layer is formed from copper or nickel and the at least one second layer is made from an alloy comprising at least two of the elements tin, copper, nickel, silver, zinc, bismuth , antimony, cobalt, manganese, tungsten, is formed, wherein in the alloy non-metallic particles are comprehensively integrated electrically conductive particles.
Die elektrisch leitfähigen Partikel weisen dabei eine elektrische Leitfähigkeit in einem Temperaturbereich von 20 bis 25°C in einem Bereich von 0,25 mQcm2 bis 10 mQcm2 auf. The electrically conductive particles have an electrical conductivity in a temperature range from 20 to 25° C. in a range from 0.25 mΩcm 2 to 10 mΩcm 2 .
Derartige Bauteile weisen eine ausgezeichnete elektrochemische Stabilität auf, wie sie in elektrochemischen Zellen gefordert werden. Aufgrund der zudem geringen Grenzflächenwiderstände eigenen sich solche Bauteile insbesondere für die Ausbil dung von Elektroden einer Redox-Flow-Zelle, von Bipolarplatten für Brennstoffzellen und Elektrolyseure und von Fluiddiffusionslagen von Elektrolyseuren. Die Anwesen heit nichtmetallischer Partikel, welche eingebunden in die Legierung in der zweiten Schicht vorliegen, verbessert die mechanische Stabilität des Schichtsystems und er möglicht zudem, je nach Material der eingesetzten Partikel, eine weitere Verringerung des Grenzflächenwiderstandes und damit eine Steigerung der Effizienz der elektro chemischen Zelle. Such components have excellent electrochemical stability, as is required in electrochemical cells. Due to the low interfacial resistances, such components are particularly suitable for the construction of electrodes of a redox flow cell, of bipolar plates for fuel cells and electrolysers, and of fluid diffusion layers of electrolysers. The presence of non-metallic particles, which are integrated into the alloy in the second layer, improves the mechanical stability of the layer system and, depending on the material of the particles used, also enables a further reduction in the interface resistance and thus an increase in the efficiency of the electrochemical cell .
Die Werkstoffe Zinn und Nickel erwiesen sich thermodynamisch über einen breiten pH-Bereich aufgrund einer Bildung von Oxiden als stabil. Besonders bevorzugt ist da her eine Legierung aus einer Zinn-Nickel-Legierung mit einem Nickelgehalt im Bereich von 20 bis 30 Gew.-% gebildet. Ein derart geringer Nickelgehalt ist im Hinblick auf ei ne dadurch verringerte Nickel-Diffusion in die Membrane einer elektrochemischen Zel le von großem Vorteil, da dies zu einer Minimierung oder Verhinderung einer Nickel vergiftung der Membrane führt und damit einen Abfall der Zellleistung wirkungsvoll verhindert. Dadurch erwiesen sich zweite Schichten aus einer solchen Zinn-Nickel- Legierung mit darin dispergierten elektrisch leitfähigen Partikeln, insbesondere aus Kohlenstoff und/oder Graphit und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Kohlen stofffasern und/oder Ruß und/oder Graphen und/oder Graphenoxid, als langzeitstabi ler als Vergleichsschichten aus Gold. The materials tin and nickel proved to be thermodynamically stable over a wide pH range due to the formation of oxides. An alloy of a tin-nickel alloy with a nickel content in the range from 20 to 30% by weight is therefore particularly preferred. Such a low nickel content is of great advantage with regard to the reduced nickel diffusion into the membrane of an electrochemical cell, since this minimizes or prevents nickel poisoning of the membrane and thus effectively prevents a drop in cell performance. As a result, second layers made of such a tin-nickel alloy with electrically conductive particles dispersed therein, in particular made of carbon and/or graphite and/or carbon nanotubes and/or carbon fibers and/or soot and/or graphene and/or graphene oxide, proved to be effective more long-term stable than comparison layers made of gold.
Die Legierung ist alternativ aus einer Kupfer-Zinn-Legierung oder einer Zinn-Silber- Legierung oder einer Zinn-Zink-Legierung oder einer Zinn-Bismut-Legierung oder ei- ner Zinn-Antimon-Legierung oder einer Zinn-Kobalt- Legierung oder einer Nickel- Wolfram-Legierung oder einer Zinn-Mangan-Legierung gebildet. The alloy is alternatively made of a copper-tin alloy or a tin-silver alloy or a tin-zinc alloy or a tin-bismuth alloy or a Ner tin-antimony alloy or a tin-cobalt alloy or a nickel-tungsten alloy or a tin-manganese alloy formed.
Insbesondere SnCu hat sich als leistungsfähige Materialzusammensetzung in der Re- dox-Flow-Zelle bei einem Einsatz von alkalischen Elektrolyten gezeigt. SnCu in particular has proven to be an efficient material composition in the redox flow cell when using alkaline electrolytes.
Die erste Schicht ist aus Kupfer oder Nickel gebildet. Dies gewährleistet eine gute Haftung des Schichtsystems am Metallsubstrat. The first layer is made of copper or nickel. This ensures good adhesion of the layer system to the metal substrate.
Die nichtmetallischen Partikel umfassen vorzugsweise einen Anteil an elektrisch leit fähigen Partikeln, welche eine signifikante Senkung des Grenzflächenwiderstandes am Bauteil bewirken und insbesondere aus mindestens einem Material der Gruppe umfassend Kohlenstoff, Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstofffasern, Ruß, Graphen, Graphenoxid, Metallnitrid, Metallkarbid, gebildet sind. The non-metallic particles preferably include a proportion of electrically conductive particles, which bring about a significant reduction in the interfacial resistance of the component and are in particular formed from at least one material from the group comprising carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, soot, graphene, graphene oxide, metal nitride, metal carbide are.
