DE102022212139A1 - Cell for a cell stack for electrochemical conversion of energy and its production - Google Patents
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Abstract
Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Zelle (100) für einen Zellstapel zum elektrochemischen Wandeln von Energie. Die Zelle (100) umfasst mindestens eine zumindest teilweise metallische Platte (101, 109) und eine zumindest teilweise metallische gasdurchlässige Porenstruktur (103), wobei die Platte (101, 109) und/oder die Porenstruktur (103) zumindest bereichsweise mit Metallcarbid beschichtet ist.The invention presented relates to a cell (100) for a cell stack for electrochemically converting energy. The cell (100) comprises at least one at least partially metallic plate (101, 109) and an at least partially metallic gas-permeable pore structure (103), wherein the plate (101, 109) and/or the pore structure (103) is coated at least in regions with metal carbide.
Description
Die vorgestellte Erfindung betrifft eine Zelle für einen Zellstapel zum elektrochemischen Wandeln von Energie, eine Bipolarplatte, eine Gasdiffusionsschicht und ein Herstellungsverfahren gemäß den beigefügten Ansprüchen.The presented invention relates to a cell for a cell stack for electrochemically converting energy, a bipolar plate, a gas diffusion layer and a manufacturing method according to the appended claims.
Stand der TechnikState of the art
Elektrochemische Energiewandler, wie bspw. PEM-Elektrolyseure, bestehen häufig aus einer polymeren Membran, die für H+ Ionen oder im Falle von AEM-Elektrolyseuren für OH- Ionen durchlässig ist, und zwei Elektroden auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Membran.Electrochemical energy converters, such as PEM electrolyzers, often consist of a polymer membrane that is permeable to H + ions or, in the case of AEM electrolyzers, to OH - ions, and two electrodes on the opposite side of the membrane.
Im Fall eines Elektrolyseurs wird ein wässriger Elektrolyt, bspw. auf einer Sauerstoff-produzierenden Seite bzw. Anodenseite, in einer Kammer zugeführt. Die der Membran gegenüberliegende Seite wird optional auch mit einem wässrigen Elektrolyten durchströmt und produziert Wasserstoff.In the case of an electrolyzer, an aqueous electrolyte is fed into a chamber, e.g. on an oxygen-producing side or anode side. The side opposite the membrane is optionally also flowed through with an aqueous electrolyte and produces hydrogen.
Die Kammer ist mit einer porösen Struktur gefüllt, die einen elektrischen Kontakt zur jeweiligen Elektrode bereitstellt und für wässrige Elektrolyte und Gase durchlässig ist. Abgeschlossen wird die Kammer mit einer Bipolarplatte, sodass eine Zelle als Widerholelement in einem Zellstapel von Bipolarplatten begrenzt ist.The chamber is filled with a porous structure that provides electrical contact to the respective electrode and is permeable to aqueous electrolytes and gases. The chamber is closed with a bipolar plate so that a cell is limited as a repeating element in a cell stack of bipolar plates.
Die Bipolarplatten werden bei Elektrolyseuren zur Einkopplung von elektrischem Strom genutzt, der zur Elektrolyse von Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff benötigt wird.The bipolar plates are used in electrolyzers to couple in electrical current, which is needed for the electrolysis of water into oxygen and hydrogen.
Aus Gründen der elektrochemischen Beständigkeit müssen poröse Strukturen und Bipolarplatten bei Elektrolyseuren auf der Sauerstoff-bildenden Seite metallisch sein, insbesondere bei PEM-Elektrolyseuren aus Titan.For reasons of electrochemical stability, porous structures and bipolar plates on the oxygen-forming side of electrolyzers must be metallic, especially in PEM electrolyzers made of titanium.
