EP4677665A1 - 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

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Publication number
EP4677665A1
EP4677665A1 EP24710621.4A EP24710621A EP4677665A1 EP 4677665 A1 EP4677665 A1 EP 4677665A1 EP 24710621 A EP24710621 A EP 24710621A EP 4677665 A1 EP4677665 A1 EP 4677665A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
alloy
tin
component
nickel
Prior art date
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Pending
Application number
EP24710621.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Etschel
Bertram Haag
Jan-Peter Viktor SCHINZEL
Christopher Kalb
Mehmet OETE
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
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Filing date
Publication date
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Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4677665A1 publication Critical patent/EP4677665A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
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    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products

Definitions

  • Component for an electrochemical cell as well as redox flow cell, fuel cell and electrolyzer
  • the invention relates to a component of an electrochemical cell, comprising a metal substrate and a layer system applied at least partially to the metal substrate by galvanic and/or chemical means, wherein the layer system optionally comprises a first layer arranged on the metal substrate and at least one second layer arranged on the metal substrate or, if present, on the first layer, wherein the optional first layer is formed from copper or nickel and the at least one second layer is formed from an alloy comprising at least two of the elements tin, copper, nickel, silver, zinc, bismuth, antimony, cobalt, manganese, tungsten, tantalum, niobium, wherein non-metallic particles comprising electrically conductive particles are incorporated in the alloy.
  • the invention further relates to electrochemical cells in the form of redox flow cells, electrolyzers and fuel cells.
  • Hydrogen is 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 its components hydrogen (H2) and oxygen (O2).
  • a hydrogen-powered fuel cell generates electrical energy from the hydrogen.
  • Reducing the hydrogen production costs through electrolyzers comprising a polymer electrolyte membrane (PEM-EL) and reducing the production costs of the components of a fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane (PEM-FC) are a basic prerequisite for the future efficient use of these systems.
  • the main components of a PEM electrolyzer stack/PEM fuel cell stack are the bipolar plates (BiP), the current collectors or fluid diffusion layers and the membrane electrode assembly (MEA).
  • the materials and the production of the bipolar plates contribute a not insignificant proportion to the production costs of the respective stacks.
  • the essential requirements for the components, such as the bipolar plates and fluid diffusion layers, in both application areas 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 pH ranges around 7 due to the high oxidation potentials involved, titanium plates can be used over a wide pH range from 1 to 7. On the cathode side, titanium proves to be disadvantageous because it tends to become brittle due to hydrogen. Furthermore, the operation of electrolyzer stacks with titanium plates shows an increase in ohmic losses due to surface passivation.
  • EP 3 336 942 A1 describes a metal sheet for forming a separator for a polymer electrolyte fuel cell.
  • the metallic substrate has a film coating 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 comprising nickel, copper, silver, gold, or is formed from a 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 NisSn2 is described.
  • JP 2010-272 429 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 can contain a conductive filler, in particular in the form of carbon.
  • US 2019 / 0 148 741 A1 describes an electrochemical device such as a fuel cell, a battery, an electrolyzer, 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 has 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 electrically conductive coating comprising a carbon-based material and an azole-containing corrosion inhibitor.
  • Flow battery systems as storage systems also enable a sustainable energy supply for stationary and mobile applications using renewable energies.
  • a new approach here is a metallic electrode with a structured geometry 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 for 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 (thickness ⁇ 0.1 - 0.3 mm) applied on both sides, which is dry-pressed or wet-chemically applied, are often used as electrodes. This results in a total plate thickness of the electrode of ⁇ 0.7 - 1.2 mm.
  • thicknesses of ⁇ 0.5 mm can be achieved in large-area dimensions. It can also be assumed that the processability The cost of large-area metallic plates is 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 formation reaction (HER).
  • bipolar plates made of graphite composites metallic bipolar plates are characterized by their higher electrical conductivity and higher mechanical stability or strength, which in cell configurations with graphite felt lead to higher performance and efficiency due to low ohmic losses.
  • Electrochemical stability pH range: 1-14
  • an electrochemical cell comprising a metal substrate and a layer system applied at least partially to the metal substrate galvanically and/or chemically, wherein the layer system optionally comprises a first layer arranged on the metal substrate and at least one second layer arranged on the metal substrate or, if present, on the first layer, wherein the optional first layer is formed from copper or nickel and the at least one second layer is formed from an alloy comprising at least two of the elements tin, copper, nickel, silver, zinc, bismuth, antimony, cobalt, manganese, tungsten, tantalum, niobium, wherein non-metallic particles comprising electrically conductive particles are incorporated in the alloy, in that on the free side of the at least one second layer of the layer system facing away from the metal substrate, which is optionally treated with an oxygen plasma and oxidized, a cover layer is formed which is either a) formed from a metal carbide or a metal nitride or an amorphous carbon or b) from at
  • the electrically conductive particles have an electrical conductivity in a temperature range of 20 to 25°C in a range of 0.25 mQcm 2 to 10 mQcm 2 .
  • Such components have excellent electrochemical stability, as required in electrochemical cells. Due to the low interfacial resistance, such components are particularly suitable for the formation of electrodes in redox flow cells, bipolar plates for fuel cells and electrolyzers and of fluid diffusion layers of electrolyzers.
  • the presence of non-metallic particles, which are embedded in the alloy in the second layer, improves the mechanical stability of the layer system and also enables, depending on the material of the particles used, a further reduction in the interfacial resistance and thus an increase in the efficiency of the electrochemical cell.
  • the surface of the second layer is oxidized.
  • the surface of the second layer is oxidized by exposing it to an oxygen plasma.
  • the oxygen plasma ensures a dense and compact oxide layer on the surface of the second layer.
  • oxidation of the surface of the second layer by anodization is also possible.
  • the cover layer is formed from a metal carbide containing at least one of the metals from the group comprising tungsten, cobalt, chromium, nickel.
  • the cover layer is formed from a metal nitride in the form of silicon nitride or a silicon nitride doped with boron and carbon.
  • the cover layer is formed from an amorphous carbon (according to VDI Guideline No. 2840 from 2012, Table 1), wherein hydrogen-free and hydrogen-containing amorphous carbon layers provided with metallic and/or non-metallic doping elements are to be included.