Der Anteil an elektrisch leitfähigen Partikeln beträgt insbesondere mehr als 50% der nichtmetallischen Partikel. Es hat sich dabei gezeigt, dass die elektrisch leitfähigen Partikel, die aus der zweiten Schicht hervorragen, den elektrischen Kontakt zwischen der Membrane der elektrochemischen Zelle und den elektrischen Kontakten außer halb der elektrochemischen Zelle zuverlässig aufrecht erhalten, auch unter hochkorro siven Bedingungen. The proportion of electrically conductive particles is in particular more than 50% of the non-metallic particles. It has been shown that the electrically conductive particles protruding from the second layer reliably maintain the electrical contact between the membrane of the electrochemical cell and the electrical contacts outside the electrochemical cell, even under highly corrosive conditions.
Besonders bevorzugt ist eine Kombination einer Legierung aus einer Zinn-Nickel- Legierung mit einem Nickelgehalt im Bereich von 20 bis 30 Gew.-% mit darin disper gierten nichtmetallischen Partikeln aus mindestens einem Material der Gruppe umfas send Kohlenstoff, Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstofffasern, Ruß, Gra phen, Graphenoxid. Diese Legierung bildet an ihrer Oberfläche eine Oxidschicht als Passivierung aus, die besonders korrosionshemmend wirkt und die Langzeitstabilität der elektrochemischen Zelle erhöht. A combination of an alloy of a tin-nickel alloy with a nickel content in the range from 20 to 30% by weight with non-metallic particles dispersed therein made of at least one material from the group comprising carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon fibers and soot is particularly preferred , graphene, graphene oxide. This alloy forms an oxide layer on its surface as a passivation, which has a particularly corrosion-inhibiting effect and increases the long-term stability of the electrochemical cell.
Die nichtmetallischen Partikel können weiterhin einen Anteil an Partikeln umfassen, die aus einen nicht elektrisch leitenden Material gebildet sind, wie mindestens einem Material der Gruppe umfassend Metallsulfid, Metalloxid, Diamant, Glimmer, PTFE. The non-metallic particles can also include a proportion of particles formed from a non-electrically conductive material, such as at least one material from the group consisting of metal sulfide, metal oxide, diamond, mica, PTFE.
Als Metalloxide werden bevorzugt AI2O3, Be02, CdO, MgO, S1O2, T1O2, Zr02, Fe- Oxide und dergleichen. Eingesetzt. Als Metallkarbide werden bevorzugt SiC, WC, VC, TiC, O2C3, O3C2 und dergleichen eingesetzt. Als Metallnitride werden bevorzugt BN oder SiN und dergleichen eingesetzt. Besonders bevorzugt wird Kohlenstoff in Form von Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstofffasern, Ruß, Graphen oder auch in Form von Graphenoxid eingesetzt. Als Metallsulfide werden bevorzugt M0S2, MoS, NiFeS2 und dergleichen eingesetzt. Preferred metal oxides are Al 2 O 3 , BeO 2 , CdO, MgO, S 1 O 2 , T 1 O 2 , ZrO 2 , Fe oxides and the like. Deployed. Preferred metal carbides are SiC, WC, VC, TiC, O2C3, O3C2 and the like are used. BN or SiN and the like are preferably used as metal nitrides. Carbon is particularly preferably used in the form of graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, soot, graphene or also in the form of graphene oxide. M0S2, MoS, NiFeS2 and the like are preferably used as metal sulfides.
Eine bevorzugte Partikelgröße der nichtmetallischen Partikel liegt in einem Bereich von 100 nm bis 8 gm, insbesondere im Bereich von 500 nm bis 6 gm. Besonders be vorzugt werden Partikel im Nanometer-Bereich eingesetzt, die besonders stabil in ei nem Elektrolyten zur galvanischen Abscheidung der zweiten Schicht dispergierbar sind. Insbesondere ist die Partikelgröße so gewählt, dass diese aus der Oberfläche der mindestens einen zweiten Schicht herausragen und so den Kontakt zu einer Membran sicherstellen. A preferred particle size of the non-metallic particles is in a range from 100 nm to 8 μm, in particular in the range from 500 nm to 6 μm. Particles in the nanometer range are particularly preferably used, which are particularly stable in an electrolyte for the electrodeposition of the second Layer are dispersible. In particular, the particle size is chosen such that they protrude from the surface of the at least one second layer and thus ensure contact with a membrane.
Ein bevorzugter Volumenanteil an nichtmetallischen Partikeln in der zweiten Schicht liegt im Bereich von 2 bis 50 Vol.-%. Dies gewährleistet eine zuverlässige Bindung der Partikel in der metallischen Matrix. A preferred volume fraction of non-metallic particles in the second layer is in the range from 2 to 50% by volume. This ensures reliable binding of the particles in the metallic matrix.
Das Metallsubstrat ist vorzugsweise aus einem Material aus der Gruppe umfassend Edelstahl, wie die Sorten 1.4404 oder DC04, weiterhin Titan, eine Titan-Legierung, Aluminium, eine Aluminium-Legierung, eine überwiegend Zinn enthaltende Legierung, gebildet. In diesem Fall ist die erste Schicht zur Verbesserung der Haftung des Schichtsystems bevorzugt vorhanden. The metal substrate is preferably formed from a material from the group comprising stainless steel, such as grades 1.4404 or DC04, titanium, a titanium alloy, aluminum, an aluminum alloy, an alloy containing predominantly tin. In this case, the first layer is preferably present to improve the adhesion of the layer system.
