JP7476338B2 - 層システム、このタイプの層システムを有するフローフィールドプレート、および燃料電池、電解槽、またはレドックスフロー電池 - Google Patents

層システム、このタイプの層システムを有するフローフィールドプレート、および燃料電池、電解槽、またはレドックスフロー電池 Download PDF

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Description

本発明は、金属酸化物から作製される少なくとも１つのカバー層を備える、金属基板を被覆してフローフィールドプレートを形成するための層システムに関する。本発明はさらに、金属基板およびそのような層システムを備えるフローフィールドプレートに関する。さらに、本発明は、少なくとも１つのそのようなフローフィールドプレートを備える燃料電池、電解槽、またはレドックスフロー電池に関する。
燃料電池または電解槽のためのフローフィールドプレートは、独国特許第１００５８３３７（Ａ１）号からすでに公知であり、このフローフィールドプレートでは、金属酸化物から作製される導電性かつ耐食性の保護被覆が、金属シートの少なくとも片面に形成されている。金属酸化物は、特に、スズ、亜鉛、およびインジウムを含む群からの元素または合金の酸化物から形成される。
米国特許出願第２０１８／００５３９４８（Ａ１）号には、固体高分子形燃料電池用のセパレータが記載されている。フェライト系ステンレス鋼から作製されるセパレータは、酸化インジウムスズ被覆を有する。
本発明の目的は、フローフィールドプレートのための改良された層システムを提供することと、そのようなフローフィールドプレートを提供することと、である。さらに、本発明の目的は、少なくとも１つのそのようなフローフィールドプレートを有する燃料電池、電解槽、またはレドックスフロー電池を提案することである。
本目的は、金属基板を被覆してフローフィールドプレートを形成するための層システムにおいて達成され、金属酸化物から作製される少なくとも１つのカバー層と、カバー層を支持する少なくとも１つの中間層と、中間層（複数可）を支持する下部層と、を備える層システムが形成され、カバー層は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から形成され、酸化インジウムスズは、任意選択で、炭素、窒素、ホウ素、フッ素、水素、ケイ素、チタン、スズ、およびジルコニウムを含む群からの少なくとも１種の元素によってドープされ、少なくとも１つの中間層は、窒化チタンおよび／または炭化チタンおよび／または炭窒化チタンおよび／または窒化チタンニオブ（ＴｉＮｂＮ）および／または炭化チタンニオブ（ＴｉＮｂＣ）および／または炭窒化チタンニオブ（ＴｉＮｂＣＮ）および／または窒化クロム（ＣｒＮ）および／または炭化クロム（ＣｒＣ）および／または炭窒化クロム（ＣｒＣＮ）から形成され、下部層は、チタン（Ｔｉ）またはチタン－ニオブ合金（ＴｉＮｂ）またはクロム（Ｃｒ）から形成される。
この層システムは、高い長期安定性と同時に高い導電性を有し、低コストであり、貴金属を使用しないことを特徴とする。さらに、この層システムでは、フローフィールドプレートの金属基材または金属基板に対して優れた耐食性が確保される。
この層システムは、ＰＶＤまたはＣＶＤプロセス（ＰＶＤ：物理的気相成長：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ：化学的気相成長：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって製造されることが好ましい。
この場合、７０～９０体積％の範囲内のインジウム含有量を有する酸化インジウムスズから作製されるカバー層が特に好ましい。７５～８５体積％の範囲のインジウム含有量が、高い導電性を有し、特に好ましい。
下部層は、特に、金属基板と少なくとも１つの中間層との間の接着促進材として使用される。さらに、下部層は、導電性酸化物を形成しており、したがってフローフィールドプレートの金属基板にガルバニック腐食防止を提供する。下部層は、好ましくは、１ｎｍ～３００ｎｍの範囲の層厚を有する。
特に、中間層もまた、下部層とカバー層との間の接着促進材として使用される。さらに、少なくとも１つの中間層もまた、導電性酸化物を形成しており、したがって下部層およびフローフィールドプレートの金属基板にガルバニック腐食防止を提供する。また、少なくとも１つの中間層は、水素に対する障壁を提供し、したがって水素が金属基板の方向に浸透して金属基板を損傷させることがない。個々の中間層の層厚は、好ましくは０．１～３．０μｍの範囲内で選択される。ただし、２層以上の中間層が存在してもよい。
カバー層は、下部層および中間層（複数可）を機械的に保護し、かつ腐食性攻撃から保護する。カバー層は、特に、０．０１～１５μｍの範囲、特に０．１～３μｍの範囲の層厚を有する。
下部層と、少なくとも１つの中間層と、カバー層と、を備える本発明による層システムは、好ましくは、０．１～２０μｍの範囲の総厚を有する。
さらに、カバー層が、最大３５ａｔ％、特に０．１～１０ａｔ％の範囲、特に好ましくは１～５ａｔ％の範囲の、炭素、窒素、ホウ素、フッ素、水素、ケイ素、チタン、スズ、およびジルコニウムを含む群からの少なくとも１種の元素によってドープされているならば、有用であることが判明している。この場合、１種のドーピング元素または複数種のドーピング元素は、酸化インジウムスズの酸化物結晶格子に組み込まれる。
