DE102022107044A1

DE102022107044A1 - redox flow cell

Info

Publication number: DE102022107044A1
Application number: DE102022107044.1A
Authority: DE
Inventors: Mehmet Oete; Jeevanthi Vivekananthan; Nathan Kruppe
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2023-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Redox-Flusszelle (1), umfassend eine Ionenaustauschmembran (2), die einen ersten Elektrolytraum (3a) von einem zweiten Elektrolytraum (3b) trennt, sowie einer ersten Elektrolytlösung (4a), die in Kontakt zu einer ersten Elektrode (5a) im ersten Elektrolytraum (3a) angeordnet ist, und einer zweiten Elektrolytlösung (4b), welche in Kontakt zu einer zweiten Elektrode (5b) im zweiten Elektrolytraum (3b) angeordnet ist, wobei die erste Elektrolytlösung (3a) Bromwasserstoff enthält. Zumindest die erste Elektrode (5a) weist ein metallisches Trägerelement (6) aus Stahl auf, wobei das Trägerelement (6) zumindest in seinem Kontaktbereich zur ersten Elektrolytlösung (3a) mindestens eine erste Beschichtung (7) aufweist, die aus Niob oder einer Nioblegierung gebildet ist.The invention relates to a redox flow cell (1), comprising an ion exchange membrane (2) which separates a first electrolyte space (3a) from a second electrolyte space (3b), and a first electrolyte solution (4a) which is in contact with a first electrode ( 5a) is arranged in the first electrolytic space (3a), and a second electrolytic solution (4b) which is arranged in contact with a second electrode (5b) in the second electrolytic space (3b), the first electrolytic solution (3a) containing hydrogen bromide. At least the first electrode (5a) has a metallic support element (6) made of steel, the support element (6) having at least one first coating (7) made of niobium or a niobium alloy, at least in its contact area with the first electrolyte solution (3a). is.

Description

Die Erfindung betrifft eine Redox-Flusszelle, umfassend eine Ionenaustauschmembran, die einen ersten Elektrolytraum von einem zweiten Elektrolytraum trennt, sowie mit einer ersten Elektrolytlösung, die in Kontakt zu einer ersten Elektrode im ersten Elektrolytraum angeordnet ist, und einer zweiten Elektrolytlösung, welche in Kontakt zu einer zweiten Elektrode im zweiten Elektrolytraum angeordnet ist, wobei die erste Elektrolytlösung Bromwasserstoff enthält.The invention relates to a redox flow cell, comprising an ion exchange membrane, which separates a first electrolyte space from a second electrolyte space, and having a first electrolyte solution, which is arranged in contact with a first electrode in the first electrolyte space, and a second electrolyte solution, which is in contact with a second electrode is arranged in the second electrolyte space, the first electrolyte solution containing hydrogen bromide.

Eine Redox-Flusszelle wird häufig auch als Redox-Flow-Zelle, Redox-Flow-Batterie oder Redox-Flussbatterie bezeichnet und weist zwei Elektrolytkammern zur Aufnahme von Anolyt und Katholyt als Elektrolytlösungen auf, die von einer, meist polymeren, Ionenaustauschmembran voneinander getrennt sind.A redox flow cell is often also referred to as a redox flow cell, redox flow battery or redox flow battery and has two electrolyte chambers for holding anolyte and catholyte as electrolyte solutions, which are separated from one another by an ion exchange membrane, usually polymeric.

Die WO 2014 / 052 682 A1 beschreibt elektrochemische Zellen, wie Redox-Flusszellen, mit Elektroden auf Basis von Kohlenstoff oder Titan, die ein Redox-Paar in Form von einerseits Chinonen/Hydrochinonen und andererseits Br₂/Br - aufweisen. Dabei wird Bromwasserstoff (HBr) einem der beiden vorhandenen Elektrolyte zugesetzt.WO 2014/052 682 A1 describes electrochemical cells, such as redox flow cells, with electrodes based on carbon or titanium, which have a redox pair in the form of quinones/hydroquinones on the one hand and Br ₂ /Br − on the other. Hydrogen bromide (HBr) is added to one of the two electrolytes present.