Alternativ ist das Metallsubstrat aus einem Material aus der Gruppe umfassend Kup fer, eine Kupfer-Legierung, Nickel, eine Nickel-Legierung, einen niedriglegierten Koh lenstoffstahl, gebildet. Insbesondere ist das Metallsubstrat aus Kupfer oder Nickel ge bildet. In einem solchen Fall kann auf die erste Schicht auch verzichtet werden. Als ein niedriglegierter Kohlenstoffstahl hat sich 100Cr6 bewährt. Die optionale erste Schicht und die mindestens eine zweite Schicht sind durch galva nische Abscheidung gebildet. Mittels galvanischer Verfahren ist die Abscheidung von elektrolytdichten Schichten mit einer Schichtdicke >10 Mikrometer für den Einsatz bei der PEM-EL und Redox-flow-Zelle ohne weiteres möglich. Dadurch können galva nisch abgeschiedene, leitfähige und beständige Schichten auf metallischen Substra ten, wie Edelstahl, über ein breites pH- und Potentialfenster erreicht werden. Die nichtmetallischen Partikel werden in einem Elektrolyten zur Ausbildung der zweiten Schicht dispergiert und in die auf der ersten Schicht abgeschiedene Legierung unter Bildung der mindestens einen zweiten Schicht eingebunden. Alternatively, the metal substrate is formed from a material from the group consisting of copper, a copper alloy, nickel, a nickel alloy, and a low-alloy carbon steel. In particular, the metal substrate is made of copper or nickel. In such a case, the first layer can also be dispensed with. 100Cr6 has proven itself as a low-alloy carbon steel. The optional first layer and the at least one second layer are formed by electroplating. Electrolyte-tight layers with a layer thickness >10 micrometers can be deposited without further ado using galvanic processes for use in PEM-EL and redox flow cells. This means that galvanically deposited, conductive and resistant layers can be achieved on metallic substrates such as stainless steel over a wide pH and potential range. The non-metallic particles are dispersed in an electrolyte to form the second layer and incorporated into the alloy deposited on the first layer to form the at least one second layer.
Es kann/können eine einzelne zweite Schicht oder mehrere zweite Schichten überei nander aufgebracht werden. A single second layer or a plurality of second layers can be applied one on top of the other.
Insbesondere erfolgt die galvanische Abscheidung mittels eines sogenannten „Pulse Plating“-Verfahrens, bei dem die am Elektrolyten angelegte Spannung periodisch ab geschaltet oder umgepolt wird. Durch die beim Einschalten kurzzeitig erhaltenen Stromstöße werden vermehrt Keime für die Metallabscheidung gebildet und somit ei ne Grundlage für feinkörnige Niederschläge und Glanz geschaffen. In particular, the galvanic deposition is carried out using a so-called "pulse plating" process, in which the voltage applied to the electrolyte is periodically switched off or reversed. The short-term current surges when switching on increase the formation of nuclei for the metal deposition and thus create a basis for fine-grained deposits and gloss.
Das Metallsubstrat ist insbesondere in Form eines Metallblechs oder einer Metallfolie mit einer Dicke im Bereich von 0,05 bis 1 mm ausgebildet. Weiterhin kann das Metall blech oder die Metallfolie eingeprägte dreidimensionale Strukturen aufweisen, um die Oberfläche zu vergrößern und so die Kontaktfläche zu einem Fluid in einer elektro chemischen Zelle zu erhöhen. The metal substrate is in particular in the form of a metal sheet or a metal foil with a thickness in the range from 0.05 to 1 mm. Furthermore, the metal sheet or the metal foil can have embossed three-dimensional structures in order to increase the surface area and thus increase the contact area with a fluid in an electrochemical cell.
Die erste Schicht weist bevorzugt eine Schichtdicke von bis zu 5 pm, insbesondere im Bereich von bis zu 3 pm, auf. Die mindestens eine zweite Schicht weist bevorzugt ei ne Schichtdicke von bis zu 30 pm, insbesondere im Bereich von 5 bis 20 pm, auf. Die bevorzugte Gesamtschichtdicke des Schichtsystems beträgt < 10 pm und liegt insbe sondere im Bereich von 4 bis 8 pm. Eine dem Metallsubstrat abgewandte Oberfläche der zweiten Schicht, welche die Deckschicht des Schichtsystems bildet, ist insbesondere anodisiert. Mittels einer sol chen nachfolgenden Anodisierung ist eine gezielte Anreicherung des jeweiligen Legie rungselements in Form von Oxiden möglich (Oberflächenmodifikation). Dies wird durch Anlagen von Potentialen an in wässrige Elektrolyte eingetauchte Bauteile er reicht. The first layer preferably has a layer thickness of up to 5 μm, in particular in the range of up to 3 μm. The at least one second layer preferably has a layer thickness of up to 30 μm, in particular in the range from 5 to 20 μm. The preferred total layer thickness of the layer system is <10 μm and is in particular in the range from 4 to 8 μm. A surface of the second layer, which faces away from the metal substrate and forms the cover layer of the layer system, is in particular anodized. A targeted enrichment of the respective alloy element in the form of oxides (surface modification) is possible by means of such a subsequent anodization. This is achieved by applying potentials to components immersed in aqueous electrolytes.
Das erfindungsgemäße Bauteil ist vorzugsweise in Form einer Elektrode für eine Re- dox-Flow-Zelle ausgebildet, wobei das Schichtsystem das Metallsubstrat zumindest in einem Kontaktbereich zu einem Elektrolyten, gegebenenfalls weiterhin in einem Kon taktbereich mit einem mit Elektrolyt durchströmten Graphitfilz, der Redox-Flow-Zelle bedeckt. The component according to the invention is preferably in the form of an electrode for a redox flow cell, the layer system contacting the metal substrate at least in a contact area with an electrolyte, optionally also in a contact area with a graphite felt through which electrolyte flows, the redox flow -Cell covered.