Da Metalle in einer sauerstoffreichen Umgebung oxidieren, wird der benötigte elektrische Kontaktwiderstand der metallischen Elemente in einer jeweiligen Zelle zu hoch, sodass hier elektrisch gut leitfähige Edelmetallbeschichtungen wie Gold und vor allem Platin verwendet werden müssen.Since metals oxidize in an oxygen-rich environment, the required electrical contact resistance of the metallic elements in a given cell becomes too high, so that electrically highly conductive precious metal coatings such as gold and especially platinum must be used.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden eine Zelle für einen Zellstapel, eine Bipolarplatte, eine Gasdiffusionsschicht und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen der Zelle vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle bzw. der erfindungsgemäßen Bipolarplatte oder der erfindungsgemäßen Gasdiffusionsschicht und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.Within the scope of the invention presented, a cell for a cell stack, a bipolar plate, a gas diffusion layer and a manufacturing method for producing the cell are presented. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the manufacturing method according to the invention naturally also apply in connection with the cell according to the invention or the bipolar plate according to the invention or the gas diffusion layer according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is or can always be made to each other.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen kostengünstigen und robusten elektrochemischen Energiewandler bereitzustellen.The invention presented serves in particular to provide a cost-effective and robust electrochemical energy converter.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung eine Zelle für einen Zellstapel zum elektrochemischen Wandeln von Energie vorgestellt.Thus, according to a first aspect of the invention presented, a cell for a cell stack for electrochemically converting energy is presented.
Die vorgestellte Zelle umfasst mindestens eine zumindest teilweise metallische Platte und eine zumindest teilweise metallische gasdurchlässige Porenstruktur, wobei die Platte und/oder die Porenstruktur zumindest bereichsweise mit Metallcarbid beschichtet ist.The presented cell comprises at least one at least partially metallic plate and an at least partially metallic gas-permeable pore structure, wherein the plate and/or the pore structure is at least partially coated with metal carbide.
Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass metallische Komponenten der vorgestellten Zelle mit Metallcarbid beschichtet sind. Da Metallcarbide besonders korrosionsfest bzw. oxidationsstabil sind, eignen diese sich besonders vorteilhaft zum Schutz der metallischen Komponenten in einem elektrochemischen Energiewandler, wie bspw. einem Elektrolyseur.The invention presented is based on the principle that metallic components of the cell presented are coated with metal carbide. Since metal carbides are particularly corrosion-resistant and oxidation-stable, they are particularly suitable for protecting the metallic components in an electrochemical energy converter, such as an electrolyzer.
Es kann vorgesehen sein, dass das Metallcarbid Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalwolframcarbid, platinbeschichtetes Wolframcarbid und/oder Tantalcarbid umfasst.It may be provided that the metal carbide comprises tungsten carbide, titanium carbide, tantalum tungsten carbide, platinum-coated tungsten carbide and/or tantalum carbide.
Tantalcarbid ist bis zu einem Potential von E=1,2V, Tantalwolframcarbid bis zu einem Potential von E=0,8V, Titancarbid bis zu einem Potential von E=1,3C und Wolframcarbid bis zu einem Potential von E=0,5V beständig, sodass diese Materialien zur Beschichtung von metallischen Komponenten einer Zelle verwendet werden können, wobei reines Wolframcarbid sich insbesondere für eine Beschichtung an einer Grenzfläche zwischen einem Flussfeld und einer Bipolarplatte eignet, an der ein eher niedriges Potential anliegt.Tantalum carbide is resistant up to a potential of E=1.2V, tantalum tungsten carbide up to a potential of E=0.8V, titanium carbide up to a potential of E=1.3C and tungsten carbide up to a potential of E=0.5V, so that these materials can be used to coat metallic components of a cell, with pure tungsten carbide being particularly suitable for a coating at an interface between a flow field and a bipolar plate, where a rather low potential is applied.
Allerdings ist Wolframcarbid isoelektrisch zu Platin und kann daher gut mit Platin beschichtet werden. Schon dünne Schichten aus Platin können defektarm aufgebracht werden. Daher ist eine Basisbeschichtung aus Wolframcarbid mit einer dünnen Deckschicht aus Platin, bspw. an einer Grenzschicht zwischen einer Elektrode und einer Platinschicht der Zelle, besonders vorteilhaft. Die erforderliche Platinmenge, um eine möglichst defektarme Schicht zu erzeugen, kann damit erheblich reduziert werden.However, tungsten carbide is isoelectric to platinum and can therefore be easily coated with platinum. Even thin layers of platinum can be applied with few defects. Therefore, a base coating of tungsten carbide with a thin top layer of platinum, for example at a boundary layer between an electrode and a platinum layer of the cell, is particularly advantageous. The amount of platinum required to produce a layer with as few defects as possible can thus be significantly reduced.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Porenstruktur eine Gasdiffusionsschicht ist.It can further be provided that the pore structure is a gas diffusion layer.