Die DE 10 2014 001 816 A1 offenbart eine Redox-Flusszelle mit zwei Elektrodenkammern für die Elektrolytlösungen. Die Elektroden sind aus Graphit/Graphitfilz gebildet. Es ist weiterhin offenbart, dass ein Brom/Bromwasserstoff-Elektrolyt sehr korrosive Eigenschaften aufweist.The DE 10 2014 001 816 A1 discloses a redox flow cell with two electrode chambers for the electrolyte solutions. The electrodes are formed from graphite/graphite felt. It is further disclosed that a bromine/hydrogen bromide electrolyte has very corrosive properties.

Die EP 3 022 792 B1 offenbart Redox-Flow-Batterien mit Elektroden aus Kunststoff oder aus einem Kunststoff enthaltenden Verbundwerkstoff.The EP 3 022 792 B1 discloses redox flow batteries with plastic or plastic-containing composite electrodes.

Die DE 10 2019 121 673 A1 beschreibt eine Elektrodeneinheit, insbesondere für eine Redox-Flow-Zelle, umfassend zumindest ein metallisches Substrat und eine Beschichtung, welche auf dem Substrat aufgebracht ist. Die Beschichtung umfasst mindestens eine Schutzschicht, die aus Titanniobnitrid und/oder Titanniobkarbid gebildet ist.The DE 10 2019 121 673 A1 describes an electrode unit, in particular for a redox flow cell, comprising at least one metallic substrate and a coating which is applied to the substrate. The coating comprises at least one protective layer formed from titanium niobium nitride and/or titanium niobium carbide.

Bei einer Bromwasserstoff (HBr) enthaltenden Elektrolytlösung sind die Elektroden in einer Redox-Flusszelle einem starken korrosiven Angriff ausgesetzt. Daher wurden speziell für diese Art von Flusszellen in der Regel Elektroden auf Kohlenstoffbasis oder Verbundwerkstoffe enthaltend Kunststoff eingesetzt.
Derartige Elektroden sind in Form von Elektrodenplatten ausgebildet, die üblicherweise mehr als 0,5 cm dick sind, um eine ausreichende mechanische Festigkeit bereitzustellen.With an electrolyte solution containing hydrogen bromide (HBr), the electrodes in a redox flow cell are exposed to severe corrosive attack. For this reason, carbon-based electrodes or composite materials containing plastic were generally used specifically for this type of flow cell.
Such electrodes are in the form of electrode plates, typically more than 0.5 cm thick, to provide sufficient mechanical strength.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine platzsparende und zudem insbesondere eine die Anströmung der Ionenaustauschmembran verbessernde Elektrode mit ausreichender Korrosionsbeständigkeit für eine Bromwasserstoff-Redox-Flusszelle bereitzustellen.It is therefore the object of the invention to provide a space-saving electrode which, moreover, in particular, improves the flow against the ion exchange membrane and has sufficient corrosion resistance for a hydrogen bromide redox flow cell.

Die Aufgabe wird für die Redox-Flusszelle, umfassend eine Ionenaustauschmembran, die einen ersten Elektrolytraum von einem zweiten Elektrolytraum trennt, sowie mit einer ersten Elektrolytlösung, die in Kontakt zu einer ersten Elektrode im ersten Elektrolytraum angeordnet ist, und einer zweiten Elektrolytlösung, welche in Kontakt zu einer zweiten Elektrode im zweiten Elektrolytraum angeordnet ist, wobei die erste Elektrolytlösung Bromwasserstoff enthält, dadurch gelöst, dass zumindest die erste Elektrode ein metallisches Trägerelement aus Stahl aufweist und wobei das Trägerelement zumindest in seinem Kontaktbereich zur ersten Elektrolytlösung mindestens eine erste Beschichtung aufweist, die aus Niob oder einer Nioblegierung gebildet ist.The object is for the redox flow cell comprising an ion exchange membrane separating a first electrolyte compartment from a second electrolyte compartment, and having a first electrolytic solution arranged in contact with a first electrode in the first electrolytic compartment and a second electrolytic solution which is in contact is arranged in relation to a second electrode in the second electrolytic space, with the first electrolytic solution containing hydrogen bromide, in that at least the first electrode has a metal support element made of steel and the support element has at least one first coating, at least in its contact area with the first electrolytic solution, which consists of Niobium or a niobium alloy is formed.