Die Aufgabe wird weiterhin für eine Redox-Flow-Zelle, insbesondere Redox-Flow- Batterie, gelöst, umfassend die mindestens eine Elektrode für die Redox-Flow-Zelle und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mit einem pFI-Wert im Bereich von -1 bis 14. The object is also achieved for a redox flow cell, in particular redox flow battery, comprising at least one electrode for the redox flow cell and at least one electrolyte, in particular with a pFI value in the range from -1 to 14
Die Redox-Flow-Zelle umfasst bevorzugt mindestens zwei Elektroden, einen ersten Reaktionsraum und einen zweiten Reaktionsraum, wobei jeder Reaktionsraum in Kon takt mit einer der Elektroden steht und wobei die Reaktionsräume durch eine lonen- austauschmembran voneinander getrennt sind. In den Reaktionsräumen kann jeweils ein Graphitfilz angeordnet sein, der an die jeweilige Elektrode angrenzend angeordnet ist. The redox flow cell preferably 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. A graphite felt can be arranged in each of the reaction chambers, which felt is arranged adjacent to the respective electrode.
So werden zur Ausbildung einer Redox-Flow-Batterie bevorzugt mehr als 10, insbe sondere mehr als 50 Redox-Flow-Zellen elektrisch miteinander verschaltet eingesetzt. To form a redox flow battery, more than 10, in particular more than 50, redox flow cells that are electrically interconnected are used.
Als für eine Redox-Flow-Zelle oder eine Redox-Flow-Batterie geeigneter Anolyt wird hier beispielhaft genannt: An example of an anolyte suitable for a redox flow cell or a redox flow battery is:
1.4 M 7,8-Dihydroxyphenazin-2-sulfonsäure (kurz: DFIPS) gelöst in 1 molarer Natronlauge Als für eine Redox-Flow-Zelle oder eine Redox-Flow-Batterie geeigneter Katholyt wird hier beispielhaft genannt: 1.4 M 7,8-dihydroxyphenazine-2-sulfonic acid (short: DFIPS) dissolved in 1 molar sodium hydroxide solution The following is an example of a suitable catholyte for a redox flow cell or a redox flow battery:
0.31 M Kaliumhexacyanoferrat(ll) und 0.31 M Kaliumhexacyanoferrat(lll) gelöst in 2 molarer Natronlauge. 0.31 M potassium hexacyanoferrate(II) and 0.31 M potassium hexacyanoferrate(III) dissolved in 2 molar sodium hydroxide solution.
Es werden bevorzugt Elektrolyt-Kombinationen mit wässrigen Elektrolyten mit einer redox-aktiven organischen und/oder metallischen Spezies auf der Anolyt-Seite zur Bildung einer Redox-Flow-Zelle oder einer Redox-Flow-Batterie verwendet. Electrolyte combinations with aqueous electrolytes with a redox-active organic and/or metallic species on the anolyte side are preferably used to form a redox flow cell or a redox flow battery.
Als ein weiterer für die Redox-Flow-Zelle geeigneter Elektrolyt (Anolyt bzw. Katholyt) wird hier beispielhaft genannt: Another example of an electrolyte (anolyte or catholyte) suitable for the redox flow cell is:
1.6M VOSO4 bzw. V2(S04)3 gelöst in wässrig verdünnter Schwefelsäure (pH < 1). 1.6M VOSO4 or V2(S04)3 dissolved in aqueous diluted sulfuric acid (pH < 1).
Die Aufgabe wird weiterhin für eine Brennstoffzelle gelöst, umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form einer Bipolarplatte sowie mindestens eine Poly merelektrolytmembrane. The object is also achieved for 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.
Schließlich wird die Aufgabe für einen Elektrolyseur gelöst, umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form einer Bipolarplatte oder einer Fluiddiffusionslage sowie mindestens eine Polymerelektrolytmembrane. Der Elektrolyseur ist bevorzugt zur Elektrolyse von Wasser eingerichtet. Finally, the object is achieved for an electrolyzer comprising at least one component according to the invention in the form of a bipolar plate or a fluid diffusion layer and at least one polymer electrolyte membrane. The electrolyser is preferably set up for the electrolysis of water.
Folgende Beispiele sollen ein erfindungsgemäßes Bauteil erläutern: The following examples are intended to explain a component according to the invention:
Beispiel 1 : Example 1 :
Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnNi nichtmetallische Partikel: Graphit Metal substrate: Stainless steel Electroplated first layer: Copper or nickel Electroplated second layer (DC, Pulse Plating): Alloy: SnNi Non-metallic particles: Graphite
Beispiel 2: Example 2:
Metallsubstrat: Titan galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnAg nichtmetallische Partikel: Titannitrid und SiC Beispiel 3: Metal substrate: Titanium galvanically produced first layer: copper or nickel galvanically produced second layer (DC, pulse plating): alloy: SnAg non-metallic particles: titanium nitride and SiC Example 3:
Metallsubstrat: Kupfer galvanisch erzeugte erste Schicht: entfällt galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnCu nichtmetallische Partikel: Graphit und SiC Beispiel 4: Metal substrate: copper galvanically produced first layer: not applicable galvanically produced second layer (DC, pulse plating): alloy: SnCu non-metallic particles: graphite and SiC Example 4:
Metallsubstrat: Aluminium galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnZn nichtmetallische Partikel: Graphenoxid und S1O2 Beispiel 5: Metal substrate: Aluminum Electroplated first layer: Copper or nickel Electroplated second layer (DC, Pulse Plating): Alloy: SnZn Non-metallic particles: Graphene oxide and S1O2 Example 5:
Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnBi nichtmetallische Partikel: Graphen und WC Beispiel 6: Metal substrate: Stainless steel Electroplated first layer: Copper or nickel Electroplated second layer (DC, Pulse Plating): Alloy: SnBi Non-metallic particles: Graphene and WC Example 6:
Metallsubstrat: Titan galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnSb oder SnMn nichtmetallische Partikel: Ruß und Glimmer Metal substrate: titanium Electroplated first layer: copper or nickel Electroplated second layer (DC, pulse plating): Alloy: SnSb or SnMn Non-metallic particles: carbon black and mica
Beispiel 7: Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnCo nichtmetallische Partikel: Kohlenstoffnanoröhrchen und MgO Example 7: Metal substrate: stainless steel Electroplated first layer: copper or nickel Electroplated second layer (DC, pulse plating): alloy: SnCo non-metallic particles: carbon nanotubes and MgO
Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Metal substrate: Stainless steel Electroplated first layer: Copper or nickel Electroplated second layer (DC, pulse plating):
Legierung: NiW nichtmetallische Partikel: Graphit und M0S2 Alloy: NiW Non-metallic particles: Graphite and M0S2
Beispiel 9: Example 9:
Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Metal substrate: Stainless steel Electroplated first layer: Copper or nickel Electroplated second layer (DC, pulse plating):
Legierung: SnNi nichtmetallische Partikel: Graphit und SiC Alloy: SnNi Non-metallic particles: Graphite and SiC
Die Figuren 1 bis 8 zeigen beispielhaft Bauteile und deren Einsatz in elektrochemi schen Zellen. So zeigt FIGS. 1 to 8 show examples of components and their use in electrochemical cells. So shows
Figur 1 ein Bauteil umfassend ein Metallsubstrat und ein Schichtsystem; FIG. 1 shows a component comprising a metal substrate and a layer system;
Figur 2 das Bauteil gemäß Figur 1 im Schnittbild; FIG. 2 shows the component according to FIG. 1 in a sectional view;
Figur 3 ein weiteres Bauteil mit dreidimensionaler Strukturierung in der Seiten ansicht; FIG. 3 shows another component with a three-dimensional structure in a side view;
Figur 4 ein Bauteil mit integralem Metallsubstrat und erster Schicht; FIG. 4 shows a component with an integral metal substrate and first layer;
Figur 5 ein Bauteil in Form einer Elektrode mit einem dreidimensional strukturierten Flussfeld; FIG. 5 shows a component in the form of an electrode with a three-dimensionally structured flow field;
Figur 6 eine Redox-Flow-Zelle beziehungsweise eine Redox-Flow-Batterie mit einer Redox-Flow-Zelle, FIG. 6 a redox flow cell or a redox flow battery with a redox flow cell,
Figur 7 einen Elektrolyseur im Schnittbild und Figure 7 shows an electrolyzer in section and
Figur 8 einen Brennstoffzellenstapel in einer dreidimensionalen Ansicht. Figur 1 zeigt ein Bauteil 1 umfassend ein Metallsubstrat 2 und ein Schichtsystem 3 in der Draufsicht auf eine Oberfläche 4. FIG. 8 shows a fuel cell stack in a three-dimensional view. Figure 1 shows a component 1 comprising a metal substrate 2 and a layer system 3 in a plan view of a surface 4.
Figur 2 zeigt das Bauteil 1 gemäß Figur 1 im Schnittbild ll-ll. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Erkennbar ist nun das Metallsubstrat 2, hier beispielsweise aus Edelstahl, in Form eines Metallbleches. Das Metallblech ist beidseitig galvanisch mit einer ersten Schicht 3a aus Nickel beschichtet in einer Schichtdicke von 1 pm. Auf der ersten Schicht 3 befindet sich jeweils eine galvanisch aufgebrachte zweite Schicht 3b aus einer Zinn-Nickel-Legierung enthaltend nichtme tallische Partikel aus Graphit in einer Schichtdicke im Bereich von 5 pm. FIG. 2 shows the component 1 according to FIG. 1 in sectional view II-II. The same reference symbols as in FIG. 1 identify the same elements. The metal substrate 2 can now be seen, here for example made of stainless steel, in the form of a metal sheet. The metal sheet is galvanically coated on both sides with a first layer 3a made of nickel in a layer thickness of 1 μm. On the first layer 3 there is in each case a galvanically applied second layer 3b made of a tin-nickel alloy containing non-metallic particles of graphite in a layer thickness in the range of 5 μm.
Figur 3 zeigt ein weiteres Bauteil 1 ' mit dreidimensionaler Strukturierung 5 in der Sei tenansicht. Das Bauteil 1 ' umfasst ein hier nicht sichtbares Metallsubstrat 2, das all seitig von einem Schichtsystem 3 bedeckt ist FIG. 3 shows another component 1 ' with a three-dimensional structure 5 in a side view. The component 1 ' comprises a metal substrate 2, which is not visible here and which is covered on all sides by a layer system 3
Figur 4 zeigt ein Bauteil 1 " im Querschnitt, welches ein Metallsubstrat 2 aus Nickel aufweist. Das Metallsubstrat 2 bildet hier gleichzeitig die erste Schicht 3a aus. Die da rauf galvanische ausgebildete zweite Schicht 3b ist aus einer Zinn-Nickel-Legierung enthaltend nichtmetallische Partikel aus Graphit und SiC in einer Schichtdicke von 10 pm ausgebildet. FIG. 4 shows a component 1 ″ in cross section, which has a metal substrate 2 made of nickel. The metal substrate 2 simultaneously forms the first layer 3a here. The second layer 3b formed thereon galvanically is made of a tin-nickel alloy containing non-metallic particles Graphite and SiC formed in a layer thickness of 10 pm.
