Redox-Flow-Zelle, Brennstoffzelle und Elektrolyseur

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für eine elektrochemische Zelle umfassend ein Me tallsubstrat und ein zumindest partiell auf dem Metallsubstrat galvanisch aufgebrach tes Schichtsystem, wobei das Schichtsystem eine auf dem Metallsubstrat angeordne te erste Schicht und eine auf der ersten Schicht angeordnete zweite Schicht umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin elektrochemische Zellen in Form von Redox-Flow- Zellen, Elektrolyseuren und Brennstoffzellen.

Wasserstoff stellt einen wichtigen Rohstoff für Schlüssel-Technologien im Hinblick auf eine zukünftige Energiespeicherung und Energiewandlung dar. Die Wasserelektrolyse basiert auf der Zerlegung von Wasser in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauer stoff (O2). Eine Wasserstoff-betriebene Brennstoffzelle erzeugt aus dem Wasserstoff elektrische Energie. Eine Reduzierung der Wasserstoff-Flerstellungskosten durch Elektrolyseure umfassend eine Polymerelektrolytmembrane (PEM-EL) sowie eine Re duzierung der Fierstellkosten der Komponenten einer Brennstoffzelle umfassend eine Polymerelektrolytmembrane (PEM-BZ) stellen eine Grundvoraussetzung für eine zu künftige effiziente Nutzung dieser Anlagen dar. Die Flauptkomponenten eines PEM- Elektrolyseur-Stacks/PEM-Brennstoffzellen-Stacks sind die Bipolarplatten (BiP), die Stromkollektoren beziehungsweise Fluiddiffusionslagen und die Membran-Elektroden- Einheit (MEA). Dabei steuern die Materialien und die Fierstellung der Bipolarplatten einen nicht unerheblichen Anteil zu den Fl erste II kosten der jeweiligen Stacks bei. Die wesentlichen Anforderungen an die Komponenten, wie die Bipolarplatten und Fluiddif fusionslagen, stellen in beiden Anwendungsfeldern eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig niedrigen Substrat- und Grenzflächenwiderständen dar.

Bei der Elektrolyse bilden Titan- und Edelstahlplatten den Stand der Technik. Wäh rend das Einsatzfeld von Edelstahlplatten anodenseitig aufgrund hoher anliegender Oxidationspotentiale auf pFI-Bereiche um 7 beschränkt ist, können Titanplatten über einen breiten pFI-Bereich von 1 bis 7 eingesetzt werden. Kathodenseitig erweist sich Titan als nachteilig, da dieses zu einer Wasserstoffversprödung neigt. Des Weiteren zeigt sich im Betrieb von Elektrolyseur-Stacks mit Titanplatten ein Anstieg der ohm- sehen Verluste aufgrund der Oberflächenpassivierung. Vor diesem Hintergrund ist der Einsatz von Niob, Platin- oder Goldbeschichtungen von Titanplatten bekannt. Ein um fassender Einsatz von Edelstahl zur Ausbildung einer Bipolarplatte erfordert den Ein satz einer elektrochemisch stabilen, leitfähigen und insbesondere dichten, undurch dringlichen Beschichtung. Insbesondere soll eine Dichtheit gegenüber wässrigen Elektrolyten erreicht werden.

Bei der PEM-BZ sind die vorliegenden Potentialfenster moderater und der pH-Bereich weitestgehend auf 3 beschränkt. Jedoch können lokal Betriebsbedingungen in der Zelle auftreten, die zu Potentialen >1,4 V NHE (Normalwasserstoffelektrode) führen können. Dies erfordert den Einsatz edelmetallhaltiger Schichten wie z.B. Ir, Ru oder Au, deren Materialkosten trotz Schichtdicken im nm-Bereich oberhalb des Zielkosten bereichs für Bipolarplatten von 3 $/kW liegen (allgemein anerkannte Zielvorgabe der Energiebehörde der USA, Department of Energy, für das Jahr 2025).

