DE102013207075A1

DE102013207075A1 - Bipolar plate concept with integrated power distributors for electrolysers

Info

Publication number: DE102013207075A1
Application number: DE102013207075.6A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Sauter; Sebastian Maass
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-10-23
Also published as: JP2014210974A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Elektrolyseure, insbesondere der PEM-Elektrolyseure. Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten mit integrierten Stromverteilerschichten bereitgestellt, wobei die einzelnen Teile durch Sintern miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren führt zu einer Senkung der Produktionskosten bei gleichbleibender oder verbesserter Haltbarkeit der Bipolarplatten.The present invention relates to the technical field of electrolysers, in particular PEM electrolysers. A method for producing bipolar plates with integrated current distribution layers is provided, the individual parts being connected to one another by sintering. This process leads to a reduction in production costs with the same or improved durability of the bipolar plates.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für einen Elektrolyseur, insbesondere für einen PEM-Elektrolyseur.The present invention relates to a method for producing bipolar plates for an electrolyzer, in particular for a PEM electrolyzer.

Stand der TechnikState of the art

Die saure Elektrolyse von Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff wird üblicherweise in Proton Exchange Membrane-Elektrolyseuren (PEM-Elektrolyseuren) durchgeführt. In einem solchen PEM-Elektrolyseur sind Anode und Kathode durch eine Protonen leitende Membran voneinander getrennt. Als Membranmaterial wird üblicherweise Polyfluorosulfonsäure (PFSA) unverstärkt oder mit einer Polytetrafluorethylen (PTFE)-Matrix verstärkt eingesetzt. Die alkalische Elektrolyse von Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff wird üblicherweise mit einem flüssigen Elektrolyten (konzentrierte wässrige KOH-Lösung) durchgeführt, kann aber auch in einem Anion Exchange Membrane Elektrolyseur (AEM-Elektrolyseur) durchgeführt werden.The acidic electrolysis of water to oxygen and hydrogen is usually carried out in proton exchange membrane electrolyzers (PEM electrolysers). In such a PEM electrolyzer anode and cathode are separated by a proton-conducting membrane. As membrane material, polyfluorosulfonic acid (PFSA) is usually used unreinforced or reinforced with a polytetrafluoroethylene (PTFE) matrix. The alkaline electrolysis of water to oxygen and hydrogen is usually carried out with a liquid electrolyte (concentrated aqueous KOH solution), but can also be carried out in an anion exchange membrane electrolyzer (AEM electrolyzer).

Bipolarplatten für die PEM- und AEM-Elektrolyseure Elektrolyseure bestehen üblicherweise aus mehreren Einzelplatten, die aufeinander gestapelt angeordnet sind. Aus dem Stand der Technik sind folgende Anordnungen der Einzelplatten für eine Bipolarplatte bekannt: 1. Eine graphitische Einzelplatte in Kombination mit einer metallischen Einzelplatte, die auch durch eine weitere metallische Separatorplatte getrennt sein können, 2. Zwei metallische Einzelplatten mit geprägten oder gefrästen Medienverteilerkanälen oder einer porösen Medienverteilerstruktur, die ebenfalls durch eine weitere metallische Separatorplatte voneinander getrennt sein können. Darüber hinaus können gerade in Hochtemperatur-PEM-Elektrolyseuren Kühlmedienverteiler in die Bipolarplatten eingearbeitet sein oder direkt an sie angrenzen. Bipolar plates for the PEM and AEM electrolyzers Electrolysers usually consist of several individual plates, which are stacked on top of each other. The following arrangements of the individual plates for a bipolar plate are known from the prior art: 1. A graphitic single plate in combination with a metallic single plate, which may also be separated by a further metallic separator plate, 2. Two single metal plates with embossed or milled media distribution channels or a porous media distribution structure, which may also be separated from each other by a further metallic separator plate. In addition, especially in high-temperature PEM electrolysers, cooling medium distributors can be incorporated into the bipolar plates or directly adjoin them.