Da insbesondere im Bereich der Gasdiffusionsschicht hohe elektrische Potentiale anliegen, hat sich eine Beschichtung der Gasdiffusionsschicht als besonders vorteilhaft zur Verlängerung der Standzeit eines Zellstapels erwiesen.Since high electrical potentials are present particularly in the area of the gas diffusion layer, a coating of the gas diffusion layer has proven to be particularly advantageous for extending the service life of a cell stack.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Metallcarbid in Reinform oder in einer metallischen Bindematrix angeordnet ist. Die Bindermatrix kann dabei insbesondere Kobalt und/oder Silber und/oder Nickel sein oder enthalten.It can also be provided that the metal carbide is arranged in pure form or in a metallic binding matrix. The binding matrix can in particular be or contain cobalt and/or silver and/or nickel.
Es hat sich in Versuchen überraschend gezeigt, dass Beschichtungen mit in einer metallischen Bindematrix angeordneten Wolframcarbid-Nanopartikeln anodisch bei ca. 5V und kathodisch bei ca. 10V beständig waren.Surprisingly, experiments have shown that coatings containing tungsten carbide nanoparticles arranged in a metallic binding matrix were anodically stable at about 5V and cathodically stable at about 10V.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Bipolarplatte für eine Zelle für einen Zellstapel zum elektrochemischen Wandeln von Energie, wobei die Bipolarplatte zumindest bereichsweise mit Metallcarbid beschichtet ist.According to a second aspect, the presented invention relates to a bipolar plate for a cell for a cell stack for the electrochemical conversion of energy, wherein the bipolar plate is coated at least in regions with metal carbide.
Die vorgestellte Bipolarplatte dient insbesondere zum Einsatz in einer Zelle, wie bspw. der vorgestellten Zelle.The bipolar plate presented is particularly intended for use in a cell, such as the cell presented.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte zumindest bereichsweise mit Metallcarbid beschichtet ist.It can further be provided that the bipolar plate is coated with metal carbide at least in some areas.
Durch eine bereichsweise Beschichtung, bspw. lediglich in besonders elektrisch und chemisch belasteten Bereichen der Bipolarplatte, wie bspw. einem Flussfeld, können Material und Kosten eingespart werden.By coating parts of the bipolar plate, for example only in areas of the bipolar plate that are particularly electrically and chemically stressed, such as a flow field, material and costs can be saved.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Gasdiffusionsschicht für eine Zelle für einen Zellstapel zum elektrochemischen Wandeln von Energie, wobei die Gasdiffusionsschicht zumindest bereichsweise mit Metallcarbid beschichtet ist.According to a third aspect, the presented invention relates to a gas diffusion layer for a cell for a cell stack for the electrochemical conversion of energy, wherein the gas diffusion layer is coated at least in regions with metal carbide.
Die vorgestellte Gasdiffusionsschicht dient insbesondere zum Einsatz in einer Zelle, wie bspw. der vorgestellten Zelle.The presented gas diffusion layer is particularly intended for use in a cell, such as the presented cell.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Zelle.According to a fourth aspect, the presented invention relates to a manufacturing method for a possible embodiment of the presented cell.
Das vorgestellte Herstellungsverfahren umfasst das Beschichten einer metallischen Struktur der Zelle mit Metallcarbid, wobei die metallische Struktur eine zumindest teilweise metallische Platte und/oder eine zumindest teilweise metallische gasdurchlässige Porenstruktur umfasst.The presented manufacturing method comprises coating a metallic structure of the cell with metal carbide, wherein the metallic structure comprises an at least partially metallic plate and/or an at least partially metallic gas-permeable pore structure.
Unter einem Vorgang zum Beschichten ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Aufbringen einer Schicht auf ein Substrat zu verstehen. Dabei kann die Schicht thermisch und/oder chemisch und/oder physikalisch, d.h. bspw. auf Mikrostrukturebene mechanisch verzahnt mit dem Substrat verbunden werden.In the context of the invention presented, a coating process is understood to mean applying a layer to a substrate. The layer can be thermally and/or chemically and/or physically bonded to the substrate, i.e., for example, mechanically interlocked at the microstructure level.