この場合、ドーピングは、カバー層の層厚にわたって一様に存在してもよい。あるいは、ドーピング元素（複数可）の量は、勾配層が形成されるように、カバー層の自由表面の方向に増加してもよい。１種のドーピング元素または複数種のドーピング元素は、カバー層の自由表面のみに埋め込まれた様態で存在してもよい。
カバー層に炭素および／またはケイ素をドープすることが特に好ましい。特に、水素は、カバー層中に微量でのみ存在する。
特に、金属基板、好ましくは鋼、特にオーステナイト鋼またはオーステナイトステンレス鋼から作製される金属基板を被覆するための以下の層システムは、フローフィールドプレートを形成するために有利であることが判明している。
実施例１：
下部層：ＴｉＮｂまたはＴｉ 層厚：１００ｎｍ
中間層：ＴｉＮｂＮ 層厚：３００ｎｍ
カバー層：インジウム含有量８０体積％の酸化インジウムスズ
層厚：１００ｎｍ
実施例２：
下部層：ＴｉＮｂまたはＴｉ 層厚：１００ｎｍ
中間層：ＴｉＮｂＣＮ 層厚：３００ｎｍ
カバー層：インジウム含有量８０体積％の酸化インジウムスズ
層厚：１００ｎｍ
実施例３：
下部層：ＴｉＮｂまたはＴｉ 層厚：１００ｎｍ
１．中間層：ＴｉＮｂＮ 層厚：２００ｎｍ
２．中間層：ＴｉＮｂＣＮ 層厚：２００ｎｍ
カバー層：インジウム含有量９０体積％の酸化インジウムスズ
層厚：１００ｎｍ
実施例４：
下部層：ＴｉＮｂまたはＴｉ 層厚：１００ｎｍ
１．中間層：ＴｉＮｂＣＮ 層厚：２００ｎｍ
２．中間層：ＴｉＮｂＮ 層厚：２００ｎｍ
カバー層：インジウム含有量８０体積％の酸化インジウムスズ
層厚：１００ｎｍ
実施例５：
下部層：ＴｉＮｂまたはＴｉ 層厚：１００ｎｍ
中間層：ＴｉＮ 層厚：３００ｎｍ
カバー層：インジウム含有量８０体積％の酸化インジウムスズ
層厚：１００ｎｍ
実施例６：
下部層：ＴｉＮｂまたはＴｉ 層厚：１００ｎｍ
中間層：ＴｉＣおよび／またはＴｉＮｂＣ 層厚：３００ｎｍ
カバー層：インジウム含有量８０体積％の酸化インジウムスズ
層厚：１００ｎｍ
実施例７：
下部層：ＴｉＮｂまたはＴｉ 層厚：１００ｎｍ
中間層：ＴｉＣＮ 層厚：３００ｎｍ
カバー層：インジウム含有量８０体積％の酸化インジウムスズ
層厚：１００ｎｍ
実施例８：
下部層：Ｃｒ 層厚：１００ｎｍ
中間層：ＣｒＮおよび／またはＣｒＣＮ 層厚：３００ｎｍ
カバー層：インジウム含有量８０体積％の酸化インジウムスズ
層厚：１００ｎｍ
実施例９：
下部層：Ｃｒ 層厚：１００ｎｍ
中間層：ＣｒＣおよび／またはＣｒＣＮ 層厚：３００ｎｍ
カバー層：インジウム含有量８０体積％の酸化インジウムスズ
層厚：１００ｎｍ
本発明の目的は、金属基板と、本発明による層システムと、を備えるフローフィールドプレートであって、
金属基板、
下部層、
中間層（複数可）、
カバー層、の順序のフローフィールドプレートの構造を有する、フローフィールドプレート、において達成される。
好ましくは、このフローフィールドプレートは、好ましくは鋼から作製される、特にオーステナイト鋼またはステンレス鋼から作製される、金属基板または金属キャリアプレートを有するフローフィールドプレートである。キャリアプレートは、１つ以上の部品で構成することができる。
図１～図３は、本発明による層システム、層システムを使用して形成されたフローフィールドプレート、および燃料電池を、一例として説明することを目的としている。
層システムを有するフローフィールドプレートを示す図である。 複数の燃料電池を備える燃料電池システムの概略図である。 一例として示した層システムの断面の拡大図である。
図１は、層システム１を有するフローフィールドプレート２を示しており、層システム１は、オーステナイト鋼から作製される金属基板２ａまたは金属キャリアプレートを有する。フローフィールドプレート２は、開口部４を有する流入領域３ａと、更なる開口部４’を有する出口領域３ｂと、を有し、これらの開口部は、燃料電池にプロセスガスを供給し、燃料電池から反応生成物を除去するために使用される。さらにフローフィールドプレート２は、高分子電解質膜７と接触するように設けられたガス分配構造体５を両側に有する（図２を参照）。
図２は、複数の燃料電池１０を備えた燃料電池システム１００を概略的に示している。各燃料電池１０は、フローフィールドプレート２、２’の両側に隣接する高分子電解質膜７を備える。図１と同じ参照符号は、同一の要素を示している。
図３は、図１による層システム１の断面を示している。図から理解できるように、カバー層１ａ、中間層１ｂ、および下部層１ｃが存在する。下部層１ｃは、フローフィールドプレート２の基板２ａに面する、層システム１の側面Ｂに配置されている。カバー層１ａは、フローフィールドプレート２の基板２ａとは反対の、層システム１の側面Ａに配置されている。あるいは、層システム１はまた、複数の中間層１ｂを有してもよい。
１ 層システム
１ａ カバー層
１ｂ 中間層（複数可）
１ｃ 下部層
２、２’ フローフィールドプレート
２ａ 金属基板
３ａ 流入領域
３ｂ 出口領域
４，４’ 開口部
５ ガス分配構造体
７ 高分子電解質膜
１０ 燃料電池
１００ 燃料電池システム
Ａ 基板２ａとは反対の、層システム１の側面
Ｂ 基板２ａに面する、層システム１の側面