Bei der Herstellung solcher Bipolarplatten werden typischerweise die einzelnen Schichten aufeinander gestapelt und gegebenenfalls in einen gemeinsamen Dichtrahmen eingespritzt. Dabei müssen alle Kontaktflächen zwischen den Schichten mit Beschichtungen versehen werden, die eine Passivierung und damit eine Kontaktwiderstandserhöhung über die Lebenszeit der Bimetallplatte bzw. des Elektrolyseurs in hinreichendem Maße unterbinden. Dieses betrifft auch die an die Bipolarplatte angrenzenden oder in sie eingearbeiteten Stromverteilerstrukturen.In the production of such bipolar plates typically the individual layers are stacked and optionally injected into a common sealing frame. In this case, all contact surfaces between the layers must be provided with coatings which prevent a passivation and thus a contact resistance increase over the lifetime of the bimetallic plate and the electrolyzer to a sufficient extent. This also applies to the power distribution structures adjacent to or incorporated into the bipolar plate.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Durch die vorliegende Erfindung wird dementsprechend folgendes bereitgestellt: Ein Verfahren zur Herstellung metallischer Bipolarplatten von Elektrolyseuren, umfassend gleichzeitiges Verbinden metallischer Lagen durch Sintern.Accordingly, the present invention provides: A method of making metal bipolar plates from electrolyzers comprising simultaneously bonding metallic layers by sintering.

Dieses Verfahren zur Herstellung metallischer Bipolarplatten von Elektrolyseuren kann erfindungsgemäß zumindest zu einer Verringerung der Beschichtungen und der Notwendigkeit des Auftragens und somit zu einer Senkung der Produktionskosten bei gleichbleibender oder verbesserter Haltbarkeit der Bipolarplatten führen.This method for producing metallic bipolar plates of electrolyzers can according to the invention lead at least to a reduction of the coatings and the necessity of application and thus to a reduction of the production costs with the same or improved durability of the bipolar plates.

Sintern im Sinne der vorliegenden Erfindung beschreibt das Verbinden von Teilen durch Zusammenwachsen von Korngrenzen über Oberflächendiffusionsprozesse, also durch die Ausbildung gemeinsamer Kristalle. Diese Vorgänge finden unterhalb der Schmelztemperatur der Einzelteile statt, so dass kein Aufschmelzen erforderlich ist. Bei Einkomponentensystemen geschieht dieses üblicherweise bei 60 bis 80 % der Schmelztemperatur. Durch das Sintern im erfindungsgemäßen Verfahren werden sehr gute elektrische und thermische Leitfähigkeiten erhalten. Aufgrund der echten Verbindung der Teile sind die erhaltenen Leitfähigkeiten langzeitstabil. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die Einzelteile nicht mit einer Antikorrosionsbeschichtung versehen werden müssen.Sintering in the sense of the present invention describes the joining of parts by coalescence of grain boundaries via surface diffusion processes, thus by the formation of common crystals. These processes take place below the melting temperature of the individual parts, so that no melting is required. In one-component systems, this usually occurs at 60 to 80% of the melting temperature. By sintering in the process according to the invention very good electrical and thermal conductivities are obtained. Due to the real connection of the parts, the resulting conductivities are long-term stable. Another advantage of the method according to the invention is that the individual parts do not have to be provided with an anti-corrosion coating.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die metallischen Lagen Bipolarplattenteile. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die metallischen Lagen zusätzlich mindestens eine Stromverteilerschicht umfassen. Dadurch kann in einem besonders effizienten Verfahrensschritt zu einer stabilen Bipolarplatte-Stromverteilerschichteinheit gelangt werden.In a preferred embodiment of the present invention, the metallic layers comprise bipolar plate parts. It is particularly preferred that the metallic layers additionally comprise at least one power distribution layer. This can be achieved in a particularly efficient process step to a stable bipolar plate power distribution layer unit.