Figur 5 zeigt ein Bauteil 1 a in Form einer Elektrode in dreidimensionaler Ansicht um fassend ein Metallsubstrat 2 in Form eines Metallblechs aus Titan beschichtet mit ei nem Schichtsystem 3. In dem Metallsubstrat 2 ist eine dreidimensionale Strukturie rung 5 zur Ausbildung jeweils eines Flussfeldes 7 vorhanden, so dass eine Vergröße rung der Oberfläche der Elektrode resultiert, die in einer Redox-Flow-Zelle 8 (verglei che Figur 6) von einem Elektrolyten angeströmt werden soll. Figure 5 shows a component 1a in the form of an electrode in a three-dimensional view comprising a metal substrate 2 in the form of a metal sheet made of titanium coated with a layer system 3. In the metal substrate 2 there is a three-dimensional structure 5 for forming a flow field 7 in each case. so that an enlargement of the surface of the electrode results, onto which an electrolyte is to flow in a redox flow cell 8 (compare FIG. 6).
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 1a, 1b in Form von Elektroden (vergleiche Figur 5), einen ersten Reaktionsraum 10a und einen zweiten Reaktionsraum 10b, wobei jeder Reaktionsraum 10a, 10b in Kontakt mit einer der Elektroden steht. In den Reaktionsräumen 10a, 10b kann Graphitfilz, der hier nicht gesondert dargestellt ist, angeordnet sein. Die hier nicht sichtbaren Flussfelder 7 (ver- gleiche Figur 5) der Elektroden sind einer lonenaustauschmembran 9a, und sofern vorhanden dem jeweiligen Graphitfilz, zugewandt ausgerichtet. Die Reaktionsräume 10a, 10b sind durch die lonenaustauschmembran 9a voneinander getrennt. Der Gra phitfilz, sofern vorhanden, ist zumindest geringfügig komprimiert zwischen der jeweili gen Elektrode und der lonenaustauschmembran 9a eingebracht, wobei der Graphitfilz von Elektrolytflüssigkeit durchströmbar ist. Dabei kann der Elektrolyt im Bereich einer strukturierten Oberfläche der Elektrode teilweise am Graphitfilz vorbei und weiterhin durch diesen hindurch strömen. 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 11b wird aus einem Tank 13b über eine Pumpe 12b in den zweiten Reaktionsraum 10b gepumpt und zwischen dem Bauteil 1b und der lonenaustauschmembran 9a hin durchgeführt. Es erfolgt ein lonentausch über die lonenaustauschmembran 9a hin weg, wobei aufgrund der Redox-Reaktion an den Elektroden elektrische Energie frei wird. Figure 6 shows a redox flow cell 8 or a redox flow battery with a redox flow cell 8. The redox flow cell 8 includes two components 1a, 1b in the form of electrodes (see Figure 5), a first reaction space 10a and a second reaction space 10b, each reaction space 10a, 10b being in contact with one of the electrodes. Graphite felt, which is not shown separately here, can be arranged in the reaction spaces 10a, 10b. The river fields 7 (not visible here) same FIG. 5) of the electrodes are aligned to face an ion exchange membrane 9a and, if present, the respective graphite felt. The reaction spaces 10a, 10b are separated from one another by the ion exchange membrane 9a. The graphite felt, if present, is at least slightly compressed between the respective electrode and the ion exchange membrane 9a, with electrolyte liquid being able to flow through the graphite felt. The electrolyte can partially flow past the graphite felt in the area of a structured surface of the electrode and continue to flow through it. 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. An ion exchange takes place via the ion exchange membrane 9a, with electrical energy being released at the electrodes due to the redox reaction.
Figur 7 zeigt eine Elektrolysezelle 20 eines Elektrolyseurs umfassend eine Polymer elektrolytmembrane 9, welche eine Anodenseite A und eine Kathodenseite K vonei nander trennt. Beiderseits der Polymerelektrolytmembrane 9 ist jeweils eine Katalysa torschicht 21a, 21b umfassend jeweils ein Katalysatormaterial sowie eine Fluiddiffusi onslage 22a, 22b aus Titan (anodenseitig) und einem Graphitfilz (kathodenseitig) an die Katalysatorschicht 21a, 21b angrenzend angeordnet. Die Fluiddiffusionslagen 22a, 22b sind jeweils angrenzend an ein Bauteil 1 e, 1 f in Form einer elektrisch leitfähigen Platte angeordnet. Die Platten sind aus Edelstahl gebildet und weisen zumindest auf ihren den Fluiddiffusionslagen 22a, 22b zugewandten Seiten ein galvanisch aufge brachtes Schichtsystem 3 (vergleiche Figur 2) auf. Die Platten weisen weiterhin je weils eine dreidimensionale Strukturierung 5 auf, die Strömungskanäle 23a, 23b auf jeweils den Fluiddiffusionslagen 22a, 22b zugewandten Seiten der Platten ausbildet, um eine Zufuhr von Reaktionsmedium (Wasser) und eine Abfuhr von Reaktionspro dukten (Wasser, Wasserstoff, Sauerstoff) zu verbessern. FIG. 7 shows an electrolytic 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. On both sides of the polymer electrolyte membrane 9 is a catalyst layer 21a, 21b each comprising a catalyst material and a fluid diffusion layer 22a, 22b made of titanium (anode side) and a graphite felt (cathode side) adjacent to the catalyst layer 21a, 21b. The fluid diffusion layers 22a, 22b are each arranged adjacent to a component 1e, 1f in the form of an electrically conductive plate. The plates are made of high-grade steel and have a galvanically applied layer system 3 (compare FIG. 2) at least on their sides facing the fluid diffusion layers 22a, 22b. The plates also each have a three-dimensional structure 5, which forms flow channels 23a, 23b on the sides of the plates facing the fluid diffusion layers 22a, 22b, in order to allow reaction medium (water) to be supplied and reaction products (water, hydrogen, oxygen ) to improve.