Claims (10)

  1. 金属酸化物から作製される少なくとも１つのカバー層（１ａ）と、前記カバー層（１ａ）を支持する少なくとも１つの中間層（１ｂ）と、前記中間層（１ｂ）を支持する下部層（１ｃ）と、を備える、金属基板（２ａ）を被覆してフローフィールドプレート（２、２’）を形成するための層システム（１）であって、
    前記カバー層（１ａ）は、７５～８５体積％の範囲のインジウム含有量を有する酸化インジウムスズから形成され、
    前記少なくとも１つの中間層（１ｂ）は、窒化チタンおよび／または炭化チタンおよび／または炭窒化チタンおよび／または窒化チタンニオブおよび／または炭化チタンニオブおよび／または炭窒化チタンニオブおよび／または窒化クロムおよび／または炭化クロムおよび／または炭窒化クロムから形成され、
    前記下部層（１ｃ）は、チタンまたはチタン－ニオブ合金またはクロムから形成される、層システム（１）。
  2. 前記酸化インジウムスズは、炭素、窒素、ホウ素、フッ素、水素、ケイ素、チタン、およびジルコニウムを含む群からの少なくとも１種の元素によってドープされる、請求項１に記載の層システム（１）。
  3. 前記下部層（１ｃ）は、１～３００ｎｍの範囲の層厚を有する、請求項１に記載の層システム（１）。
  4. 前記少なくとも１つの中間層（１ｂ）は、０．１μｍ～３．０μｍの範囲の層厚を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の層システム（１）。
  5. 前記カバー層（１ａ）は、０．０１μｍ～１５μｍの範囲の層厚を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の層システム（１）。
  6. 前記カバー層（１ａ）は、最大３５ａｔ％、特に０．１～１０ａｔ％の範囲の、炭素、窒素、ホウ素、フッ素、水素、ケイ素、チタン、スズ、およびジルコニウムを含む群からの少なくとも１種の元素によってドープされている、請求項１から５のいずれか一項に記載の層システム（１）。
  7. 金属基板（２ａ）と、請求項１から６のいずれか一項に記載の層システム（１）と、を備えるフローフィールドプレート（２、２’）であって、
    金属基板（２ａ）、
    下部層（１ｃ）、
    中間層（複数可）（１ｂ）、
    カバー層（１ａ）、の順序のフローフィールドプレート（２、２’）の構造を有する、フローフィールドプレート（２、２’）。
  8. 前記金属基板（２ａ）は、鋼から形成されている、請求項７に記載のフローフィールドプレート（２、２’）。
  9. 請求項７または８に記載の少なくとも１つのフローフィールドプレート（２、２’）を備える燃料電池（１０）。
  10. 少なくとも１つの高分子電解質膜（７）を備える、請求項９に記載の燃料電池（１０）。
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