  • Possible doping elements X are one or more elements from the group comprising Ti, Nb, W, Zr, Ta, Hf, Mo, Cu, Si, Pt, Pd, Ru, Ir, Ag, B, N, P, F, H, 0, where 0 ⁇ X ⁇ 20 at.%.
  • the cover layer is preferably formed using a PVD or CVD process.
  • the cover layer is formed from at least one self-organizing organic monolayer, which is formed in particular from a fatty acid derivative or alkyl-phosphonic acid derivative with a chain length of 5 to 30 carbon atoms.
  • a fatty acid derivative or alkyl-phosphonic acid derivative with a chain length of 5 to 30 carbon atoms.
  • Both the fatty acid derivative and the alkyl-phosphonic acid derivative can preferably be present with perfluorinated alkyl chains or partially fluorinated alkyl chains or with completely unsubstituted alkyl chains.
  • the cover layer is formed from at least one polymer, in particular from a polymer with perfluorinated chains, such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the cover layer is preferably formed using a spraying or doctor blade process.
  • the cover layer in case b) can also be formed using a spin-casting process or a dipping process.
  • the materials tin and nickel proved to be thermodynamically stable over a wide pH range due to the formation of oxides.
  • An alloy made of a tin-nickel alloy with a nickel content in the range of 20 to 35 wt.% is therefore particularly preferred.
  • Such a low nickel content is of great advantage in terms of reduced nickel diffusion into the membrane of an electrochemical cell, as this leads to a minimization or prevention of 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 more stable in the long term than comparable layers made of gold.
  • the alloy is alternatively formed from 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 a tin-cobalt alloy or a nickel-tungsten alloy or a tin-manganese alloy or a tin-tantalum alloy or a tin-niobium alloy or a tin-nickel-niobium alloy or a tin-nickel-tantalum alloy or a tin-tantalum-niobium alloy.
  • tin-tantalum alloy or tin-niobium alloy or tin-nickel-niobium alloy or tin-nickel-tantalum alloy or tin-tantalum-niobium alloy are particularly preferred.
  • SnCu 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 comprise a proportion of electrically conductive particles which bring about a significant reduction in the interfacial resistance on 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.
  • the proportion of electrically conductive particles is 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.
  • Particularly preferred is a combination of an alloy of a tin-nickel alloy with a nickel content in the range of 20 to 35 wt.% with non-metallic particles dispersed therein of at least one material from the group comprising carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, carbon black, graphene, graphene oxide.
  • This alloy forms an oxide layer on its surface as Passivation, which has a particularly corrosion-inhibiting effect and increases the long-term stability of the electrochemical cell.
  • the non-metallic particles may further comprise a proportion of particles formed from a non-electrically conductive material, such as at least one material from the group comprising metal sulfide, metal oxide, diamond, mica, PTFE.
  • a non-electrically conductive material such as at least one material from the group comprising metal sulfide, metal oxide, diamond, mica, PTFE.
  • AI2O3, BeO2, CdO, MgO, SiC>2, TiC>2, ZrÜ2, Fe oxides and the like are used as metal oxides.
  • SiC, WC, VC, TiC, Cr2Cs, CrsC2 and the like are used as metal carbides.
  • BN or SiN and the like are used as metal nitrides.
  • carbon is used in the form of graphite, carbon nanotubes, carbon fibers, soot, graphene or in the form of graphene oxide.
  • M0S2, MoS, NiFeS2 and the like are used as metal sulfides.
  • a preferred particle size of the non-metallic particles is in a range from 100 nm to 8 pm, in particular in the range from 500 nm to 6 pm. Particular preference is given to using particles in the nanometer range that can be dispersed particularly stably in an electrolyte for the galvanic deposition of the second layer. In particular, the particle size is selected 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 of 2 to 50 vol.%. This ensures reliable binding of the particles in the metallic matrix.
  • the metal substrate is preferably made of a material from the group comprising stainless steel, such as grades 1.4404 or DC04, furthermore titanium, a titanium alloy, Aluminium, an aluminium alloy, an alloy containing predominantly tin.
  • the first layer is preferably present to improve the adhesion of the layer system.
  • the metal substrate is made of a material from the group comprising copper, a copper alloy, nickel, a nickel alloy, a low-alloy carbon steel.
  • the metal substrate is made of copper or nickel.
  • the first layer can also be omitted.
  • 100Cr6 has proven to be a good low-alloy carbon steel.
  • the optional first layer and the at least one second layer are formed by galvanic and/or chemical deposition.
  • galvanic processes the deposition of electrolyte-tight layers with a layer thickness of >10 micrometers for use in PEM-EL and redox flow cells is easily possible. This makes it possible to achieve galvanically deposited, conductive and resistant layers on metallic substrates, such as stainless steel, over a wide pH and potential window.
  • 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 several second layers can be applied on top of each 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 pulses received when switching on increase the number of nuclei for metal deposition, thus creating a basis for fine-grained deposits and shine.
  • a chemical application of the layer system comprising the optional first layer and the at least one second layer is understood to mean an autocatalytic deposition, wherein the deposited alloy itself catalyzes the further deposition, so that the depositable layer thickness is not limited from a process point of view.
  • the metal substrate is in particular in the form of a metal sheet or a metal foil with a thickness in the range of 0.05 to 1 mm. Furthermore, the metal sheet or the metal foil can have embossed three-dimensional structures in order to enlarge the surface 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 pm, in particular in the range of up to 3 pm.
  • the at least one second layer preferably has a layer thickness of up to 30 pm, in particular in the range of 5 to 20 pm.
  • the cover layer preferably has a layer thickness in the range from 1 nm to 1 pm.
  • the layer thickness of the cover layer is preferably in the range from 1 nm to 100 nm.
  • the preferred total layer thickness of the layer system is ⁇ 10 pm and is in particular in the range from 4 to 8 pm.
  • the component according to the invention is preferably designed in the form of an electrode for a redox flow cell, wherein the layer system covers the metal substrate at least in a contact area with an electrolyte, optionally further in a contact area with a graphite felt through which electrolyte flows, of the redox flow cell.
