[发明专利]涂层和层体系以及双极板、燃料电池和电解装置

说明书

本发明涉及一种涂层(3a)，特别是用于燃料电池或电解装置的双极板(1)的涂层，其中，涂层(3a)由均质或非均质的金属固溶体组成。根据本发明，涂层(3a)要么以至少99原子％的浓度具有来自贵金属组的铱形式的第一化学元素，要么具有来自贵金属组的铱形式的第一化学元素和来自贵金属组的钌形式的第二化学元素，其中，第一化学元素和第二化学元素总共以至少99原子％的浓度存在，此外还含有至少另一种选自包括氮、碳、氟的组的非金属化学元素，其中还可选地存在仅痕量的氧和/或氢。本发明还涉及涂层体系(3)、具有这样的涂层体系(3)的双极板(1)、燃料电池以及电解装置。

技术领域

本发明涉及一种涂层，尤其是用于燃料电池或电解装置的双极板的涂层。此外，本发明涉及具有这种涂层的层体系以及具有这种层体系的双极板。本发明还涉及具有这种双极板的燃料电池或电解装置。

背景技术

已知电化学系统，例如燃料电池，特别是聚合物电解质燃料电池，和用于这种燃料电池和电解装置的导电性集电板，以及原电池和电解装置中的集电体。

一个这样的例子是燃料电池、特别是氧半电池中的双极板或单极板。双极板或单极板构造为含有碳作为主要成分的碳板(例如石墨板)的形式。这些板往往倾向于脆性并且相对较厚，使得它们显著降低燃料电池的功率容积。另一个缺点是它们缺乏物理(例如热机械)和/或化学和/或电稳定性。

还已知由金属(特别是奥氏体)不锈钢生产燃料电池的集电板。这些板的优点在于板的可实现的小于0.5mm的厚度。该厚度是所追求的，从而可以将燃料电池的结构空间和重量都保持得尽可能低。在这些板中成问题的是在燃料电池的运行过程中形成表面氧化物，使得表面电阻不能忍受地提高和/或发生电化学破坏(例如腐蚀)。

从公开文件DE 10 2010 026 330 A1、DE 10 2013 209 918 A1、DE 11 2005 001704 T5和DE 11 2008 003 275 T5得知，为了实现例如燃料电池的双极板的使用要求，为作为载体的奥氏体不锈钢涂覆金层，金层处在最高达2nm的带范围中。该需求解决方案同样具有多个缺点。例如，金层即使仅2nm厚，对于大规模应用而言仍然太昂贵。更大的缺点在于化学元素金的基本性质。金比载体材料非腐蚀性奥氏体钢(不锈钢)更具贵金属特性，并因此在燃料电池中的不利工作条件下导致载体的溶解(例如孔状腐蚀或孔状腐蚀)，结果导致寿命降低。在特别是含氯化物的环境(例如气溶胶)中不能防止腐蚀。特别是，另一个缺点是用于高负荷应用的金例如在标准氢单元1500mV以上的电解条件下在酸性和碱性环境中均不稳定。

从现有技术中还已知基于氮化物或碳化物的所谓硬质材料层形式的在载体上的层。这样的一个例子是氮化钛，然而氮化钛倾向于在燃料电池工作时形成氧化金属络合物，直至封闭表覆盖层。这导致表面电阻即使在不锈钢的情况下也增加到高值。例如由专利文献DE 199 37 255 B4和EP 1273060 B1以及公开文本DE 100 17 200 A1中可知用氮化铬或碳氮化铬涂覆的方法。

根据组成而定地，硬质材料层具有非常好的工作性能(例如耐腐蚀性、耐磨性、高轮廓精度)，但是如果在燃料电池中的不利工作条件下形成浓差链，则存在阳极溶解的风险。当在燃料电池中发生内部电化学短路的情况下，例如当在燃料电池的膜-电极单元的活性电极和双极板之间形成水膜的情况下，产生所谓的局部元素或意外的和不期望的反应元素时，则会发生这种阳极溶解。

还已知基于氮化物的具有非常薄的金层或铂层的多重涂层。这也可以在贵金属的层厚度大于2μm的情况下获得对于燃料电池令人满意的工作结果。在阳极电位高的情况下，溶解的基本问题仍然存在。层厚度确保了几乎无孔的顶层，从而降低了点蚀的风险。

还已知所谓的尺寸稳定的阳极。在此借助于难熔金属形成具有氧化钌和/或氧化铱的单相或多相氧化物。尽管这种类型的层非常稳定，但会形成过高的电阻。如果通常由贵金属制成的载体的表面掺杂有铱，则同样如此。