Figur 8 zeigt schematisch einen Brennstoffzellenstapel 100 umfassend mehrere Brennstoffzellen 90. Jede Brennstoffzelle 90 umfasst eine Polymerelektrolytmembrane 9, die zu beiden Seiten von Bauteilen 1c, 1d in Form von Bipolarplatten benachbart ist. Eine jede Bipolarplatte weist ein Metallsubstrat 2 mit einem galvanisch aufge brachten Schichtsystem 3 (vergleiche Figur 2) auf. Die Bipolarplatte weist einen Ein- strömbereich mit Öffnungen 80a sowie einen Auslassbereich mit weiteren Öffnungen 80b auf, die zur Versorgung einer Brennstoffzelle 90 mit Prozessgasen und Kühlmittel und zur Abführung von Reaktionsprodukten aus der Brennstoffzelle 90 und Kühlmittel dienen. Die Bipolarplatte weist weiterhin auf jeder Seite eine Gasverteilerstruktur 6 auf, die zur Anlage an die Polymerelektrolytmembrane 9 vorgesehen ist. Die Figuren 1 bis 8 sollen die Erfindung lediglich beispielhaft erläutern. Es sollen je doch weitere elektrochemische Zellen mit mindestens einem erfindungsgemäß aus gebildeten Bauteil vom Erfindungsgedanken umfasst sein. 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 on both sides of components 1c, 1d in the form of bipolar plates. Each bipolar plate has a metal substrate 2 with a galvanically applied layer system 3 (see FIG. 2). The bipolar plate has an inflow area with openings 80a and an outlet area with further openings 80b, which serve to supply a fuel cell 90 with process gases and coolant and to discharge reaction products from the fuel cell 90 and coolant. The bipolar plate also has a gas distributor structure 6 on each side, which is intended for contact with the polymer electrolyte membrane 9 . FIGS. 1 to 8 are only intended to explain the invention by way of example. However, further electrochemical cells with at least one component designed according to the invention should be included in the idea of the invention.
Bezuqszeichenliste Reference character list
1, r, 1", 1 a, 1b, 1c, 1 d, 1e, 1f Bauteil 2 Metallsubstrat 1, r, 1 " , 1 a, 1b, 1c, 1 d, 1e, 1f component 2 metal substrate
3 Schichtsystem 3 layer system
3a erste Schicht 3a first layer
3b zweite Schicht 3b second layer
4 Oberfläche 4 surface
5 dreidimensionale Strukturierung5 three-dimensional structuring
6 Gasverteilerstruktur 6 gas distribution structure
7 Flussfeld 7 river field
8 Redox-Flow-Zelle 9 Polymerelektrolytmembrane8 redox flow cell 9 polymer electrolyte membrane
9a lonentauschermembran9a ion exchange membrane
10a erster Reaktionsraum 10a first reaction space
10b zweiter Reaktionsraum 10b second reaction space
11a Anolyt 11a anolyte
11b Katholyt 11b catholyte
12a, 12b Pumpe 13a, 13b Tank 20 Elektrolysezelle 12a, 12b pump 13a, 13b tank 20 electrolytic cell
21a, 21b Katalysatorschicht 22a, 22b Fluiddiffusionsschicht 23a, 23b Strömungskanäle 80a, 80b Öffnungen 90 Brennstoffzelle 100 Brennstoffzellenstapel A Anodenseite K Kathodenseite 21a, 21b catalyst layer 22a, 22b fluid diffusion layer 23a, 23b flow channels 80a, 80b openings 90 fuel cell 100 fuel cell stack A anode side K cathode side

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Bauteil (1) einer elektrochemischen Zelle (10), umfassend ein Metallsubstrat (2) und ein zumindest partiell auf dem Metallsubstrat (2) galvanisch aufgebrachtes Schichtsystem (3), wobei das Schichtsystem (3) optional eine auf dem Metallsubstrat (2) angeordnete erste Schicht (3a) und eine auf dem Metallsubstrat (2) oder, sofern vorhanden, auf der ersten Schicht (3a) angeordnete mindestens eine zweite Schicht (3b) umfasst, wobei die optionale erste Schicht (3a) aus Kupfer oder Nickel gebildet ist und die mindestens eine zweite Schicht (3b) aus einer Legierung umfassend mindes tens zwei der Elemente Zinn, Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Bismuth, Antimon, Kobalt, Mangan, Wolfram, gebildet ist, wobei in der Legierung nichtmetallische Partikel um fassend elektrisch leitfähige Partikel eingebunden vorliegen. 1. Component (1) of an electrochemical cell (10), comprising a metal substrate (2) and a layer system (3) which is at least partially galvanically applied to the metal substrate (2), the layer system (3) optionally having a layer system on the metal substrate (2) arranged first layer (3a) and on the metal substrate (2) or, if present, on the first layer (3a) arranged at least one second layer (3b), wherein the optional first layer (3a) is formed of copper or nickel and the at least one second layer (3b) is formed from an alloy comprising at least two of the elements tin, copper, nickel, silver, zinc, bismuth, antimony, cobalt, manganese, tungsten, wherein the alloy contains non-metallic particles comprising electrically conductive particles present integrated.
2. Bauteil (1) nach Anspruch 1, wobei die Legierung aus einer Zinn-Nickel-Legierung mit einem Nickelgehalt im Bereich von 20 bis 30 Gew.-% gebildet ist. 2. Component (1) according to claim 1, wherein the alloy is formed from a tin-nickel alloy with a nickel content in the range from 20 to 30% by weight.