  • a redox flow cell in particular a redox flow battery, comprising at least one electrode for the redox flow cell and at least one electrolyte, in particular with a pH value in the range from -1 to 14.
  • the redox flow cell preferably comprises at least two electrodes, a first reaction chamber and a second reaction chamber, each reaction chamber being in contact with one of the electrodes and the reaction chambers being separated from one another by an ion exchange membrane.
  • a graphite felt can be arranged in each of the reaction chambers, which is arranged adjacent to the respective electrode.
  • redox flow battery preferably more than 10, in particular more than 50 redox flow cells are used, electrically interconnected.
  • DHPS 7,8-dihydroxyphenazine-2-sulfonic acid
  • 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.
  • the object is further 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.
  • 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 electrolyzer is preferably designed for the electrolysis of water.
  • Metal substrate Stainless steel Electroplated first layer: Copper or nickel Electroplated second layer (DC, Pulse Plating):
  • Titanium electroplated first layer Copper or nickel electroplated second layer (DC, Pulse Plating):
  • Alloy SnAg non-metallic particles: titanium nitride and SiC
  • Metal substrate copper electroplated first layer: not applicable electroplated second layer (DC, Pulse Plating):
  • Top layer tungsten carbide
  • Metal substrate Aluminium electroplated first layer: Copper or nickel electroplated second layer (DC, Pulse Plating):
  • SnZn non-metallic particles graphene oxide and SiO2
  • Oxidation of the free surface of the second layer e.g. in oxygen plasma: Yes
  • Metal substrate stainless steel electroplated first layer: copper or nickel electroplated second layer (DC, pulse plating): alloy: SnBi non-metallic particles: graphene and WC
  • Titanium electroplated first layer Copper or nickel electroplated second layer (DC, Pulse Plating):
  • Alloy SnSb or SnMn non-metallic particles: soot and mica
  • Metal substrate stainless steel electroplated first layer: copper or nickel galvanically produced second layer (DC, Pulse Plating):
  • SnCo non-metallic particles carbon nanotubes and MgO
  • top layer silicon nitride
  • 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):
  • Metal substrate stainless steel galvanically or chemically produced first layer: copper or nickel autocatalytically (chemically) produced second layer:
  • Metal substrate stainless steel galvanically or chemically produced first layer: copper or nickel autocatalytically (chemically) produced second layer: alloy: SnNiNb or SnNbTa or SnNiTa non-metallic particles: graphite
  • FIGS 1 to 8 show examples of components and their use in electrochemical cells.
  • Figure 1 shows a component comprising a metal substrate and a layer system
  • Figure 2 shows the component according to Figure 1 in a sectional view
  • Figure 3 shows another component with three-dimensional structuring in side view
  • Figure 4 shows a component with an integral metal substrate and first layer
  • Figure 5 shows a component in the form of an electrode with a three-dimensionally structured flow field
  • Figure 6 a redox flow cell or a redox flow battery with a redox flow cell
  • Figure 7 shows an electrolyzer in cross-section
  • Figure 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 (see Figure 2) as well as a cover layer 33 in a plan view of a surface 4a.
  • Figure 2 shows the component 1 according to Figure 1 in section ll-ll.
  • the same reference symbols as in Figure 1 identify the same elements.
  • the metal substrate 2 can now be seen, here made of stainless steel, for example, in the form of a metal sheet.
  • the metal sheet is Electroplated on both sides with a first layer 3a made of nickel with a layer thickness of 1 pm.
  • a second layer 3b made of a tin-nickel alloy containing non-metallic particles of graphite with a layer thickness in the range of 5 pm.
  • the surface 4b of the second layer 3a is treated in an oxygen plasma and oxidized.
  • On the layer system 3 made of first layer 3a and second layer 3b there is a cover layer 33 made of PTFE with a layer thickness of 5 nm.
  • Figure 3 shows a further component 1 ' with three-dimensional structuring 5 in side view.
  • the component 1 ' comprises a metal substrate 2, not visible here, which is covered on all sides by a layer system 3 and a cover layer 33
  • Figure 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.
  • the second layer 3b galvanically formed thereon is made of a tin-nickel alloy containing non-metallic particles of graphite and SiC 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 and a cover layer 33.
  • a three-dimensional structuring 5 for forming a flow field 7, so that an enlargement of the surface of the electrode results, which is to be flowed by an electrolyte in a redox flow cell 8 (see Figure 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 comprises two components 1a, 1b in the form of electrodes (see Figure 5), a first reaction chamber 10a and a second reaction chamber 10b, each reaction chamber 10a, 10b being in contact with one of the electrodes.
  • Graphite felt which is not shown separately here, can be arranged in the reaction chambers 10a, 10b.
  • the flow fields 7 (not visible here)
  • the electrodes (same figure 5) are oriented towards 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 inserted at least slightly compressed between the respective electrode and the ion exchange membrane 9a, whereby electrolyte liquid can flow through the graphite felt. In the area of a structured surface of the electrode, the electrolyte can partially flow past the graphite felt and continue to flow through it.
  • a liquid anolyte 11a is pumped from a tank 13a into the first reaction space 10a via a pump 12a 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 across the ion exchange membrane 9a, whereby electrical energy is released due to the redox reaction at the electrodes.
  • 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 made of titanium (anode side) and a graphite felt (cathode side) is arranged 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 stainless steel and have a galvanically applied layer system 3 and a cover layer 33 (see Figure 2) at least on their sides facing the fluid diffusion layers 22a, 22b.
  • the plates further each have a three-dimensional structuring 5, which forms flow channels 23a, 23b on the sides of the plates facing the fluid diffusion layers 22a, 22b in order to improve a supply of reaction medium (water) and a removal of reaction products (water, hydrogen, oxygen).
  • Figure 8 shows a schematic of 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 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 and a cover layer 33 (see Figure 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 remove reaction products from the fuel cell 90 and coolant.
  • the bipolar plate also has a gas distribution structure 6 on each side, which is intended to be in contact with the polymer electrolyte membrane 9.