Alle Teile der Bipolarplatte inklusive wahlweise mindestens einer Stromverteilerschicht werden bevorzugt gleichzeitig gesintert, um Prozesseinheiten und Prozesskosten zu minimieren. Dabei können die Bipolarplatten aus zwei, wie beispielsweise zwei geprägten Halbplatten, oder mehreren Teilen bestehen. Diese können typischerweise aus unterschiedlichen Metallen bestehen. Metalle im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Eisen, Aluminium, Titan, Kupfer sowie Gemische und übliche und dem Fachmann bekannte Legierungen davon. Zu beachten bei der Auswahl der Materialien und der Sintertemperatur ist, dass die gemeinsam zu sinternden Schichten sinterkompatibel sind, d.h. in einem ähnlichen Temperaturbereich sintern. Werden Materialien mit deutlich unterschiedlichen Schmelzpunkten gesintert, wird typischerweise die niedrigste Schmelztemperatur der eingesetzten Materialien überschritten. Dieser Zusammenhang ist dem Fachmann bekannt und ist auch im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in der Ausprägung und der Anordnung der Bauteile zu beachten. All parts of the bipolar plate, including optionally at least one power distribution layer, are preferably sintered simultaneously in order to minimize process units and process costs. In this case, the bipolar plates may consist of two, such as two embossed half-plates, or several parts. These can typically consist of different metals. For the purposes of the present invention, metals are, for example, iron, aluminum, titanium, copper and mixtures and customary alloys known to the person skilled in the art. It should be noted in the choice of materials and sintering temperature that the layers to be sintered together are sinter compatible, i. sinter in a similar temperature range. If materials with significantly different melting points are sintered, typically the lowest melting temperature of the materials used is exceeded. This relationship is known to the person skilled in the art and must also be taken into account in the method according to the present invention in the form and arrangement of the components.

Das erfindungsgemäße Zusammensintern der einzelnen Bauteile der Bipolarplatte wie Separator, Stromverteilerstruktur, Medienverteilerstruktur und Dichtrahmen kann dabei sowohl das Herstellen eines dieser Bauteile und gleichzeitige Verbinden dieses Bauteils mit mindestens einem anderen dieser Bauteile als auch das Verbinden zweier Bauteile durch eine dazwischen liegende Sinterschicht umfassen. Das generelle Prinzip des Herstellens eines Bauteils mittels eines Sinterprozesses kann generell das Formen des Bauteils aus einem Metallpulver oder einem Pulvergemisch und ein Verpressen des Pulvers oder auch eine Formung (wie beispielsweise Gießen in eine Form) und anschließender Trocknung sowie Sintern umfassen. The Zusammensintern invention the individual components of the bipolar plate such as separator, power distribution structure, media distribution structure and sealing frame can include both the manufacture of one of these components and simultaneous connection of this component with at least one other of these components as well as the joining of two components by an intervening sintered layer. The general principle of manufacturing a component by means of a sintering process may generally include forming the component from a metal powder or a powder mixture and compressing the powder or else forming (such as casting into a mold) and then drying and sintering.

Darüber hinaus verfügen Hochtemperatur-PEMs, die bei Temperaturen von deutlich über 100 °C arbeiten, über zusätzliche, üblicherweise metallische Zwischenschichten, die Kühlmittelkanäle enthalten. Solche Medienverteilerstrukturen bzw. Kühlmittelverteiler können beispielsweise auf nur einer der beiden Einzelplatten der Bipolarplatte ausgeprägt sein, die andere Platte ist in diesem Fall auf der Rückseite eben. Diese beiden Einzelplatten sind dann so angeordnet, dass sie mit der Kühlmittelseite, in diesem Fall der ebenen Seite, aufeinandergelegt sind, so dass der Kühlmittelverteiler in der Platte liegt und die Gaseverteiler nach außen zeigen und eine Anode und eine Kathode benachbarter Elektrolysezellen versorgen. In addition, high-temperature PEMs operating at temperatures significantly above 100 ° C have additional, typically metallic, interlayers that contain coolant channels. Such media distribution structures or coolant distributors can for example be pronounced on only one of the two individual plates of the bipolar plate, the other plate is flat in this case on the back. These two individual plates are then arranged so that they are superimposed with the coolant side, in this case the flat side, so that the coolant distributor lies in the plate and the gas manifolds face outward and supply an anode and a cathode of adjacent electrolysis cells.