Metallische Trägerelemente weisen im Vergleich zu Elektrodenplatten aus Kohlenstoff oder einem Kohlenstoff-Kunststoff-Verbundmaterial bereits bei geringer Dicke eine höhere mechanische Festigkeit auf, so dass die Elektrode platzsparend ausgeführt und in der Bromwasserstoff-Redox-Flusszelle eingesetzt werden kann. Als Trägermaterial verwendeter Stahl ist dabei bevorzugt ein Edelstahl.Compared to electrode plates made of carbon or a carbon-plastic composite material, metallic carrier elements have a higher mechanical strength even at a lower thickness, so that the electrode can be designed to save space and can be used in the hydrogen bromide redox flow cell. Steel used as the carrier material is preferably a high-grade steel.

Eine erste Beschichtung aus Niob oder einer Nioblegierung erhöht die Kosten der Elektrode nur geringfügig, stellt aber einen ausreichenden Schutz der Elektrode vor Korrosion in der Bromwasserstoff-haltigen Elektrolytlösung bereit.A first coating of niobium or a niobium alloy increases the cost of the electrode only slightly, but provides adequate protection of the electrode from corrosion in the electrolytic solution containing hydrogen bromide.

Die Nioblegierung enthält als Hauptbestandteil Niob und weiterhin vorzugsweise mindestens ein Element der Gruppe umfassend Titan, Hafnium, Tantal, Wolfram. Auch derartige Legierungen stellen einen ausreichenden Korrosionsschutz für die Elektrode in der Bromwasserstoff-haltigen Elektrolytlösung bereit.The niobium alloy contains niobium as the main component and also preferably at least one element from the group comprising titanium, hafnium, tantalum, tungsten. Such alloys also provide adequate protection against corrosion for the electrode in the electrolytic solution containing hydrogen bromide.

Die Ionenaustauschmembran ist vorzugsweise eine polymere Membran.The ion exchange membrane is preferably a polymeric membrane.

Auf der ersten Beschichtung ist bevorzugt mindestens eine zweite Beschichtung aufgebracht, wobei die zweite Beschichtung mindestens ein Element aus der Gruppe umfassend Titan, Hafnium, Tantal, Iridium, Ruthenium, Silizium, Wolfram, und weiterhin mindestens ein nicht-metallisches Element aus der Gruppe umfassend Stickstoff, Kohlenstoff, Fluor, Bor, Sauerstoff, Wasserstoff, enthält. Dadurch wird der Schutz der ersten Elektrode vor Korrosion in der Bromwasserstoff-haltigen Elektrolytlösung noch weiter verbessert. Dabei können eine, zwei oder mehr zweite Beschichtungen, vorzugsweise unterschiedlicher Zusammensetzung, aufgebracht werden.At least one second coating is preferably applied to the first coating, the second coating containing at least one element from the group consisting of titanium, hafnium, tantalum, iridium, ruthenium, silicon, tungsten, and also at least one non-metallic element from the group consisting of nitrogen , carbon, fluorine, boron, oxygen, hydrogen. This further protects the first electrode from corrosion in the electrolytic solution containing hydrogen bromide further improved. One, two or more second coatings, preferably of different composition, can be applied.

Auf einer, der ersten Beschichtung abgewandten Oberfläche der mindestens einen zweiten Beschichtung ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Deckschicht aus Platin angeordnet. Dadurch wird der Schutz der ersten Elektrode vor Korrosion in der Bromwasserstoff-haltigen Elektrolytlösung noch weiter verbessert, allerdings auch die Kosten zur Herstellung der ersten Elektrode erhöht.In a further preferred embodiment of the invention, a cover layer made of platinum is arranged on a surface of the at least one second coating that faces away from the first coating. As a result, the protection of the first electrode against corrosion in the electrolytic solution containing hydrogen bromide is improved even further, but the costs for producing the first electrode are also increased.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Redox-Flusszelle ist auch die zweite Elektrode identisch zur ersten Elektrode ausgebildet und weist das metallische Trägerelement aus Stahl und die erste Beschichtung, optional weiterhin die mindestens eine zweite Beschichtung und optional weiterhin die Deckschicht auf.In a preferred configuration of the redox flow cell, the second electrode is also designed identically to the first electrode and has the metallic carrier element made of steel and the first coating, optionally the at least one second coating and optionally the cover layer.

Nachfolgend sind bevorzugte Ausgestaltungen der ersten Elektrode, optional auch der zweiten Elektrode aufgezeigt.Preferred configurations of the first electrode, optionally also of the second electrode, are shown below.