  • FIGS. 1 to 8 are intended to illustrate the invention merely by way of example. However, further electrochemical cells with at least one component designed according to the invention are intended to be included in the inventive concept.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (1 ) einer elektrochemischen Zelle (10), umfassend ein Metallsubstrat (2) und ein zumindest partiell auf dem Metallsubstrat (2) galvanisch und/oder chemisch 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 mindestens zwei der Elemente Zinn, Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Bismuth, Antimon, Kobalt, Mangan, Wolfram, Tantal, Niob, gebildet ist, wobei in der Legierung nichtmetallische Partikel umfassend elektrisch leitfähige Partikel eingebunden vorliegen. Auf der dem Metallsubstrat (2) abgewandten freien Seite der mindestens einen zweiten Schicht (3b) des Schichtsystems (3), welche optional oxidiert ist, ist eine Deckschicht (33) gebildet, die entweder a) aus einem Metallkarbid oder einem Metallnitrid oder einem amorphem Kohlenstoff gebildet ist oder b) aus mindestens einer selbstorganisierenden organischen Monolage oder mindestens einem Polymer gebildet ist.

Description

Bauteil für eine elektrochemische Zelle, sowie Redox-Flow-Zelle, Brennstoffzelle und Elektrolyseur
Die Erfindung betrifft ein Bauteil einer elektrochemischen Zelle, umfassend ein Metallsubstrat und ein zumindest partiell auf dem Metallsubstrat galvanisch und/oder chemisch aufgebrachtes Schichtsystem, wobei das Schichtsystem optional eine auf dem Metallsubstrat angeordnete erste Schicht und eine auf dem Metallsubstrat oder, sofern vorhanden, auf der ersten Schicht angeordnete mindestens eine zweite Schicht umfasst, wobei die optionale erste Schicht aus Kupfer oder Nickel gebildet ist und die mindestens eine zweite Schicht aus einer Legierung umfassend mindestens zwei der Elemente Zinn, Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Bismuth, Antimon, Kobalt, Mangan, Wolfram, Tantal, Niob, gebildet ist, wobei in der Legierung nichtmetallische Partikel umfassend elektrisch leitfähige Partikel eingebunden vorliegen. Die Erfindung betrifft weiterhin elektrochemische Zellen in Form von Redox-Flow-Zellen, Elektrolyseuren und Brennstoffzellen.
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 Sauerstoff (O2). Eine Wasserstoff-betriebene Brennstoffzelle erzeugt aus dem Wasserstoff elektrische Energie. Eine Reduzierung der Wasserstoff-Herstellungskosten durch Elektrolyseure umfassend eine Polymerelektrolytmembrane (PEM-EL) sowie eine Reduzierung der Herstellkosten der Komponenten einer Brennstoffzelle umfassend eine Polymerelektrolytmembrane (PEM-BZ) stellen eine Grundvoraussetzung für eine zukünftige effiziente Nutzung dieser Anlagen dar. Die Hauptkomponenten 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 Herstellung der Bipolarplatten einen nicht unerheblichen Anteil zu den Herstellkosten der jeweiligen Stacks bei. Die wesentlichen Anforderungen an die Komponenten, wie die Bipolarplatten und Fluiddiffusionslagen, stellen in beiden Anwendungsfeldern eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig niedrigen Substrat- und Grenzflächenwiderständen dar. Bei der Elektrolyse bilden Titan- und Edelstahlplatten den Stand der Technik. Während das Einsatzfeld von Edelstahlplatten anodenseitig aufgrund hoher anliegender Oxidationspotentiale auf pH-Bereiche um 7 beschränkt ist, können Titanplatten über einen breiten pH-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 ohmschen Verluste aufgrund der Oberflächenpassivierung. Vor diesem Hintergrund ist der Einsatz von Niob, Platin- oder Goldbeschichtungen von Titanplatten bekannt. Ein umfassender Einsatz von Edelstahl zur Ausbildung einer Bipolarplatte erfordert den Einsatz einer elektrochemisch stabilen, leitfähigen und insbesondere dichten, undurchdringlichen Beschichtung. Insbesondere soll eine Dichtheit gegenüber wässrigen Elektrolyten erreicht werden.
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 Zielkostenbereichs für Bipolarplatten von 3 $/kW liegen (allgemein anerkannte Zielvorgabe der Energiebehörde der USA, Department of Energy, für das Jahr 2025).
Die WO 2023 274 441 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, beschreibt zum Teil Bauteile und elektrochemische Zellen der eingangs genannten Art.
Die EP 3 336 942 A1 beschreibt ein Metallblech zur Ausbildung eines Separators für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Das metallische Substrat weist eine die Oberfläche des Substrats beschichtenden Film auf, mit einer inselförmigen Zwischenschicht zwischen dem Substrat und dem Film. Die Zwischenschicht umfasst wenigstens ein Element aus der Gruppe umfassend Nickel, Kupfer, Silber, Gold, oder ist aus einer NiP-Legierung gebildet. Als ein Ausführungsbeispiel ist ein Substrat aus Edelstahl mit einer inselförmigen Zwischenschicht aus NiP und darauf einem elektrochemisch aufgebrachten Film aus TiN-dispergiertem NisSn2 beschrieben. Die JP 2010-272 429 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, enthalten.
Die US 2019 / 0 148 741 A1 beschreibt eine elektrochemische Vorrichtung wie eine Brennstoffzelle, eine Batterie, einen Elektrolyseur, eine Redox-Flussbatterie, umfassend 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 Speichersysteme ermöglichen darüber hinaus eine nachhaltige Energieversorgung für stationäre und mobile Anwendungsfelder mittels erneuerbarer Energien. Um hohe Wirkungsgrade und Leistungsdichten zu erreichen, werden möglichst kompakte Batteriestacks 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 homogene 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.
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 nasschemisch 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 großflächiger 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.
Eine weitere Zellkonfiguration, wie beispielsweise bei der All-Vanadium Redox-Flow- Zelle, besteht aus zwei Bipolarplatten in Form von zwei Elektroden mit meist Graphitfilz zur Vergrößerung der aktiven Oberfläche sowie einer Membran. Der Elektrolyt besteht 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 Korrosionsbeständigkeit und hohe Überspannungen für die Wasserstoffentstehungsreaktion (HER) aus.