Die EP 3336942 A1 beschreibt ein Metallblech zur Ausbildung eines Separators für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Das metallische Substrat weist eine die Ober fläche des Substrats beschichtenden Film auf, mit einer inselförmigen Zwischen schicht zwischen dem Substrat und dem Film. Die Zwischenschicht umfasst wenigs tens ein Element aus der Gruppe umfassend Nickel, Kupfer, Silber, Gold, oder ist aus einer NiP-Legierung gebildet. Als ein Ausführungsbeispiel ist ein Substrat aus Edel stahl mit einer inselförmigen Zwischenschicht aus NiP und darauf einem elektroche misch aufgebrachten Film aus TiN-dispergiertem NhSn2 beschrieben.

Die JP 2010-272429 A offenbart einen Separator für eine Brennstoffzelle mit einem Substrat aus Kupfer oder einer Kupferlegierung beschichtet mit mindestens einer nasschemisch gebildeten ersten Schicht aus Zinn oder einer Zinnlegierung. Die erste Schicht kann einen leitenden Füllstoff, insbesondere in Form von Kohlenstoff, enthal ten.

Die US 2019 / 0 148741 A1 beschreibt eine elektrochemische Vorrichtung wie eine Brennstoffzelle, eine Batterie, einen Elektrolyseur, eine Redox-Flussbatterie, umfas send ein beschichtetes Bauteil, das ein Substrat aus vorzugsweise einem Metall, wie Kupfer, Eisen, Titan, Aluminium, Nickel oder Edelstahl, aufweist. Das Substrat weist eine Beschichtung aus Zinn oder einer Zinn-Legierung, wie einer Zinn-Nicke- Legierung, einer Zinn-Antimon-Legierung, einer Zinn Nickel-Antimon-Legierung, sowie eine elektrisch leitende Beschichtung umfassend ein Kohlenstoff-basiertes Material und einen Azol-enthaltenden Korrosionsinhibitor auf. Flussbatteriesysteme als Spei chersysteme ermöglichen darüber hinaus eine nachhaltige Energieversorgung für sta tionäre und mobile Anwendungsfelder mittels erneuerbarer Energien. Um hohe Wir kungsgrade und Leistungsdichten zu erreichen, werden möglichst kompakte Batte riestacks angestrebt. Hohe Leistungsdichten stellen jedoch große Herausforderungen an die einzelnen Komponenten eines Batteriestacks dar. Einen neuen Ansatz stellt hier eine metallische Elektrode mit strukturierter Geometrie dar, um für eine homoge ne Verteilung eines Elektrolyten im Aktivbereich zu sorgen und gleichzeitig geringe Abstände zur Membrane zu ermöglichen. Auf der anderen Seite erfordern metallische Elektroden entsprechende Oberflächeneigenschaften, die den hohen Anforderungen an eine elektrochemische Stabilität, einen niedrigen Grenzflächenwiderstand sowie eine katalytische Aktivität gerecht werden.

Bei einer Redox-Flow-Zelle werden häufig als Elektroden Kompositplatten umfassend Kunststoff und Graphit (Dicke ~0,5 - 0,6 mm) mit einer beidseitig aufgebrachten Ruß- Aktivbeschichtung (Dicke ~0,1 - 0,3 mm) eingesetzt, die trockengepresst oder nass chemisch aufgebracht wird. Damit ergibt sich eine Gesamtplattendicke der Elektrode von ~0,7 - 1 ,2 mm. Mit metallischen Platten lassen sich Dicken von < 0,5 mm in groß flächiger Dimensionierung erzielen. Es ist zudem anzunehmen, dass die Verarbeitbar keit von großflächigen metallischen Platten günstiger ausfällt im Vergleich zu spritz gegossenen Kunststoffrahmen mit grafitbasierten Elektroden.

Eine weitere Zellkonfiguration, wie beispielsweise bei der All-Vanadium Redox-Flow- Zelle, besteht aus zwei Bipolarplatten in Form von zwei Elektroden mit meist Graphit filz zur Vergrößerung der aktiven Oberfläche sowie einer Membran. Der Elektrolyt be steht aus in Schwefelsäure gelöstem Vanadium (pH < 1 ). Die Bipolarplatten (Dicke etwa 0,5 - 0,6 mm) werden üblicherweise als planare Platten aus reinem Graphit oder einem Graphit-Polymer-Compound eingesetzt. So zeichnen sich Bipolarplatten aus Polypropylen gefüllt mit Grafit oder Carbon-Nanotubes durch eine hohe Korrosionsbe ständigkeit und hohe Überspannungen für die Wasserstoffentstehungsreaktion (HER) aus. Gegenüber Bipolarplatten aus Graphitkompositen zeichnen sich metallische Bipolar platten durch ihre höhere elektrische Leitfähigkeit und höhere mechanische Stabilität beziehungsweise Festigkeit aus, die bei Zellkonfigurationen mit Graphitfilz zu einer höheren Leistungsfähigkeit und Effizienz aufgrund niedriger ohm’scher Verluste füh ren.