Typischerweise ist die Stromverteilerstruktur der Anode, der Sauerstoffseite des Elektrolyseurs, als feinporige metallische Struktur ausgestaltet, wie beispielsweise als Drahtgewebe, Streckmetall oder metallischer Sinter. In ähnlicher Weise besteht die Stromverteilerstruktur der Kathode, der Wasserstoffseite des Elektrolyseurs, üblicherweise aus einer feinporigen graphitischen Struktur, wie sie auch in PEM-Brennstoffzellen eingesetzt wird. Es können aber auch feinporige metallische Strukturen wie beispielsweise aus einer Edelstahllegierung zum Einsatz kommen, die typischerweise als Drahtgewebe, Streckmetall oder metallischer Sinter ausgestaltet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die zu sinternden Teile der Bimetallplatte und der mindestens einen Stromverteilerschicht ausgewählt aus Blechen und/oder dreidimensionalen offenporigen Strukturen, insbesondere Drahtgeweben, Streckmetallen, Sintermetallen und Metallschäumen. Die Stromverteilerschichten können in einer bevorzugten Ausführungsform auf einer oder auf beiden Seiten der Bipolarplatte aufgesintert werden.Typically, the current distribution structure of the anode, the oxygen side of the electrolyzer, is designed as a fine-pored metallic structure, such as wire mesh, expanded metal or metallic sinter. Similarly, the current distribution structure of the cathode, the hydrogen side of the electrolyzer, usually consists of a fine-pored graphitic structure, as used in PEM fuel cells. However, it is also possible to use fine-pored metallic structures such as, for example, a stainless steel alloy, which are typically designed as wire mesh, expanded metal or metallic sinter. In a preferred embodiment of the present invention, the parts of the bimetal plate and the at least one power distribution layer to be sintered are selected from sheets and / or three-dimensional open-pore structures, in particular wire mesh, expanded metals, sintered metals and metal foams. The power distribution layers may in a preferred embodiment be sintered on one or both sides of the bipolar plate.

Nach dem Sinterprozess besteht die Bipolarplatte bzw. die Bipolarplatte inklusive der mindestens einen Stromverteilerschicht aus einem Bauteil mit in sich festem Zusammenhalt. An dieses Bauteil können nach Bedarf eine oder mehrere Dichtungen in einem oder mehreren Schritten wie beispielsweise durch Kleben oder Spritzen angebracht werden. After the sintering process, the bipolar plate or the bipolar plate, including the at least one power distribution layer, consists of a component having a cohesive strength. One or more seals may be attached to this component as needed in one or more steps such as by gluing or spraying.

Die Bipolarplatte kann dabei bevorzugt aus einer der folgenden Schichtanordnungen bestehen: a) eine geprägte oder gefräste metallische Platte, b) eine geprägte oder gefräste metallische Bimetallplatte, die zuvor beispielsweise durch Kaltwalzen hergestellt wurde, oder c) eine flache metallische Platte mit zwei porösen metallischen Medienverteilerschichten zu beiden Seiten der Platte, die bevorzugt als Bimetallplatte ausgeführt sein kann. Darauf werden bevorzugt auf einer oder zu beiden Seiten die jeweiligen Stromverteilerschichten aufgesintert, sofern diese mit den angrenzenden Materialien der Bipolarplatte zusammen sinterbar sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden daher ein oder mehrere metallische Dichtrahmen gleichzeitig oder in einem getrennten Sinterschritt an eine oder beide Seite der Bipolarplatte angesintert.The bipolar plate may preferably consist of one of the following layer arrangements: a) an embossed or milled metal plate, b) an embossed or milled metallic bimetallic plate, which was previously produced for example by cold rolling, or c) a flat metallic plate with two porous metallic media distribution layers on both sides of the plate, which may be preferably designed as a bimetallic plate. Then, the respective power distribution layers are preferably sintered on one or both sides, provided that they are sintered together with the adjacent materials of the bipolar plate. In a further preferred embodiment of the present invention, therefore, one or more metallic sealing frames are sintered simultaneously or in a separate sintering step to one or both sides of the bipolar plate.

Bevorzugt wird dabei der Separator bzw. Zellseparator in der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren als Bimetallblech aus Titanblech und Stahlblech ausgeführt. Als Titan im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sowohl handelsübliches Titanblech als auch ebenfalls handelsübliche Titanlegierungen, wie beispielsweise Ti-6Al-4V (d.h. eine Titanlegierung mit 6 % Aluminium und 4 % Vanadium) dienen. Weitere geeignete und gebräuchliche Titanlegierungen sind dem Fachmann bekannt.In this case, the separator or cell separator in the bipolar plate according to the invention and the production method according to the invention are preferably designed as a bimetal sheet of titanium sheet and steel sheet. Titanium for the purposes of the present invention may be both commercially available titanium sheet and also commercially available titanium alloys such as Ti-6Al-4V (i.e., a titanium alloy containing 6% aluminum and 4% vanadium). Further suitable and customary titanium alloys are known to the person skilled in the art.