Es kann vorgesehen sein, dass das Herstellungsverfahren ferner das Vorbehandeln der metallischen Struktur mittels einer Reinigungslösung und das Glätten der Beschichtung aus Metallcarbid umfasst.It can be provided that the manufacturing method further comprises pretreating the metallic structure by means of a cleaning solution and smoothing the metal carbide coating.
Ein Vorbehandlungsschritt, bei dem ein Substrat, d.h. die metallische Struktur mit einer Reinigungslösung gereinigt wird, bewirkt ein optimales Haften der Beschichtung an der metallischen Struktur.A pretreatment step in which a substrate, i.e. the metallic structure, is cleaned with a cleaning solution ensures optimal adhesion of the coating to the metallic structure.
Ein Glättungsschritt, bei dem eine auf der metallischen Struktur aufgebrachte Metallcarbidschicht auf eine vorgegebene Dicke eingestellt wird, bedingt ein konstantes Korrosionsverhalten der metallischen Struktur, sodass lokale Schäden minimiert werden.A smoothing step in which a metal carbide layer applied to the metallic structure is adjusted to a predetermined thickness ensures a constant corrosion behavior of the metallic structure, so that local damage is minimized.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Metallcarbid in Form von Schweißelektroden auf die metallische Struktur geschweißt wird, indem eine Bindematrix gemeinsam mit einem zu beschichtenden Metall aufgeschmolzen wird und in das aufgeschmolzene Schmelzbad Metallcarbidpartikel eingebracht werden.It can further be provided that the metal carbide is welded to the metallic structure in the form of welding electrodes by melting a binding matrix together with a metal to be coated and introducing metal carbide particles into the molten melt bath.
Ein Schweißverfahren hat sich als einfache und robuste Methode zum Beschichten von metallischen Strukturen der vorgestellten Zelle erwiesen.A welding process has proven to be a simple and robust method for coating metallic structures of the presented cell.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Metallcarbidpartikel durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Hochgeschwindigkeitsflammstrahlspritzen, direkt in die Oberfläche der metallischen Struktur eingebracht bzw. auf die Oberfläche aufgebracht werden.It can further be provided that metal carbide particles are introduced directly into the surface of the metallic structure or applied to the surface by thermal spraying, in particular by high-velocity flame jet spraying.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Zelle, -
2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens.
-
1 a schematic representation of a possible design of the presented cell, -
2 a possible design of the presented manufacturing process.
In
Die Bipolarplatte 101 grenzt an bzw. umfasst ein Flussfeld 105.The
Die Gasdiffusionsschicht 103 umfasst eine Platinschicht 107, eine Elektrode 109 und eine Membran 111.The
Durch den voranstehend skizzierten Aufbau der Zelle 100 ergeben sich eine erste Schnittstelle 113 zwischen der Elektrode 109 und der Platenschicht 107, eine zweite Schnittstelle 115 zwischen der Platinschicht 107 und dem Flussfeld 105 sowie eine dritte Schnittstelle 117 zwischen dem Flussfeld 105 und der Bipolarplatte 101.The structure of the
Eine Betrachtung der Potentiallagen an den Schnittstellen 113, 115 und 117, wenn die Zelle 100 eine mit 1,9V betriebene Elektrolysezelle ist, ergibt folgendes Bild:
Ausgehend von den voranstehend angegebenen elektrischen Verhältnissen ergibt sich die Möglichkeit, zumindest an der zweiten Schnittstelle 115 und der dritten Schnittstelle 117 alternative Beschichtungsmaterialien zu Platin einzusetzen.Based on the electrical conditions specified above, it is possible to use alternative coating materials to platinum at least at the second interface 115 and the third interface 117.
Als alternative ausreichend oxidationsstabile und leitfähige Materialien haben sich Übergangsmetallcarbide erwiesen. Insbesondere geeignet sind Carbide von Wolfram, Titan und Tantal.Transition metal carbides have proven to be alternative materials that are sufficiently oxidation-stable and conductive. Carbides of tungsten, titanium and tantalum are particularly suitable.