Gegenüber Bipolarplatten aus Graphitkompositen zeichnen sich metallische Bipolarplatten 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 führen.
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, gesteigert werden. Die Anforderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Elektrochemische Stabilität: pH-Bereich: 1-14
Potentialbereich: -1 V NHE bis +3 V NHE (Kurzzeit: -2 V NHE bis +3 V NHE)
Laufzeit: > 10000 h
Grenzflächenwiderstand:
< 10 mOhm cm2 (bei 100 N/cm2 Kontaktdruck) Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil für eine elektrochemische Zelle bereitzustellen, welches diese Anforderungen an eine elektrochemische Stabilität und einen geringen Grenzflächenwiderstand in verbesserter Form erfüllt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrochemische Zelle in Form einer Redox-Flow-Zelle, eines Elektrolyseurs oder eine Brennstoffzelle mit einem solchen Bauteil bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für das Bauteil einer elektrochemischen Zelle, umfassend ein Metallsubstrat und ein zumindest partiell auf dem Metallsubstrat galvanisch und/oder chemisch aufgebrachtes Schichtsystem, wobei das Schichtsystem optional eine auf dem Metallsubstrat angeordnete erste Schicht und eine auf dem Metallsubstrat oder, sofern vorhanden, auf der ersten Schicht angeordnete mindestens eine zweite Schicht umfasst, wobei die optionale erste Schicht aus Kupfer oder Nickel gebildet ist und die mindestens eine zweite Schicht aus einer Legierung umfassend mindestens zwei der Elemente Zinn, Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Bismuth, Antimon, Kobalt, Mangan, Wolfram, Tantal, Niob, gebildet ist, wobei in der Legierung nichtmetallische Partikel umfassend elektrisch leitfähige Partikel eingebunden vorliegen, dadurch gelöst, dass auf der dem Metallsubstrat abgewandten freien Seite der mindestens einen zweiten Schicht des Schichtsystems, welche optional mit einem Sauerstoffplasma behandelt und oxidiert ist, eine Deckschicht gebildet ist, die entweder a) aus einem Metallkarbid oder einem Metal Initrid oder einem amorphem Kohlenstoff gebildet ist oder b) aus mindestens einer selbstorganisierenden organischen Monolage oder mindestens einem Polymer gebildet ist.
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.
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 Ausbildung von Elektroden einer Redox-Flow-Zelle, von Bipolarplatten für Brennstoffzellen und Elektrolyseure und von Fluiddiffusionslagen von Elektrolyseuren. Die Anwesenheit nichtmetallischer Partikel, welche eingebunden in die Legierung in der zweiten Schicht vorliegen, verbessert die mechanische Stabilität des Schichtsystems und ermöglicht zudem, je nach Material der eingesetzten Partikel, eine weitere Verringerung des Grenzflächenwiderstandes und damit eine Steigerung der Effizienz der elektrochemischen Zelle.
Bevorzugt wird die Oberfläche der zweiten Schicht oxidiert. Insbesondere werden dabei nur die oberflächlich angesiedelten Atome der zweiten Schicht oxidiert und die zweite Schicht damit für eine haftfeste Anbindung der Deckschicht aktiviert. Bevorzugt wird die Oberfläche der zweiten Schicht oxidiert, indem diese einem Sauerstoffplasma ausgesetzt wird. Das Sauerstoffplasma sorgt für eine dichte und kompakte Oxid- schicht auf der Oberfläche der zweiten Schicht. Aber auch eine Oxidation der Oberfläche der zweiten Schicht durch eine Anodisierung ist möglich.
Gemäß Fall a) ist die Deckschicht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Metallkarbid enthaltend mindestens eines der Metalle der Gruppe umfassend Wolfram, Kobalt, Chrom, Nickel, gebildet.
Gemäß Fall a) ist die Deckschicht in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform aus einem Metallnitrid in Form von Sil iziumnitrid oder eines mit Bor und Kohlenstoff dotierten Siliziumnitrids gebildet.
Gemäß Fall a) ist die Deckschicht in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform aus einem amorphem Kohlenstoff (gemäß VDI-Richtlinie Nr. 2840 aus 2012, Tabelle 1 ) gebildet, wobei Wasserstoff-freie und Wasserstoff-haltige amorphe Kohlenstoffschichten, mit metallischen und/oder nicht-metallischen Dotierelementen versehen, umfasst sein sollen. Als Dotierelemente X kommen eines oder mehrere Elemente der Gruppe umfassend Ti, Nb, W, Zr, Ta, Hf, Mo, Cu, Si, Pt, Pd, Ru, Ir, Ag, B, N, P, F, H, 0, in Frage, wobei 0 < X < 20 at.-% gilt. Insbesondere ist die amorphe Kohlenstoffschicht in Form einer tetraedrischen amorphen Kohlenstoffschicht vom Typ ta-C:X mit mindestens einem Dotierelement X = Ti, Nb, W, Zr, Ta, Hf, Mo, Cu, Si, Pt, Pd, Ru, Ir, Ag, B, N, P, F, H, 0, ausgebildet, wobei 0 < X < 20 at.-% gilt. Die Deckschicht ist gemäß Fall a) bevorzugt in einem PVD oder CVD-Verfahren ausgebildet.
Gemäß Fall b) ist die Deckschicht in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform aus mindestens einer selbstorganisierenden organischen Monolage gebildet, die insbesondere aus einem Fettsäurederivat oder Alkyl-Phosphonsäurederivat mit einer Kettenlänge von 5 bis 30 Kohlenstoffatomen gebildet ist. Sowohl das Fettsäurederivat wie auch das Alkyl-Phosphonsäurederivat können dabei vorzugsweise mit perfl uorierten Alkylketten oder teilweise fluorierten Alkylketten oder mit komplett unsubstituierten Alkylketten vorliegen.
Gemäß Fall b) ist die Deckschicht in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform aus mindestens einem Polymer gebildet, insbesondere aus einem Polymer mit perfluorier- ten Ketten, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE).