Unter einem Bimetall wird allgemein ein Metallstreifen verstanden, der aus zwei Schichten unterschiedlicher Metalle oder Metalllegierungen besteht. Die Schichten sind dabei meist formschlüssig und stoffschlüssig verbunden. A bimetal is generally understood to mean a metal strip consisting of two layers of different metals or metal alloys. The layers are usually connected positively and cohesively.

Bevorzugt ist dabei, dass der verwendete Stahl ein Edelstahl ist, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der Edelstähle mit den AISI-Bezeichnungen 316, 316L, 410, 304, 303, 304L, 301, P2000 und 321, besonders bevorzugt den AISI-Bezeichnungen 316 und 316L. Die AISI-Bezeichnungen sind die normierten Bezeichnungen des American Iron and Steel Institute für die Zusammensetzungen von Edelstählen und dem Fachmann gemeinhin bekannt. Dabei sind die hier aufgeführten Edelstähle beispielhaft zu verstehen, anhand derer der Fachmann weitere zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Edelstähle auswählen kann.It is preferred that the steel used is a stainless steel, preferably selected from the group of stainless steels with the AISI designations 316, 316L, 410, 304, 303, 304L, 301, P2000 and 321, more preferably the AISI designations 316 and 316L. The AISI designations are the standard designations of the American Iron and Steel Institute for the compositions of stainless steels and commonly known to those skilled in the art. Here, the stainless steels listed here are to be understood by way of example, by means of which the skilled person can select further suitable for use in the present invention stainless steels.

Das Bimetallblech des erfindungsgemäßen Zellseparators kann durch Verbinden eines Stahlbleches und eines Titanbleches erhalten werden. Das Verbinden kann durch Nieten, Punktschweißen, Verschrauben, Verkleben, und besonders bevorzugt Plattieren erhalten werden. The bimetallic sheet of the cell separator of the present invention can be obtained by bonding a steel sheet and a titanium sheet. The bonding can be achieved by riveting, spot welding, Screwing, bonding, and more preferably plating are obtained.

Unter der bevorzugten Plattierung im Sinne der vorliegenden Erfindung versteht der Fachmann allgemein ein Kaltwalz- oder auch Kaltpressschweißverfahren, bei dem beide Bleche aufeinander unter hohem Druck und unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Einzelteile gewalzt werden. Durch die extrem enge Berührung der beiden Kontaktflächen erfolgt die Zerstörung störender Oberflächenschichten und auf Grund von nun wirkenden zwischenatomaren Bindekräften eine stabile Verbindung der Werkstücke. Somit entsteht in der Kontaktzone des Stahlbleches und des Titanbleches eine unlösbare Verbindung. Eine solche Verbindung ist besonders für Strom tragende Elemente geeignet. Ein weiterer Vorteil der Plattierung gegenüber anderen Arten der Beschichtung besteht darin, dass keine Risse während eines weiteren Prägeprozesses, beispielsweise in der bevorzugten Prägung von Kanalstrukturen in das Bimetallblech des erfindungsgemäßen Zellseparators, entstehen.Among the preferred plating in the context of the present invention, the skilled person generally understands a cold-rolling or cold-pressure welding process, in which both sheets are rolled on each other under high pressure and below the recrystallization temperature of the items. Due to the extremely close contact of the two contact surfaces, the destruction of interfering surface layers and due to now acting between atomic bonding forces a stable connection of the workpieces. Thus, in the contact zone of the steel sheet and the titanium sheet creates a permanent connection. Such a connection is particularly suitable for current-carrying elements. Another advantage of the plating over other types of coating is that no cracks during a further embossing process, for example in the preferred embossing of channel structures in the bimetallic sheet of Zellseparators invention arise.

Die Gesamtdicke des Bimetall-Zellseparators beträgt zwischen 10 und 2000 µm, bevorzugt zwischen 20 und 1000 µm, besonders bevorzugt zwischen 50 und 500 µm.The total thickness of the bimetallic cell separator is between 10 and 2000 .mu.m, preferably between 20 and 1000 .mu.m, particularly preferably between 50 and 500 .mu.m.