In den Anwendungsfällen PEM-EL, PEM-BZ, und Redox-Flow-Zelle sind jeweils elektrisch leitfähige, dichte Beschichtungen erforderlich. Diese nehmen die Funktion einer Barriereschicht ein und können durch zusätzliche darauf aufgebrachte Schichten im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit, insbesondere katalytische Wirksamkeit, ge steigert werden. Die Anforderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Elektrochemische Stabilität: pH-Bereich: 1-14

Potentialbereich: -1 V NHE bis +3 V NHE (Kurzzeit: -2 V NHE bis +3 V NHE)

Laufzeit: > 10000 h

Grenzflächenwiderstand:

< 10 mOhm cm ² (bei 100 N/cm ² Kontaktdruck)

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil für eine elektrochemische Zelle bereitzustel len, welches diese Anforderungen an eine elektrochemische Stabilität und einen ge ringen Grenzflächenwiderstand erfüllt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrochemische Zelle in Form einer Redox-Flow-Zelle, eines Elektrolyseurs oder ei ne Brennstoffzelle mit einem solchen Bauteil bereitzustellen.

Die Aufgabe wird für das Bauteil einer elektrochemischen Zelle, umfassend ein Me tallsubstrat und ein zumindest partiell auf dem Metallsubstrat galvanisch aufgebrach tes Schichtsystem, wobei das Schichtsystem optional eine auf dem Metallsubstrat an geordnete erste Schicht und eine auf dem Metallsubstrat oder, sofern vorhanden, auf der ersten Schicht angeordnete mindestens eine zweite Schicht umfasst, gelöst, in dem die optionale erste Schicht aus Kupfer oder Nickel gebildet ist und die mindes tens eine zweite Schicht aus einer Legierung umfassend mindestens zwei der Ele mente Zinn, Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Bismuth, Antimon, Kobalt, Mangan, Wolfram, gebildet ist, wobei in der Legierung nichtmetallische Partikel umfassend elektrisch leit fähige Partikel eingebunden vorliegen.

Die elektrisch leitfähigen Partikel weisen dabei eine elektrische Leitfähigkeit in einem Temperaturbereich von 20 bis 25°C in einem Bereich von 0,25 mQcm ² bis 10 mQcm ² 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 Ausbil dung von Elektroden einer Redox-Flow-Zelle, von Bipolarplatten für Brennstoffzellen und Elektrolyseure und von Fluiddiffusionslagen von Elektrolyseuren. Die Anwesen heit nichtmetallischer Partikel, welche eingebunden in die Legierung in der zweiten Schicht vorliegen, verbessert die mechanische Stabilität des Schichtsystems und er möglicht zudem, je nach Material der eingesetzten Partikel, eine weitere Verringerung des Grenzflächenwiderstandes und damit eine Steigerung der Effizienz der elektro chemischen Zelle.

Die Werkstoffe Zinn und Nickel erwiesen sich thermodynamisch über einen breiten pH-Bereich aufgrund einer Bildung von Oxiden als stabil. Besonders bevorzugt ist da her eine Legierung aus einer Zinn-Nickel-Legierung mit einem Nickelgehalt im Bereich von 20 bis 30 Gew.-% gebildet. Ein derart geringer Nickelgehalt ist im Hinblick auf ei ne dadurch verringerte Nickel-Diffusion in die Membrane einer elektrochemischen Zel le von großem Vorteil, da dies zu einer Minimierung oder Verhinderung einer Nickel vergiftung der Membrane führt und damit einen Abfall der Zellleistung wirkungsvoll verhindert. Dadurch erwiesen sich zweite Schichten aus einer solchen Zinn-Nickel- Legierung mit darin dispergierten elektrisch leitfähigen Partikeln, insbesondere aus Kohlenstoff und/oder Graphit und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Kohlen stofffasern und/oder Ruß und/oder Graphen und/oder Graphenoxid, als langzeitstabi ler als Vergleichsschichten aus Gold.