Die Deckschicht ist gemäß Fall b) bevorzugt in einem Sprüh- oder Aufrakel-Verfahren ausgebildet. Alternativ kann die Deckschicht in Fall b) auch in einem Schleudergießverfahren oder Tauchverfahren gebildet werden.
Die Werkstoffe Zinn und Nickel erwiesen sich thermodynamisch über einen breiten pH-Bereich aufgrund einer Bildung von Oxiden als stabil. Besonders bevorzugt ist daher eine Legierung aus einer Zinn-Nickel-Legierung mit einem Nickelgehalt im Bereich von 20 bis 35 Gew.-% gebildet. Ein derart geringer Nickelgehalt ist im Hinblick auf eine dadurch verringerte Nickel-Diffusion in die Membrane einer elektrochemischen Zelle von großem Vorteil, da dies zu einer Minimierung oder Verhinderung einer Nickelvergiftung 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 Kohlenstofffasern und/oder Ruß und/oder Graphen und/oder Graphenoxid, als langzeitstabiler als Vergleichsschichten aus 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 einer Zinn-Antimon-Legierung oder einer Zinn-Kobalt- Legierung oder einer Nickel- Wolfram-Legierung oder einer Zinn-Mangan-Legierung oder einer Zinn-Tantal- Legierung oder einer Zinn-Niob-Legierung oder einer Zinn-Nickel-Niob-Legierung oder einer Zinn-Nickel-Tantal-Legierung oder einer Zinn-Tantal-Niob-Legierung gebildet. Besonders bevorzugt sind hieraus die Zinn-Tantal-Legierung oder Zinn-Niob- Legierung oder Zinn-Nickel-Niob-Legierung oder Zinn-Nickel-Tantal-Legierung oder Zinn-Tantal-Niob-Legierung.
Insbesondere SnCu hat sich als leistungsfähige Matenalzusammensetzung in der Re- dox-Flow-Zelle bei einem Einsatz von alkalischen Elektrolyten gezeigt.
Die erste Schicht ist aus Kupfer oder Nickel gebildet. Dies gewährleistet eine gute Haftung des Schichtsystems am Metallsubstrat.
Die nichtmetallischen Partikel umfassen vorzugsweise einen Anteil an elektrisch leitfähigen 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.
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 außerhalb der elektrochemischen Zelle zuverlässig aufrecht erhalten, auch unter hochkorrosiven Bedingungen.
Besonders bevorzugt ist eine Kombination einer Legierung aus einer Zinn-Nickel- Legierung mit einem Nickelgehalt im Bereich von 20 bis 35 Gew.-% mit darin dispergierten nichtmetallischen Partikeln aus mindestens einem Material der Gruppe umfassend Kohlenstoff, Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstofffasern, Ruß, Graphen, Graphenoxid. Diese Legierung bildet an ihrer Oberfläche eine Oxidschicht als Passivierung aus, die besonders korrosionshemmend wirkt und die Langzeitstabilität der elektrochemischen Zelle erhöht.
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.
Als Metalloxide werden bevorzugt AI2O3, BeO2, CdO, MgO, SiC>2, TiC>2, ZrÜ2, Fe- Oxide und dergleichen. Eingesetzt. Als Metallkarbide werden bevorzugt SiC, WC, VC, TiC, Cr2Cs, CrsC2 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.
Eine bevorzugte Partikelgröße der nichtmetallischen Partikel liegt in einem Bereich von 100 nm bis 8 pm, insbesondere im Bereich von 500 nm bis 6 pm. Besonders bevorzugt werden Partikel im Nanometer-Bereich eingesetzt, die besonders stabil in einem 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.
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.
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.
Alternativ ist das Metallsubstrat aus einem Material aus der Gruppe umfassend Kupfer, eine Kupfer-Legierung, Nickel, eine Nickel-Legierung, einen niedriglegierten Kohlenstoffstahl, gebildet. Insbesondere ist das Metallsubstrat aus Kupfer oder Nickel gebildet. 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 galvanische und/oder chemische 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 galvanisch abgeschiedene, leitfähige und beständige Schichten auf metallischen Substraten, 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.
Es kann/können eine einzelne zweite Schicht oder mehrere zweite Schichten übereinander aufgebracht werden.
Insbesondere erfolgt die galvanische Abscheidung mittels eines sogenannten „Pulse Plating“-Verfahrens, bei dem die am Elektrolyten angelegte Spannung periodisch abgeschaltet oder umgepolt wird. Durch die beim Einschalten kurzzeitig erhaltenen Stromstöße werden vermehrt Keime für die Metallabscheidung gebildet und somit eine Grundlage für feinkörnige Niederschläge und Glanz geschaffen. Unter einer chemischen Aufbringung des Schichtsystems umfassend die optionale erste Schicht und die mindestens eine zweite Schicht wird eine autokatalytische Abscheidung verstanden, wobei die abgeschiedene Legierung selbst die weitere Abscheidung katalysiert, so dass die abscheidbare Schichtdicke aus Verfahrenssicht nicht limitiert ist.
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 Metallblech oder die Metallfolie eingeprägte dreidimensionale Strukturen aufweisen, um die Oberfläche zu vergrößern und so die Kontaktfläche zu einem Fluid in einer elektrochemischen Zelle zu erhöhen.
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 eine Schichtdicke von bis zu 30 pm, insbesondere im Bereich von 5 bis 20 pm, auf.
Die Deckschicht weist bevorzugt eine Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 1 pm auf. Für den Fall b) liegt die Schichtdicke der Deckschicht bevorzugt im Bereich von 1 nm bis 100 nm. Die bevorzugte Gesamtschichtdicke des Schichtsystems beträgt < 10 pm und liegt insbesondere im Bereich von 4 bis 8 pm.
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 Kontaktbereich mit einem mit Elektrolyt durchströmten Graphitfilz, der Redox-Flow-Zelle bedeckt.
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 pH-Wert im Bereich von -1 bis 14. Die Redox-Flow-Zelle umfasst bevorzugt 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 lonen- austauschmembran voneinander getrennt sind. In den Reaktionsräumen kann jeweils ein Graphitfilz angeordnet sein, der an die jeweilige Elektrode angrenzend angeordnet ist.