Bevorzugt ist dabei, dass das Stahlblech dicker ist als das Titanblech. Je größer die Dicke des Stahlbleches und je geringer die Dicke des Titanbleches in Relation zueinander ist, desto größer ist die Kostenreduktion durch Einsparung an teurem Titanblech. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt daher der Anteil der Dicke des Stahlblechs an der Gesamtdicke des erfindungsgemäßen Bimetall-Separators mindestens 55%, bevorzugt mindestens 60%, weiter bevorzugt mindestens 65%, besonders bevorzugt mindestens 70% und ganz besonders bevorzugt mindestens 75%. Dabei versteht sich, dass der Rest der Gesamtdicke des Bimetall-Separators aus der entsprechenden Dicke des Titanblechs besteht. It is preferred that the steel sheet is thicker than the titanium sheet. The greater the thickness of the steel sheet and the smaller the thickness of the titanium sheet in relation to each other, the greater the cost reduction by saving on expensive titanium sheet. In a preferred embodiment, therefore, the proportion of the thickness of the steel sheet in the total thickness of the bimetallic separator according to the invention at least 55%, preferably at least 60%, more preferably at least 65%, more preferably at least 70% and most preferably at least 75%. It is understood that the remainder of the total thickness of the bimetal separator consists of the corresponding thickness of the titanium sheet.

Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform zu einer oder zu beiden Seiten ein metallischer Dichtrahmen im selben oder in einem getrennten Sinterschritt an die Mehrschichtstruktur angesintert werden. Dadurch entfällt zu beiden Seiten der Bipolarplatte jeweils eine Dichtfläche zum jeweiligen Dichtrahmen, der gleichzeitig die Zelldicke einstellt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nur eine Medienverteilerstruktur mit einer Stromverteilerstruktur zusammen gesintert.Furthermore, according to the present invention, in a preferred embodiment, on one or both sides of a metallic sealing frame in the same or in a separate sintering step are sintered to the multi-layer structure. This eliminates on both sides of the bipolar plate in each case a sealing surface to the respective sealing frame, which adjusts the cell thickness at the same time. In another preferred embodiment, only one media distribution structure is sintered together with a power distribution structure.

Die zu sinternden Teile der Bipolarplatte mit integrierter Stromverteilerschicht sind bevorzugt Bleche und/oder dreidimensionale offenporige Strukturen wie Drahtgewebe, Streckmetalle, Sintermetalle oder Metallschäume in beliebiger Kombination. Hierbei kann das Zusammensintern der Teile einer solchen Platte an allen oder nur an einem Teil der Kontaktflächen erfolgen. The parts of the bipolar plate with integrated current distribution layer to be sintered are preferably sheets and / or three-dimensional open-pored structures such as wire mesh, expanded metals, sintered metals or metal foams in any desired combination. In this case, the sintering together of the parts of such a plate can take place on all or only part of the contact surfaces.

Der Sinterprozess kann batchweise oder kontinuierlich erfolgen. Im Batchprozess werden typischerweise zwischen 1 und 1000 Bauteilen gemeinsam im Ofen gesintert. Im kontinuierlichen Prozess werden einzelne oder zusammenhängende Bipolarplatten in einem Durchlaufofen, wie beispielsweise in einem Bandsinterofen, gesintert.The sintering process can be batchwise or continuous. In the batch process typically between 1 and 1000 components are sintered together in the furnace. In the continuous process, single or contiguous bipolar plates are sintered in a continuous furnace, such as in a belt sintering furnace.

Dementsprechend wird eine Bipolarplatte für einen Elektrolyseur bereitgestellt, umfassend einen Zellseparator, geprägten, gefrästen oder porösen Medienverteilerstrukturen und mindestens einseitig aufgesinterten porösen Stromverteilerstrukturen, wobei die Einzelteile durch Sinterflächen verbunden sind. Bevorzugt umfasst der Zellseparator ein bevorzugt kaltgewalztes Bimetallblech, umfassend Titanblech oder Stahlblech, bevorzugt Edelstahlblech.Accordingly, a bipolar plate is provided for an electrolyzer comprising a cell separator, embossed, milled or porous media distribution structures, and porous power distribution structures sintered on at least one side, the individual parts being connected by sintered surfaces. The cell separator preferably comprises a preferably cold-rolled bimetal sheet comprising titanium sheet or steel sheet, preferably stainless steel sheet.