Die Legierung ist alternativ aus einer Kupfer-Zinn-Legierung oder einer Zinn-Silber- Legierung oder einer Zinn-Zink-Legierung oder einer Zinn-Bismut-Legierung oder ei- ner Zinn-Antimon-Legierung oder einer Zinn-Kobalt- Legierung oder einer Nickel- Wolfram-Legierung oder einer Zinn-Mangan-Legierung gebildet.

Insbesondere SnCu hat sich als leistungsfähige Materialzusammensetzung 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 leit fähigen Partikeln, welche eine signifikante Senkung des Grenzflächenwiderstandes am Bauteil bewirken und insbesondere aus mindestens einem Material der Gruppe umfassend Kohlenstoff, Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstofffasern, Ruß, Graphen, Graphenoxid, Metallnitrid, Metallkarbid, gebildet sind.

Der Anteil an elektrisch leitfähigen Partikeln beträgt insbesondere mehr als 50% der nichtmetallischen Partikel. Es hat sich dabei gezeigt, dass die elektrisch leitfähigen Partikel, die aus der zweiten Schicht hervorragen, den elektrischen Kontakt zwischen der Membrane der elektrochemischen Zelle und den elektrischen Kontakten außer halb der elektrochemischen Zelle zuverlässig aufrecht erhalten, auch unter hochkorro siven Bedingungen.

Besonders bevorzugt ist eine Kombination einer Legierung aus einer Zinn-Nickel- Legierung mit einem Nickelgehalt im Bereich von 20 bis 30 Gew.-% mit darin disper gierten nichtmetallischen Partikeln aus mindestens einem Material der Gruppe umfas send Kohlenstoff, Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstofffasern, Ruß, Gra phen, Graphenoxid. Diese Legierung bildet an ihrer Oberfläche eine Oxidschicht als Passivierung aus, die besonders korrosionshemmend wirkt und die Langzeitstabilität der elektrochemischen Zelle erhöht.

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, Be02, CdO, MgO, S1O2, T1O2, Zr02, Fe- Oxide und dergleichen. Eingesetzt. Als Metallkarbide werden bevorzugt SiC, WC, VC, TiC, O2C3, O3C2 und dergleichen eingesetzt. Als Metallnitride werden bevorzugt BN oder SiN und dergleichen eingesetzt. Besonders bevorzugt wird Kohlenstoff in Form von Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstofffasern, Ruß, Graphen oder auch in Form von Graphenoxid eingesetzt. Als Metallsulfide werden bevorzugt M0S2, MoS, NiFeS2 und dergleichen eingesetzt.

Eine bevorzugte Partikelgröße der nichtmetallischen Partikel liegt in einem Bereich von 100 nm bis 8 gm, insbesondere im Bereich von 500 nm bis 6 gm. Besonders be vorzugt werden Partikel im Nanometer-Bereich eingesetzt, die besonders stabil in ei nem Elektrolyten zur galvanischen Abscheidung der zweiten Schicht dispergierbar sind. Insbesondere ist die Partikelgröße so gewählt, dass diese aus der Oberfläche der mindestens einen zweiten Schicht herausragen und so den Kontakt zu einer Membran sicherstellen.

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 Kup fer, eine Kupfer-Legierung, Nickel, eine Nickel-Legierung, einen niedriglegierten Koh lenstoffstahl, gebildet. Insbesondere ist das Metallsubstrat aus Kupfer oder Nickel ge bildet. In einem solchen Fall kann auf die erste Schicht auch verzichtet werden. Als ein niedriglegierter Kohlenstoffstahl hat sich 100Cr6 bewährt. Die optionale erste Schicht und die mindestens eine zweite Schicht sind durch galva nische Abscheidung gebildet. Mittels galvanischer Verfahren ist die Abscheidung von elektrolytdichten Schichten mit einer Schichtdicke >10 Mikrometer für den Einsatz bei der PEM-EL und Redox-flow-Zelle ohne weiteres möglich. Dadurch können galva nisch abgeschiedene, leitfähige und beständige Schichten auf metallischen Substra ten, wie Edelstahl, über ein breites pH- und Potentialfenster erreicht werden. Die nichtmetallischen Partikel werden in einem Elektrolyten zur Ausbildung der zweiten Schicht dispergiert und in die auf der ersten Schicht abgeschiedene Legierung unter Bildung der mindestens einen zweiten Schicht eingebunden.