Tantalcarbid TaC ist bis E=1,2V beständig und Tantal-Wolframcarbid TaxW1-xC bis ca. 0,8V. Alle drei genannten Materialien können somit als Beschichtung für die zweite Schnittstelle 115 und/oder die dritte Schnittstelle 117 verwendet werden.Tantalum carbide TaC is resistant up to E=1.2V and tantalum tungsten carbide TaxW1-xC up to approx. 0.8V. All three materials mentioned can thus be used as a coating for the second interface 115 and/or the third interface 117.
Wolframcarbid ist nur bis ca. 0,5V oxidationsstabil und kommt daher nur für die dritte Schnittstelle 117 als Beschichtung in Frage.Tungsten carbide is only oxidation stable up to approx. 0.5V and is therefore only suitable as a coating for the third interface 117.
Allerdings ist Wolframcarbid isoelektrisch zu Platin und kann daher bevorzugt mit Platin beschichtet werden. Schon dünne Schichten von Platin können defektarm aufgebracht werden. Daher ist eine Basisbeschichtung aus Wolframcarbid mit einer dünnen Deckschicht aus Platin für die erste Schnittstelle 113 besonders vorteilhaft. Auch hat sich gezeigt, dass eine Schichtablösung des Platins, wie sie bei der Gasentstehung an dünnen platinierten Elektrodenoberflächen mit den damit verbundenen inhärenten kleinsten Schichtdefekten vorkommen kann, durch Wolframcarbid als Unterschicht verhindert werden kann. Die erforderliche Platinmenge, um eine möglichst defektarme Schicht zu erzeugen, kann damit erheblich reduziert werden.However, tungsten carbide is isoelectric to platinum and can therefore be coated with platinum. Even thin layers of platinum can be applied with few defects. Therefore, a base coating of tungsten carbide with a thin top layer of platinum is particularly advantageous for the first interface 113. It has also been shown that layer detachment of the platinum, as can occur when gas is generated on thin platinized electrode surfaces with the associated inherent, tiny layer defects, can be prevented by using tungsten carbide as a base layer. The amount of platinum required to produce a layer with as few defects as possible can thus be significantly reduced.
Übersicht möglicher Schichten aus Übergangsmetallcarbiden für PEM-Elektrolysezellen:
In
Das Herstellungsverfahren 200 umfasst einen Beschichtungsschritt 201, bei dem eine metallische Struktur der Zelle 100 mit Metallcarbid beschichtet wird, wobei die metallische Struktur eine zumindest teilweise metallische Platte 101, 109 und/oder eine zumindest teilweise metallische gasdurchlässige Porenstruktur 103 umfasst.The
Optional umfasst das Herstellungsverfahren 200 einen Vorbehandlungsschritt 203, bei dem die metallische Struktur mittels einer Reinigungslösung vor dem Beschichtungsschritt 201 vorbehandelt wird, und einen Glättungsschritt 205, bei dem die Beschichtung aus Metallcarbid nach dem Beschichtungsschritt 201 geglättet wird, indem die Beschichtung bspw. geschliffen oder poliert wird.Optionally, the
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| DE102022212139.2A DE102022212139A1 (en) | 2022-11-15 | 2022-11-15 | Cell for a cell stack for electrochemical conversion of energy and its production |
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| DE102022212139.2A Pending DE102022212139A1 (en) | 2022-11-15 | 2022-11-15 | Cell for a cell stack for electrochemical conversion of energy and its production |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| DE102013213015A1 (en) | 2013-07-03 | 2015-01-08 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Method for producing a bipolar plate and bipolar plate for an electrochemical cell |
| EP3748039A1 (en) | 2019-06-07 | 2020-12-09 | Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. | Electrically conductive nanofibers for a polymer membrane based electrolysis |
| DE102020133553A1 (en) | 2020-12-15 | 2022-06-15 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Method of making a bipolar plate for an electrochemical cell and bipolar plate |
-
2022
- 2022-11-15 DE DE102022212139.2A patent/DE102022212139A1/en active Pending
Patent Citations (3)
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| DE102020133553A1 (en) | 2020-12-15 | 2022-06-15 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Method of making a bipolar plate for an electrochemical cell and bipolar plate |
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