Durch den Verfahrensschritt des Sinterns gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden insbesondere durch die Einsparung von Prozesszeit und Korrosionsschutzschichten die Herstellungskosten reduziert. Darüber hinaus ist Sintern gegenüber anderen Verbindungsmöglichkeiten wie beispielsweise Laser- oder Lötverbinden ein preisgünstiger und für die Massenproduktion hervorragend geeigneter Prozess. Dementsprechend sind die erfindungsgemäßen Bipolarplatten entsprechend günstiger in der Herstellung, sind hervorragend haltbar und mechanisch und chemisch stabil und eignen sich somit ausgezeichnet für den Einsatz in den gängigen Elektrolyseuren.The sintering process step according to the method of the present invention reduces the production costs, in particular by saving process time and corrosion protection layers. In addition, sintering over other connectivity options, such as laser or solder bonding, is a low cost and excellent process for mass production. Accordingly, the bipolar plates according to the invention are correspondingly cheaper to produce, are extremely durable and mechanically and chemically stable and are therefore ideal for use in the common electrolysers.

Beschreibung der FigurenDescription of the figures

1a bis 1c zeigen verschiedene Ausgestaltungen von erfindungsgemäßen Bipolarplatten 1a; 1b; 1c, welche jeweils einen Zellseparator 2a; 2b; 2c, Medienverteilerstrukturen 3a; 3b; 3c und aufgesinterte poröse Stromverteilerstrukturen 4a; 4b; 4c aufweisen. Dabei sind die einzelnen Bauteile jeweils durch Sinterflächen 5a; 5b; 5c miteinander verbunden. 1a zeigt dabei eine Bipolarplatte 1a mit einem Zellseparator 2a, zwei geprägten oder gefrästen Medienverteilerstrukturen 3a, welche Kanäle 6a zum Leiten eines Mediums, insbesondere eines Kühlmittels, aufweisen, und beidseitig aufgesinterten porösen Stromverteilerstrukturen 4a. Die einzelnen Bauteile sind durch die Sinterflächen 5a miteinander verbunden. 1b veranschaulicht eine Bipolarplatte 1b aus einem Zellseparator 2b, porösen Medienverteilerstrukturen 3b, welche aufgrund ihrere Porosität durchlässig für ein Medium, insbesondere ein Kühlmittel, sind, und beidseitig aufgesinterten porösen Stromverteilerstrukturen 4b sowie Sinterflächen 5b, welche die Einzelteile miteinander verbinden. 1c zeigt eine geprägte Bipolarplatte 1c mit einem geprägtem wellenförmigen Zellseparator 2c, beidseitig aufgesinterten porösen Stromverteilerstrukturen 4c und die einzelnen Komponenten verbindenden Sinterflächen 5c. Der wellenförmige Zellseperator 2c und die Stromverteilerstrukturen 4c bilden Kanäle 6c zum Leiten eines Mediums, insbesondere eines Kühlmittels. Aufgrund der Zellseparatorform ist eine Medienverteilerstruktur, wie sie in den Ausgestaltungen gemäß 1a und 1b vorgesehen ist, nicht erforderlich. 1a to 1c show various embodiments of bipolar plates according to the invention 1a ; 1b ; 1c , which each have a cell separator 2a ; 2 B ; 2c , Media Distribution Structures 3a ; 3b ; 3c and sintered porous power distribution structures 4a ; 4b ; 4c exhibit. The individual components are each by sintered surfaces 5a ; 5b ; 5c connected with each other. 1a shows a bipolar plate 1a with a cell separator 2a , two embossed or milled media distribution structures 3a which channels 6a for conducting a medium, in particular a coolant, and on both sides sintered porous power distribution structures 4a , The individual components are through the sintered surfaces 5a connected with each other. 1b illustrates a bipolar plate 1b from a cell separator 2 B , porous media distribution structures 3b which, due to their porosity, are permeable to a medium, in particular a coolant, and porous power distribution structures sintered on both sides 4b as well as sintered surfaces 5b which connect the items together. 1c shows an embossed bipolar plate 1c with an embossed undulating cell separator 2c , sintered on both sides porous Stromverteilerstrukturen 4c and the individual components connecting sintered surfaces 5c , The wavy cell separator 2c and the power distribution structures 4c form channels 6c for conducting a medium, in particular a coolant. Due to the Zellseparatorform is a media distribution structure, as in the embodiments according to 1a and 1b is provided, not required.