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 und/oder metallischen Spezies auf der Anolyt-Seite zur Bildung einer Redox-Flow-Zelle oder einer Redox-Flow-Batterie verwendet.
Als ein weiterer für die Redox-Flow-Zelle geeigneter Elektrolyt (Anolyt bzw. Katholyt) wird hier beispielhaft genannt:
1 ,6M VOSO4 bzw. V2(SO4)3 gelöst in wässrig verdünnter Schwefelsäure (pH < 1 ).
Die Aufgabe wird weiterhin für eine Brennstoffzelle gelöst, umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form einer Bipolarplatte sowie mindestens eine Polymerelektrolytmembrane. 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.
Folgende Beispiele sollen ein erfindungsgemäßes Bauteil erläutern:
Beispiel 1 :
Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating):
Legierung: SnNi nichtmetallische Partikel: Graphit
Oxidation der freien Oberfläche der zweiten Schicht, z.B. im Sauerstoffplasma: Ja Deckschicht:
(12, 12, 13, 13, 14, 14, 15, 15, 16, 16, 17, 17, 18, 18, 18- pentadecafluoro-octadecyl)- phosphonsäure
Beispiel 2:
Metallsubstrat: Titan galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating):
Legierung: SnAg nichtmetallische Partikel: Titannitrid und SiC
Oxidation der freien Oberfläche der zweiten Schicht, z.B. im Sauerstoffplasma: Ja Deckschicht: (3, 3, 4, 4, 5, 5, 6, 6, 7, 7, 8, 8, 9, 9, 10,10,10- heptadecafluoro)- decylphosphonsäure
Beispiel 3:
Metallsubstrat: Kupfer galvanisch erzeugte erste Schicht: entfällt galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating):
Legierung: SnCu nichtmetallische Partikel: Graphit und SiC Oxidation der freien Oberfläche der zweiten Schicht: Nein
Deckschicht: Wolframkarbid
Metallsubstrat: Aluminium galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating):
Legierung: SnZn nichtmetallische Partikel: Graphenoxid und SiÜ2
Oxidation der freien Oberfläche der zweiten Schicht, z.B. im Sauerstoffplasma: Ja
Deckschicht: (3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10- heptadecafluorodecyl)-carbonsäure
Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnBi nichtmetallische Partikel: Graphen und WC
Oxidation der freien Oberfläche der zweiten Schicht: Nein
Deckschicht: PVDF
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
Oxidation der freien Oberfläche der zweiten Schicht: Nein
Deckschicht: ta-C:H (= tetraedrischer amorpher Kohlenstoff dotiert mit Wasserstoff)
Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating):
Legierung: SnCo nichtmetallische Partikel: Kohlenstoffnanoröhrchen und MgO
Oxidation der freien Oberfläche der zweiten Schicht: Nein
Deckschicht: Siliziumnitrid
Beispiel 8:
Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating):
Legierung: NiW nichtmetallische Partikel: Graphit und M0S2
Oxidation der freien Oberfläche der zweiten Schicht: Nein
Deckschicht: PTFE
Beispiel 9:
Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating):
Legierung: SnNi nichtmetallische Partikel: Graphit und SiC
Oxidation der freien Oberfläche der zweiten Schicht: Nein
Deckschicht: ta-C:H (= tetraedrischer amorpher Kohlenstoff dotiert mit Wasserstoff)
Beispiel 10:
Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch oder chemisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel autokatalytisch (chemisch) erzeugte zweite Schicht:
Legierung: SnTa oder SnNb nichtmetallische Partikel: Graphit
Oxidation der freien Oberfläche der zweiten Schicht: Ja
Deckschicht: ta-C:H (= tetraedrischer amorpher Kohlenstoff dotiert mit Wasserstoff) Beispiel 11 :
Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch oder chemisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel autokatalytisch (chemisch) erzeugte zweite Schicht: Legierung: SnNiNb oder SnNbTa oder SnNiTa nichtmetallische Partikel: Graphit
Oxidation der freien Oberfläche der zweiten Schicht: Ja
Deckschicht: ta-C:H (= tetraedrischer amorpher Kohlenstoff dotiert mit Wasserstoff)
Die Figuren 1 bis 8 zeigen beispielhaft Bauteile und deren Einsatz in elektrochemischen Zellen. So zeigt
Figur 1 ein Bauteil umfassend ein Metallsubstrat und ein Schichtsystem;
Figur 2 das Bauteil gemäß Figur 1 im Schnittbild;
Figur 3 ein weiteres Bauteil mit dreidimensionaler Strukturierung in der Seitenansicht;
Figur 4 ein Bauteil mit integralem Metallsubstrat und erster Schicht;
Figur 5 ein Bauteil in Form einer Elektrode mit einem dreidimensional strukturierten 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 umfassend ein Metallsubstrat 2 und ein Schichtsystem 3 (vergleiche Figur 2) sowie eine Deckschicht 33 in der Draufsicht auf eine Oberfläche 4a.
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 nichtmetallische Partikel aus Graphit in einer Schichtdicke im Bereich von 5 pm. Die Oberfläche 4b der zweiten Schicht 3a ist in einem Sauerstoffplasma behandelt und oxidiert. Auf dem Schichtsystem 3 aus erster Schicht 3a und zweiter Schicht 3b befindet sich eine Deckschicht 33 aus PTFE in einer Schichtdicke von 5 nm.
Figur 3 zeigt ein weiteres Bauteil 1 ' mit dreidimensionaler Strukturierung 5 in der Seitenansicht. Das Bauteil 1 ' umfasst ein hier nicht sichtbares Metallsubstrat 2, das allseitig von einem Schichtsystem 3 und einer Deckschicht 33 bedeckt ist
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 darauf 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. Darauf befindet sich eine Deckschicht 33 aus Siliziumnitrid in einer Schichtdicke von 0,1 pm.