Es kann/können eine einzelne zweite Schicht oder mehrere zweite Schichten überei nander aufgebracht werden.

Insbesondere erfolgt die galvanische Abscheidung mittels eines sogenannten „Pulse Plating“-Verfahrens, bei dem die am Elektrolyten angelegte Spannung periodisch ab geschaltet oder umgepolt wird. Durch die beim Einschalten kurzzeitig erhaltenen Stromstöße werden vermehrt Keime für die Metallabscheidung gebildet und somit ei ne Grundlage für feinkörnige Niederschläge und Glanz geschaffen.

Das Metallsubstrat ist insbesondere in Form eines Metallblechs oder einer Metallfolie mit einer Dicke im Bereich von 0,05 bis 1 mm ausgebildet. Weiterhin kann das Metall blech oder die Metallfolie eingeprägte dreidimensionale Strukturen aufweisen, um die Oberfläche zu vergrößern und so die Kontaktfläche zu einem Fluid in einer elektro chemischen Zelle zu erhöhen.

Die erste Schicht weist bevorzugt eine Schichtdicke von bis zu 5 pm, insbesondere im Bereich von bis zu 3 pm, auf. Die mindestens eine zweite Schicht weist bevorzugt ei ne Schichtdicke von bis zu 30 pm, insbesondere im Bereich von 5 bis 20 pm, auf. Die bevorzugte Gesamtschichtdicke des Schichtsystems beträgt < 10 pm und liegt insbe sondere im Bereich von 4 bis 8 pm. Eine dem Metallsubstrat abgewandte Oberfläche der zweiten Schicht, welche die Deckschicht des Schichtsystems bildet, ist insbesondere anodisiert. Mittels einer sol chen nachfolgenden Anodisierung ist eine gezielte Anreicherung des jeweiligen Legie rungselements in Form von Oxiden möglich (Oberflächenmodifikation). Dies wird durch Anlagen von Potentialen an in wässrige Elektrolyte eingetauchte Bauteile er reicht.

Das erfindungsgemäße Bauteil ist vorzugsweise in Form einer Elektrode für eine Re- dox-Flow-Zelle ausgebildet, wobei das Schichtsystem das Metallsubstrat zumindest in einem Kontaktbereich zu einem Elektrolyten, gegebenenfalls weiterhin in einem Kon taktbereich mit einem mit Elektrolyt durchströmten Graphitfilz, der Redox-Flow-Zelle bedeckt.

Die Aufgabe wird weiterhin für eine Redox-Flow-Zelle, insbesondere Redox-Flow- Batterie, gelöst, umfassend die mindestens eine Elektrode für die Redox-Flow-Zelle und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mit einem pFI-Wert im Bereich von -1 bis 14.

Die Redox-Flow-Zelle umfasst bevorzugt mindestens zwei Elektroden, einen ersten Reaktionsraum und einen zweiten Reaktionsraum, wobei jeder Reaktionsraum in Kon takt mit einer der Elektroden steht und wobei die Reaktionsräume durch eine lonen- austauschmembran voneinander getrennt sind. In den Reaktionsräumen kann jeweils ein Graphitfilz angeordnet sein, der an die jeweilige Elektrode angrenzend angeordnet ist.

So werden zur Ausbildung einer Redox-Flow-Batterie bevorzugt mehr als 10, insbe sondere 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: DFIPS) 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(S04)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 Poly merelektrolytmembrane.