Die erste Beschichtung und/oder die mindestens eine zweite Beschichtung und/oder die Deckschicht ist/sind bevorzugt mittels eines PVD-Verfahrens gebildet. Alternativ oder ergänzend sind auch andere zur Bildung eines Dünnfilms geeignete Auftragungsverfahren verwendbar, wie ein CVD-Verfahren oder ein galvanisches Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren.The first coating and/or the at least one second coating and/or the cover layer is/are preferably formed by means of a PVD process. Alternatively or additionally, other application methods suitable for forming a thin film can also be used, such as a CVD method or a galvanic method or a sol-gel method.

Die erste Beschichtung und/oder jede zweite Beschichtung und/oder die Deckschicht weist/weisen bevorzugt jeweils eine Schichtdicke im Bereich von 3 nm bis 3 µm auf. Die erste Beschichtung weist insbesondere eine Schichtdicke von mindestens 50 nm auf. Die mindestens eine zweite Beschichtung weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 50 nm bis 900 nm auf. Die Deckschicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 3 nm bis 10 nm auf.The first coating and/or every second coating and/or the cover layer preferably has/have a layer thickness in the range from 3 nm to 3 μm. In particular, the first coating has a layer thickness of at least 50 nm. The at least one second coating preferably has a layer thickness in the range from 50 nm to 900 nm. The cover layer preferably has a layer thickness in the range from 3 nm to 10 nm.

Die erste Beschichtung, die mindestens eine zweite Beschichtung und die Deckschicht weisen zusammen vorzugsweise eine Gesamtschichtdicke D im Bereich von 100 bis 500 nm auf.The first coating, the at least one second coating and the top layer together preferably have a total layer thickness D in the range from 100 to 500 nm.

Es hat sich bewährt, wenn das Trägerelement aus einem Stahlblech gebildet ist. Dabei sind Bleche mit einer Blechdicke im Bereich von 0,5 mm bis 1 mm bevorzugt. Insbesondere weist das Stahlblech eine die erste Elektrolytlösung strömungstechnisch leitende, geprägte dreidimensionale Oberflächenstruktur auf. Die Oberflächenstruktur bildet bevorzugt Kanäle und/oder Strukturen aus, die die Elektrolytlösung zur freien Oberfläche der Ionenaustauschmembran leiten und an dieser gleichmäßig verteilen. Das Trägerelement kann alternativ aus einem Streckmetall oder einem offen-porösen Sintermetallkörper oder einem offen-porösen Metallschaum gebildet ein. Auch metallische Gewebe, Gestricke und dergleichen sind als Trägerelemente einsetzbar. In diesem Fall müssen alle Oberflächen des Trägerelements, die in Kontakt mit der ersten Elektrolytlösung gelangen, zumindest mit der ersten Beschichtung bedeckt sein.It has proven useful if the carrier element is formed from sheet steel. Sheets with a sheet thickness in the range from 0.5 mm to 1 mm are preferred. In particular, the steel sheet has an embossed three-dimensional surface structure that conducts the flow of the first electrolyte solution. The surface structure preferably forms channels and/or structures that conduct the electrolyte solution to the free surface of the ion exchange membrane and distribute it evenly. Alternatively, the carrier element can be formed from expanded metal or an open-porous sintered metal body or an open-porous metal foam. Metallic fabrics, knitted fabrics and the like can also be used as carrier elements. In this case, all surfaces of the carrier element that come into contact with the first electrolytic solution must be covered at least with the first coating.

Die 1 bis 4 sollen eine erfindungsgemäße Bromwasserstoff-Redox-Flusszelle beispielhaft erläutern. So zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Redox-Flusszelle,
2 eine erste Elektrode in dreidimensionaler Ansicht,
3 einen Querschnitt durch eine erste Elektrode mit erster Beschichtung, zweiter Beschichtung und Deckschicht, und
4 einen Querschnitt durch eine erste Elektrode mit erster Beschichtung.

The 1 until 4 are intended to exemplify a hydrogen bromide redox flow cell according to the invention. So shows:

1 a schematic representation of a redox flow cell,
2 a first electrode in three-dimensional view,
3 a cross section through a first electrode with a first coating, a second coating and a cover layer, and
4 a cross section through a first electrode with a first coating.