Figur 5 zeigt ein Bauteil 1a in Form einer Elektrode in dreidimensionaler Ansicht umfassend ein Metallsubstrat 2 in Form eines Metallblechs aus Titan beschichtet mit einem Schichtsystem 3 und einer Deckschicht 33. In dem Metallsubstrat 2 ist eine dreidimensionale Strukturierung 5 zur Ausbildung jeweils eines Flussfeldes 7 vorhanden, so dass eine Vergrößerung der Oberfläche der Elektrode resultiert, die in einer Redox- Flow-Zelle 8 (vergleiche Figur 6) 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 1a, 1 b 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 Graphitfilz, sofern vorhanden, ist zumindest geringfügig komprimiert zwischen der jeweiligen 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 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 21a, 21 b umfassend jeweils ein Katalysatormaterial sowie eine Fluiddiffusionslage 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, 1f 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 aufgebrachtes Schichtsystem 3 und eine Deckschicht 33 (vergleiche Figur 2) auf. Die Platten weisen weiterhin jeweils 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 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 1c, 1d in Form von Bipolarplatten benachbart ist. Eine jede Bipolarplatte weist ein Metallsubstrat 2 mit einem galvanisch aufge- brachten Schichtsystem 3 und einer Deckschicht 33 (vergleiche Figur 2) 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 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 jedoch weitere elektrochemische Zellen mit mindestens einem erfindungsgemäß aus- gebildeten Bauteil vom Erfindungsgedanken umfasst sein.
Bezuqszeichenliste
1 , r, 1", 1a, 1 b, 1c, 1d, 1e, 1f Bauteil
2 Metallsubstrat
3 Schichtsystem
3a erste Schicht
3b zweite Schicht
33 Deckschicht
4a, 4b Oberfläche
5 dreidimensionale Strukturierung
6 Gasverteilerstruktur
7 Flussfeld
8 Redox-Flow-Zelle
9 Polymerelektrolytmembrane
9a lonentauschermembran
10a erster Reaktionsraum
10b zweiter Reaktionsraum
11a Anolyt
11 b Katholyt
12a, 12b Pumpe
13a, 13b Tank
20 Elektrolysezelle
21a, 21 b Katalysatorschicht
22a, 22b Fluiddiffusionsschicht
23a, 23b Strömungskanäle
80a, 80b Öffnungen
90 Brennstoffzelle
100 Brennstoffzellenstapel
A Anodenseite
K Kathodenseite

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil (1 ) einer elektrochemischen Zelle (10), umfassend ein Metallsubstrat (2) und ein zumindest partiell auf dem Metallsubstrat (2) galvanisch und/oder chemisch 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 mindestens zwei der Elemente Zinn, Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Bismuth, Antimon, Kobalt, Mangan, Wolfram, Tantal, Niob, gebildet ist, wobei in der Legierung nichtmetallische Partikel umfassend elektrisch leitfähige Partikel eingebunden vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Metallsubstrat (2) abgewandten freien Seite der mindestens einen zweiten Schicht (3b) des Schichtsystems (3), welche optional oxidiert ist, eine Deckschicht (33) gebildet ist, die entweder a) aus einem Metallkarbid oder einem Metallnitrid oder einem amorphem Kohlenstoff gebildet ist oder b) aus mindestens einer selbstorganisierenden organischen Monolage oder mindestens einem Polymer gebildet ist.
2. Bauteil (1) nach Anspruch 1 , wobei die Legierung aus einer Zinn-Nickel-Legierung mit einem Nickelgehalt im Bereich von 20 bis 35 Gew.-% gebildet ist.
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- Legierung oder einer Nickel-Wolfram-Legierung oder einer Zinn-Mangan-Legierung oder einer Zinn-Tantal-Legierung oder einer Zinn-Niob-Legierung oder einer Zinn-Nickel- Niob-Legierung oder einer Zinn-Nickel-Tantal-Legierung oder einer Zinn-Tantal-Niob- Legierung gebildet ist.
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, Kohlenstofffasern, Ruß, Graphen, Graphenoxid, Metallnitrid, Metallkarbid, gebildet sind.
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.
6. Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Metallsubstrat (2) aus einem Material aus der Gruppe umfassend Edelstahl, Titan, eine Titan-Legierung, Aluminium, eine Aluminium-Legierung, eine überwiegend Zinn enthaltende Legierung, gebildet ist und die erste Schicht (3a) vorhanden ist.
7. Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Metallsubstrat (2) aus einem Material aus der Gruppe umfassend Kupfer, eine Kupfer-Legierung, Nickel, eine Nickel-Legierung, niedriglegierten Kohlenstoffstahl, gebildet ist und keine erste Schicht (3a) vorhanden ist.
8. Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Schicht (3a) eine Schichtdicke von bis zu 5 pm aufweist und/oder wobei die mindestens eine zweite Schicht (3b) eine Schichtdicke von bis zu 30 pm aufweist und/oder die Deckschicht (33) eine Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 1 pm aufweist.
9. Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Deckschicht (33) in Fall a) durch ein Metallkarbid enthaltend mindestens eines der Metalle der Gruppe umfassend Wolfram, Kobalt, Chrom, Nickel, gebildet ist oder durch eine dotierte amorphe Kohlenstoffschicht enthaltend mindestens ein Dotierelement aus der Gruppe umfassend Titan, Niob, Zirkonium, Hafnium, Molybdän, Kupfer, Silizium, Wolfram, Tantal, Platin, Palladium, Ruthenium, Silber, Indium, Bor, Stickstoff, Phosphor, Fluor, Wasserstoff, Sauerstoff, gebildet ist, oder durch ein Metal Initrid in Form von S ilizium nitrid oder ein mit Bor und Kohlenstoff dotiertes Siliziumnitrid gebildet ist.
10. Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Deckschicht (33) in Fall b) aus einer perfluorierten organischen Verbindung gebildet ist.
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.
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.
13. Redox-Flow-Zelle (8) nach Anspruch 12, umfassend mindestens zwei Elektroden, einen ersten Reaktionsraum (10a) und einen zweiten Reaktionsraum (10b), wobei jeder Reaktionsraum (10a, 10b) in Kontakt mit einer der Elektroden steht und wobei die Reaktionsräume (10a, 10b) durch eine lonenaustauschmembran (9a) voneinander getrennt sind.
14. Brennstoffzelle (90) umfassend mindestens ein Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in Form einer Bipolarplatte sowie mindestens eine Polymerelektrolytmembrane (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).
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