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

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 Beispiel 3:

Metallsubstrat: Kupfer galvanisch erzeugte erste Schicht: entfällt galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnCu nichtmetallische Partikel: Graphit und SiC Beispiel 4:

Metallsubstrat: Aluminium galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnZn nichtmetallische Partikel: Graphenoxid und S1O2 Beispiel 5:

Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnBi nichtmetallische Partikel: Graphen und WC Beispiel 6:

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

Beispiel 7: Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating): Legierung: SnCo nichtmetallische Partikel: Kohlenstoffnanoröhrchen und MgO

Metallsubstrat: Edelstahl galvanisch erzeugte erste Schicht: Kupfer oder Nickel galvanisch erzeugte zweite Schicht (DC, Pulse Plating):

Legierung: NiW nichtmetallische Partikel: Graphit und M0S2

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

Die Figuren 1 bis 8 zeigen beispielhaft Bauteile und deren Einsatz in elektrochemi schen 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 Seiten ansicht;

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 in der Draufsicht auf eine Oberfläche 4.

Figur 2 zeigt das Bauteil 1 gemäß Figur 1 im Schnittbild ll-ll. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Erkennbar ist nun das Metallsubstrat 2, hier beispielsweise aus Edelstahl, in Form eines Metallbleches. Das Metallblech ist beidseitig galvanisch mit einer ersten Schicht 3a aus Nickel beschichtet in einer Schichtdicke von 1 pm. Auf der ersten Schicht 3 befindet sich jeweils eine galvanisch aufgebrachte zweite Schicht 3b aus einer Zinn-Nickel-Legierung enthaltend nichtme tallische Partikel aus Graphit in einer Schichtdicke im Bereich von 5 pm.

Figur 3 zeigt ein weiteres Bauteil 1 ^' mit dreidimensionaler Strukturierung 5 in der Sei tenansicht. Das Bauteil 1 ^' umfasst ein hier nicht sichtbares Metallsubstrat 2, das all seitig von einem Schichtsystem 3 bedeckt ist

Figur 4 zeigt ein Bauteil 1 ^" im Querschnitt, welches ein Metallsubstrat 2 aus Nickel aufweist. Das Metallsubstrat 2 bildet hier gleichzeitig die erste Schicht 3a aus. Die da rauf galvanische ausgebildete zweite Schicht 3b ist aus einer Zinn-Nickel-Legierung enthaltend nichtmetallische Partikel aus Graphit und SiC in einer Schichtdicke von 10 pm ausgebildet.

Figur 5 zeigt ein Bauteil 1 a in Form einer Elektrode in dreidimensionaler Ansicht um fassend ein Metallsubstrat 2 in Form eines Metallblechs aus Titan beschichtet mit ei nem Schichtsystem 3. In dem Metallsubstrat 2 ist eine dreidimensionale Strukturie rung 5 zur Ausbildung jeweils eines Flussfeldes 7 vorhanden, so dass eine Vergröße rung der Oberfläche der Elektrode resultiert, die in einer Redox-Flow-Zelle 8 (verglei che Figur 6) von einem Elektrolyten angeströmt werden soll.

Figur 6 zeigt eine Redox-Flow-Zelle 8 beziehungsweise eine Redox-Flow-Batterie mit einer Redox-Flow-Zelle 8. Die Redox-Flow-Zelle 8 umfasst zwei Bauteile 1a, 1b in Form von Elektroden (vergleiche Figur 5), einen ersten Reaktionsraum 10a und einen zweiten Reaktionsraum 10b, wobei jeder Reaktionsraum 10a, 10b in Kontakt mit einer der Elektroden steht. In den Reaktionsräumen 10a, 10b kann Graphitfilz, der hier nicht gesondert dargestellt ist, angeordnet sein. Die hier nicht sichtbaren Flussfelder 7 (ver- gleiche Figur 5) der Elektroden sind einer lonenaustauschmembran 9a, und sofern vorhanden dem jeweiligen Graphitfilz, zugewandt ausgerichtet. Die Reaktionsräume 10a, 10b sind durch die lonenaustauschmembran 9a voneinander getrennt. Der Gra phitfilz, sofern vorhanden, ist zumindest geringfügig komprimiert zwischen der jeweili gen Elektrode und der lonenaustauschmembran 9a eingebracht, wobei der Graphitfilz von Elektrolytflüssigkeit durchströmbar ist. Dabei kann der Elektrolyt im Bereich einer strukturierten Oberfläche der Elektrode teilweise am Graphitfilz vorbei und weiterhin durch diesen hindurch strömen. Ein flüssiger Anolyt 11 a wird aus einem Tank 13a über eine Pumpe 12a in den ersten Reaktionsraum 10a gepumpt und zwischen dem Bauteil 1a und der lonenaustauschmembran 9a hindurchgeführt. Ein flüssiger Katholyt 11b wird aus einem Tank 13b über eine Pumpe 12b in den zweiten Reaktionsraum 10b gepumpt und zwischen dem Bauteil 1b und der lonenaustauschmembran 9a hin durchgeführt. Es erfolgt ein lonentausch über die lonenaustauschmembran 9a hin weg, wobei aufgrund der Redox-Reaktion an den Elektroden elektrische Energie frei wird.