1 zeigt eine Redox-Flusszelle 1 beziehungsweise eine Redox-Flow-Batterie. Die Redox-Flusszelle 1 umfasst eine polymere Ionenaustauschmembran 2, die einen ersten Elektrolytraum 3a von einem zweiten Elektrolytraum 3b trennt. Weiterhin ist eine erste Elektrolytlösung 4a vorhanden, die einem Elektrolyttank 10a vorgehalten wird. Die erste Elektrolytlösung 4a strömt von einer Pumpe 11a angetrieben in Pfeilrichtung durch den ersten Elektrolytraum 3a, wo sie in Kontakt zu einer ersten Elektrode 5a im ersten Elektrolytraum 3a gelangt. Eine zweite Elektrolytlösung 4b, die in einem weiteren Elektrolyttank 10b vorgehalten wird, strömt von einer weiteren Pumpe 11b angetrieben in Pfeilrichtung durch den zweiten Elektrolytraum 3b, wo sie in Kontakt zu einer zweiten Elektrode 5b gelangt. Die erste Elektrolytlösung 4a enthält den Bromwasserstoff HBr. Zumindest die erste Elektrode 5a, optional auch die zweite Elektrode 5b, weist ein metallisches Trägerelement 6 aus Stahl auf. Das Trägerelement 6 weist zumindest in seinem Kontaktbereich zur ersten Elektrolytlösung 4a, optional für die zweite Elektrode 5b zumindest in seinem Kontaktbereich zur zweiten Elektrolytlösung 4b, mindestens eine erste Beschichtung 7 auf, die aus Niob oder einer Nioblegierung gebildet ist. Es erfolgt ein Ionentausch über die Ionenaustauschmembran 2 hinweg, wobei aufgrund der Redox-Reaktion an den Elektroden 5a, 5b elektrische Energie frei wird oder beim Laden der Redox-Flussbatterie 1 verbraucht wird. 1 shows a redox flow cell 1 or a redox flow battery. The redox flow cell 1 comprises a polymeric ion exchange membrane 2 which separates a first electrolyte space 3a from a second electrolyte space 3b. Furthermore, a first electrolytic solution 4a is present, which is kept in an electrolytic tank 10a. Driven by a pump 11a, the first electrolytic solution 4a flows in the direction of the arrow through the first electrolytic space 3a, where it comes into contact with a first electrode 5a in the first electrolytic space 3a. A second electrolyte solution 4b, which is stored in a further electrolyte tank 10b, flows in the direction of the arrow, driven by a further pump 11b, through the second electrolyte chamber 3b, where it comes into contact with a second electrode 5b. The first electrolytic solution 4a contains the hydrogen bromide HBr. At least the first electrode 5a, optionally also the second electrode 5b, has a metallic carrier element 6 made of steel. The carrier element 6 has at least one first coating 7, which is formed from niobium or a niobium alloy, at least in its contact area with the first electrolytic solution 4a, optionally for the second electrode 5b at least in its contact area with the second electrolytic solution 4b. An ion exchange takes place across the ion exchange membrane 2 , electrical energy being released due to the redox reaction at the electrodes 5 a , 5 b or being consumed when the redox flow battery 1 is charged.

2 zeigt eine erste Elektrode 5a in einer dreidimensionalen Ansicht. Es ist ein metallisches Trägerelement 6 aus Stahl erkennbar, hier in Form eines Stahlbleches. Das Stahlblech weist eine, die erste Elektrolytlösung 4a (vergleiche 1) strömungstechnisch leitende, geprägte dreidimensionale Oberflächenstruktur 6a in Form von Kanälen auf. Auf der, der ersten Elektrolytlösung 4a zugewandten Oberfläche des Trägerelements 6 ist eine erste Beschichtung 7 aus Niob oder einer Nioblegierung ausgebildet. Die erste Beschichtung 7 ist mittels eines PVD-Verfahrens gebildet und weist eine Schichtdicke von 0,5 µm auf. Weiterhin sind Öffnungen 50 in der ersten Elektrode 5a zur Zu- und Ableitung der ersten Elektrolytlösung 4a in den Elektrolytraum 3a vorhanden. 2 shows a first electrode 5a in a three-dimensional view. It's a metallic one Carrier element 6 made of steel can be seen, here in the form of a sheet steel. The steel sheet has a first electrolytic solution 4a (cf 1 ) fluidically conductive, embossed three-dimensional surface structure 6a in the form of channels. A first coating 7 made of niobium or a niobium alloy is formed on the surface of the carrier element 6 facing the first electrolytic solution 4a. The first coating 7 is formed using a PVD process and has a layer thickness of 0.5 μm. Furthermore, there are openings 50 in the first electrode 5a for supplying and removing the first electrolytic solution 4a into the electrolytic space 3a.