3. Bauteil (1) nach Anspruch 1, wobei die Legierung aus einer Kupfer-Zinn-Legierung oder einer Zinn-Silber-Legierung oder einer Zinn-Zink-Legierung oder einer Zinn- Bismut-Legierung oder einer Zinn-Antimon-Legierung oder einer Zinn-Kobalt- Legie rung oder einer Nickel-Wolfram-Legierung oder einer Zinn-Mangan-Legierung gebildet ist. 3. Component (1) according to claim 1, wherein the alloy of a copper-tin alloy or a tin-silver alloy or a tin-zinc alloy or a tin-bismuth alloy or a tin-antimony alloy or one Tin-cobalt alloy tion or a nickel-tungsten alloy or a tin-manganese alloy is formed.
4. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die nichtmetallischen Partikel einen Anteil an elektrisch leitfähigen Partikeln umfassen, die aus mindestens einem Material der Gruppe umfassend Kohlenstoff, Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Koh lenstofffasern, Ruß, Graphen, Graphenoxid, Metallnitrid, Metallkarbid, gebildet sind. 4. Component (1) according to one of claims 1 to 3, wherein the non-metallic particles comprise a proportion of electrically conductive particles consisting of at least one material from the group comprising carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, carbon black, graphene, graphene oxide, metal nitride , metal carbide, are formed.
5. Bauteil nach Anspruch 4, wobei die nichtmetallischen Partikel weiterhin einen Anteil an Partikeln umfassen, die aus mindestens einem Material der Gruppe umfassend Metallsulfid, Diamant, Metalloxid, Glimmer, PTFE, gebildet sind. 5. The component of claim 4, wherein the non-metallic particles further comprise a proportion of particles formed from at least one material from the group consisting of metal sulfide, diamond, metal oxide, mica, PTFE.
6. Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Metallsubstrat (2) aus ei nem Material aus der Gruppe umfassend Edelstahl, Titan, eine Titan-Legierung, Alu minium, eine Aluminium-Legierung, eine überwiegend Zinn enthaltende Legierung, gebildet ist und die erste Schicht (3a) vorhanden ist. 6. Component (1) according to one of claims 1 to 5, wherein the metal substrate (2) consists of egg nem material from the group consisting of stainless steel, titanium, a titanium alloy, aluminum minium, an aluminum alloy, an alloy containing predominantly tin , is formed and the first layer (3a) is present.
7. Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Metallsubstrat (2) aus ei nem Material aus der Gruppe umfassend Kupfer, eine Kupfer-Legierung, Nickel, eine Nickel-Legierung, niedriglegierten Kohlenstoffstahl, gebildet ist und keine erste Schicht (3a) vorhanden ist. 7. Component (1) according to one of claims 1 to 5, wherein the metal substrate (2) is formed from egg nem material from the group comprising copper, a copper alloy, nickel, a nickel alloy, low-alloy carbon steel and no first Layer (3a) is present.
8. Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Schicht (3a) eine Schichtdicke von bis zu 5 pm aufweist. 8. Component (1) according to any one of claims 1 to 7, wherein the first layer (3a) has a layer thickness of up to 5 μm.
9. Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mindestens eine zweite Schicht (3b) eine Schichtdicke von bis zu 30 pm aufweist. 9. Component (1) according to any one of claims 1 to 8, wherein the at least one second layer (3b) has a layer thickness of up to 30 μm.
10. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine dem Metallsubstrat (2) abgewandte Oberfläche (4) der mindestens einen zweiten Schicht (3b) anodisiert ist. 10. Component (1) according to one of claims 1 to 9, wherein a metal substrate (2) facing away from the surface (4) of the at least one second layer (3b) is anodized.
11. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Form einer Elektrode für eine Redox-Flow-Zelle (8), wobei das Schichtsystem (3) das Metallsubstrat (2) zumindest in einem Kontaktbereich zu einem Elektrolyten der Redox-Flow-Zelle (8) bedeckt. 11. Component (1) according to one of claims 1 to 10 in the form of an electrode for a redox flow cell (8), wherein the layer system (3) the metal substrate (2) at least in a contact area to an electrolyte of the redox flow -Cell (8) covered.
12. Redox-Flow-Zelle (8), insbesondere Redox-Flow-Batterie, umfassend mindestens eine Elektrode nach Anspruch 11 und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mit einem pH-Wert im Bereich von -1 bis 14. 12. Redox flow cell (8), in particular redox flow battery, comprising at least one electrode according to claim 11 and at least one electrolyte, in particular with a pH in the range from -1 to 14.
13. Redox-Flow-Zelle (8) nach Anspruch 12, umfassend mindestens zwei Elektroden, einen ersten Reaktionsraum (10a) und einen zweiten Reaktionsraum (10b), wobei je der Reaktionsraum (10a, 10b) in Kontakt mit einer der Elektroden steht und wobei die Reaktionsräume (10a, 10b) durch eine lonenaustauschmembran (9a) voneinander ge trennt sind. 13. Redox flow cell (8) according to claim 12, comprising at least two electrodes, a first reaction space (10a) and a second reaction space (10b), each of the reaction space (10a, 10b) being in contact with one of the electrodes and the reaction chambers (10a, 10b) being separated from one another by an ion exchange membrane (9a).
14. Brennstoffzelle (90) umfassend mindestens ein Bauteil (1) nach einem der An sprüche 1 bis 9 in Form einer Bipolarplatte sowie mindestens eine Polymerelektrolyt membrane (9). 14. Fuel cell (90) comprising at least one component (1) according to any one of claims 1 to 9 in the form of a bipolar plate and at least one polymer electrolyte membrane (9).
15. Elektrolyseur, insbesondere zur Elektrolyse von Wasser, umfassend mindestens ein Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Form einer Bipolarplatte oder einer Fluiddiffusionslage (22a, 22b) sowie mindestens eine Polymerelektrolytmembrane (9). 15. Electrolyzer, in particular for the electrolysis of water, comprising at least one component according to one of claims 1 to 10 in the form of a bipolar plate or a fluid diffusion layer (22a, 22b) and at least one polymer electrolyte membrane (9).
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