Figur 7 zeigt eine Elektrolysezelle 20 eines Elektrolyseurs umfassend eine Polymer elektrolytmembrane 9, welche eine Anodenseite A und eine Kathodenseite K vonei nander trennt. Beiderseits der Polymerelektrolytmembrane 9 ist jeweils eine Katalysa torschicht 21a, 21b umfassend jeweils ein Katalysatormaterial sowie eine Fluiddiffusi onslage 22a, 22b aus Titan (anodenseitig) und einem Graphitfilz (kathodenseitig) an die Katalysatorschicht 21a, 21b angrenzend angeordnet. Die Fluiddiffusionslagen 22a, 22b sind jeweils angrenzend an ein Bauteil 1 e, 1 f in Form einer elektrisch leitfähigen Platte angeordnet. Die Platten sind aus Edelstahl gebildet und weisen zumindest auf ihren den Fluiddiffusionslagen 22a, 22b zugewandten Seiten ein galvanisch aufge brachtes Schichtsystem 3 (vergleiche Figur 2) auf. Die Platten weisen weiterhin je weils eine dreidimensionale Strukturierung 5 auf, die Strömungskanäle 23a, 23b auf jeweils den Fluiddiffusionslagen 22a, 22b zugewandten Seiten der Platten ausbildet, um eine Zufuhr von Reaktionsmedium (Wasser) und eine Abfuhr von Reaktionspro dukten (Wasser, Wasserstoff, Sauerstoff) zu verbessern.

Figur 8 zeigt schematisch einen Brennstoffzellenstapel 100 umfassend mehrere Brennstoffzellen 90. Jede Brennstoffzelle 90 umfasst eine Polymerelektrolytmembrane 9, die zu beiden Seiten von Bauteilen 1c, 1d in Form von Bipolarplatten benachbart ist. Eine jede Bipolarplatte weist ein Metallsubstrat 2 mit einem galvanisch aufge brachten Schichtsystem 3 (vergleiche Figur 2) auf. Die Bipolarplatte weist einen Ein- strömbereich mit Öffnungen 80a sowie einen Auslassbereich mit weiteren Öffnungen 80b auf, die zur Versorgung einer Brennstoffzelle 90 mit Prozessgasen und Kühlmittel und zur Abführung von Reaktionsprodukten aus der Brennstoffzelle 90 und Kühlmittel dienen. Die Bipolarplatte weist weiterhin auf jeder Seite eine Gasverteilerstruktur 6 auf, die zur Anlage an die Polymerelektrolytmembrane 9 vorgesehen ist. Die Figuren 1 bis 8 sollen die Erfindung lediglich beispielhaft erläutern. Es sollen je doch weitere elektrochemische Zellen mit mindestens einem erfindungsgemäß aus gebildeten Bauteil vom Erfindungsgedanken umfasst sein.

Bezuqszeichenliste

1, r, 1 ^" , 1 a, 1b, 1c, 1 d, 1e, 1f Bauteil 2 Metallsubstrat

3 Schichtsystem

3a erste Schicht

3b zweite Schicht

4 Oberfläche

5 dreidimensionale Strukturierung

6 Gasverteilerstruktur

7 Flussfeld

8 Redox-Flow-Zelle 9 Polymerelektrolytmembrane

9a lonentauschermembran

10a erster Reaktionsraum

10b zweiter Reaktionsraum

11a Anolyt

11b Katholyt

12a, 12b Pumpe 13a, 13b Tank 20 Elektrolysezelle

21a, 21b Katalysatorschicht 22a, 22b Fluiddiffusionsschicht 23a, 23b Strömungskanäle 80a, 80b Öffnungen 90 Brennstoffzelle 100 Brennstoffzellenstapel A Anodenseite K Kathodenseite