3 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Elektrode 5a. Auf einem metallischen Trägerelement 6 aus Stahlblech ist eine erste Beschichtung 7 ausgebildet, die als Hauptbestandteil Niob und weiterhin Tantal aufweist. Die erste Beschichtung 7 weist eine Schichtdicke von 50 nm auf. Auf der ersten Beschichtung 7 ist eine zweite Beschichtung 8 umfassend Tantal, Kohlenstoff und Fluor ausgebildet. Die zweite Beschichtung 8 weist eine Schichtdicke von 440 nm auf. Auf der zweiten Beschichtung 8 befindet sich eine Deckschicht 9 aus Platin in einer Schichtdicke von 10 nm. Eine Gesamtschichtdicke D umfassend die erste Beschichtung 7, die zweite Beschichtung 8 und die Deckschicht 9 liegt hier bei 500 nm. 3 shows a cross section through a first electrode 5a. A first coating 7 is formed on a metallic carrier element 6 made of sheet steel, which has niobium and also tantalum as its main component. The first coating 7 has a layer thickness of 50 nm. A second coating 8 comprising tantalum, carbon and fluorine is formed on the first coating 7 . The second coating 8 has a layer thickness of 440 nm. On the second coating 8 there is a top layer 9 made of platinum with a layer thickness of 10 nm. A total layer thickness D comprising the first coating 7, the second coating 8 and the top layer 9 is 500 nm here.

4 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Elektrode 5a mit einem metallischen Trägerelement 6 aus Stahlblech und der ersten Beschichtung 7 in Form von Niob. Die erste Beschichtung 7 weist eine Schichtdicke von 50 nm auf. 4 shows a cross section through a first electrode 5a with a metallic carrier element 6 made of sheet steel and the first coating 7 in the form of niobium. The first coating 7 has a layer thickness of 50 nm.

Generell kann die zweite Elektrode 5b analog zur erste Elektrode 5a ausgeführt werden.In general, the second electrode 5b can be designed analogously to the first electrode 5a.

BezugszeichenlisteReference List

11: Redox-Flusszelleredox flow cell
22: Ionenaustauschmembraneion exchange membrane
3a3a: erster Elektrolytraumfirst electrolyte room
3b3b: zweiter Elektrolytraumsecond electrolyte space
4a4a: erste Elektrolytlösungfirst electrolyte solution
4b4b: zweite Elektrolytlösungsecond electrolyte solution
5a5a: erste Elektrodefirst electrode
5b5b: zweite Elektrodesecond electrode
66: metallisches Trägerelementmetallic support element
6a6a: Oberflächenstruktursurface texture
77: erste Beschichtungfirst coating
88th: zweite Beschichtungsecond coating
99: Deckschichttop layer
5050: Öffnungenopenings
8080: Oberflächesurface
10a10a: Elektrolytbehälterelectrolyte container
10b10b: Elektrolytbehälterelectrolyte container
11a11a: Pumpepump
11b11b: Pumpepump
DD: Gesamtschichtdicketotal layer thickness

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102014001816 A1 [0004]DE 102014001816 A1 [0004]
EP 3022792 B1 [0005]EP 3022792 B1 [0005]
DE 102019121673 A1 [0006]DE 102019121673 A1 [0006]

Claims

Redox-Flusszelle (1), umfassend eine Ionenaustauschmembran (2), die einen ersten Elektrolytraum (3a) von einem zweiten Elektrolytraum (3b) trennt, sowie einer ersten Elektrolytlösung (4a), die in Kontakt zu einer ersten Elektrode (5a) im ersten Elektrolytraum (3a) angeordnet ist, und einer zweiten Elektrolytlösung (4b), welche in Kontakt zu einer zweiten Elektrode (5b) im zweiten Elektrolytraum (3b) angeordnet ist, wobei die erste Elektrolytlösung (3a) Bromwasserstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Elektrode (5a) ein metallisches Trägerelement (6) aus Stahl aufweist und wobei das Trägerelement (6) zumindest in seinem Kontaktbereich zur ersten Elektrolytlösung (3a) mindestens eine erste Beschichtung (7) aufweist, die aus Niob oder einer Nioblegierung gebildet ist.Redox flow cell (1) comprising an ion exchange membrane (2) separating a first electrolyte compartment (3a) from a second electrolyte compartment (3b), and a first electrolyte solution (4a) in contact with a first electrode (5a) in the first Electrolyte space (3a) is arranged, and a second electrolytic solution (4b), which is arranged in contact with a second electrode (5b) in the second electrolytic space (3b), the first electrolytic solution (3a) containing hydrogen bromide, characterized in that at least the first electrode (5a) has a metallic support element (6) made of steel and wherein the support element (6) has at least one first coating (7) made of niobium or a niobium alloy, at least in its contact area with the first electrolyte solution (3a).

Redox-Flusszelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nioblegierung als Hauptbestandteil Niob und weiterhin mindestens ein Element der Gruppe umfassend Titan, Hafnium, Tantal, Wolfram, enthält.Redox flow cell (1) after claim 1 , characterized in that the niobium alloy contains niobium as the main component and also at least one element from the group consisting of titanium, hafnium, tantalum and tungsten.

Redox-Flusszelle (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Beschichtung (7) mindestens eine zweite Beschichtung (8) aufgebracht ist, wobei die zweite Beschichtung (8) mindestens ein Element aus der Gruppe umfassend Titan, Hafnium, Tantal, Iridium, Ruthenium, Silizium, Wolfram, und weiterhin mindestens ein nicht-metallisches Element aus der Gruppe umfassend Stickstoff, Kohlenstoff, Fluor, Bor, Sauerstoff, Wasserstoff, enthält.Redox flow cell (1) after claim 1 or claim 2 , characterized in that at least one second coating (8) is applied to the first coating (7), the second coating (8) containing at least one element from the group consisting of titanium, hafnium, tantalum, iridium, ruthenium, silicon, tungsten, and further contains at least one non-metallic element from the group comprising nitrogen, carbon, fluorine, boron, oxygen, hydrogen.

Redox-Flusszelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer, der ersten Beschichtung (7) abgewandten Oberfläche (80) der mindestens einen zweiten Beschichtung (8) eine Deckschicht (9) aus Platin angeordnet ist.Redox flow cell (1) after claim 3 , characterized in that a cover layer (9) made of platinum is arranged on a surface (80) of the at least one second coating (8) facing away from the first coating (7).

Redox-Flusszelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung (7) und/oder die mindestens eine zweite Beschichtung (8) und/oder die Deckschicht (9) mittels eines PVD-Verfahrens gebildet ist/sind.Redox flow cell (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the first coating (7) and/or the at least one second coating (8) and/or the cover layer (9) is/are formed by means of a PVD process.

Redox-Flusszelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (6) aus einem Stahlblech gebildet ist.Redox flow cell (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the carrier element (6) is formed from a steel sheet.

Redox-Flusszelle (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech eine die erste Elektrolytlösung (3a) strömungstechnisch leitende, geprägte dreidimensionale Oberflächenstruktur (6a) aufweist.Redox flow cell (1) after claim 6 , characterized in that the steel sheet has an embossed three-dimensional surface structure (6a) that conducts the flow of the first electrolytic solution (3a).

Redox-Flusszelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (6) aus einem Streckmetall oder einem offen-porösen Sintermetallkörper oder einem offen-porösen Metallschaum oder einem metallischen Gewebe, Gestrick oder Vlies gebildet ist.Redox flow cell (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the carrier element (6) is formed from an expanded metal or an open-porous sintered metal body or an open-porous metal foam or a metallic fabric, knitted fabric or fleece.

Redox-Flusszelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung (7) und/oder jede zweite Beschichtung (8) und/oder die Deckschicht (9) jeweils eine Schichtdicke im Bereich von 3 nm bis 3 µm aufweist/aufweisen.Redox flow cell (1) according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the first coating (7) and/or each second coating (8) and/or the cover layer (9) each has/have a layer thickness in the range from 3 nm to 3 µm.

Redox-Flusszelle (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung (7) und die mindestens eine zweite Beschichtung (8) und die Deckschicht (9) zusammen eine Gesamtschichtdicke (D) im Bereich von 100 bis 500 nm aufweisen.Redox flow cell (1) after claim 9 , characterized in that the first coating (7) and the at least one second coating (8) and the cover layer (9) together have a total layer thickness (D) in the range from 100 to 500 nm.