Der Zellseparator 2a; 2b; 2c kann dabei jeweils als geprägte oder gefräste metallische Platte oder als geprägte oder gefräste Bimetallplatte, welche zuvor z.B. durch Kaltwalzen hergestellt wurde, ausgebildet sein.The cell separator 2a ; 2 B ; 2c can be formed in each case as embossed or milled metallic plate or as embossed or milled bimetallic plate, which was previously produced for example by cold rolling.

In 2 ist eine erfindungsgemäße Bipolarplatten/Stromverteilerstruktur mit gleichzeitig aufgesintertem Dichtrahmen dargestellt. 2a zeigt dabei die Aufsicht durch diese Struktur mit der Bipolarplatte 1, Medienports 7, Dichtrahmen 8 und poröser Stromverteilerstruktur 4. In 2b ist der Schnitt durch die Struktur dargestellt. Sichtbar sind hierbei die Bipolarplatte 1, welche den Zellseparator 2 und die Kanäle 6 aufweist, die porösen Stromverteilerstrukturen 4, der Dichtrahmen 8 und die verbindenden Sinterflächen 5.In 2 a bipolar plates / power distribution structure according to the invention is shown with a sintered sealing frame at the same time. 2a shows the supervision of this structure with the bipolar plate 1 , Media ports 7 , Sealing frame 8th and porous power distribution structure 4 , In 2 B the section through the structure is shown. Visible here are the bipolar plate 1 which the cell separator 2 and the channels 6 comprising the porous power distribution structures 4 , the sealing frame 8th and the connecting sintered surfaces 5 ,

Claims

Method for producing metallic bipolar plates ( 1 ; 1a ; 1b ; 1c ) of electrolyzers comprising simultaneous bonding of metallic layers by sintering.

The method of claim 1, wherein the metallic layers comprise a cell separator ( 2 ; 2a ; 2 B ; 2c ) form.

Method according to claim 2, wherein the metallic layers additionally comprise at least one power distribution layer ( 4 ; 4a ; 4b ; 4c ) form.

Method according to claim 3, wherein the power distribution layer ( 4 ; 4a ; 4b ; 4c ) on at least one side of the cell separator ( 2 ; 2a ; 2 B ; 2c ) is sintered on.

Method according to claim 3, wherein between the cell separator ( 2 ; 2a ; 2 B ; 2c ) and power distribution layer ( 4 ; 4a ; 4b ; 4c ) at least one embossed, milled or porous media distribution layer ( 3 ; 3a ; 3b ; 3c ) is arranged, wherein the items are sintered together.

Method according to at least one of the preceding claims, wherein the metallic layers of the bipolar plate to be sintered ( 1 ; 1a ; 1b ; 1c ) are formed as sheets and / or three-dimensional open-pored structures, in particular wire mesh, expanded metals, sintered metals and metal foams.

Method according to at least one of the preceding claims, wherein the sintering is carried out in a batchwise or in a continuous process.

Method according to at least one of the preceding claims, wherein additionally at the same time or in a separate sintering step, one or more metallic sealing frames ( 8th ) to one or both sides of the bipolar plate ( 1 ; 1a ; 1b ; 1c ) are sintered.

Bipolar plate for an electrolyzer, comprising a cell separator ( 2 ; 2a ; 2 B ; 2c ) and at least one porous power distribution structure ( 4 ; 4a ; 4b ; 4c ), and optionally at least one embossed, milled or porous media distribution structure ( 3 ; 3a ; 3b ; 3c ), which between the cell separator ( 2 ; 2a ; 2 B ; 2c ) and the porous power distribution structure ( 4 ; 4a ; 4b ; 4c ), whereby the individual parts are replaced by sintered surfaces ( 5 ; 5a ; 5b ; 5c ) are interconnected.

A bipolar plate according to claim 9, wherein the cell separator ( 2 ; 2a ; 2 B ; 2c ) comprises a preferably cold-rolled bimetal sheet comprising a titanium sheet and a steel sheet, preferably stainless steel sheet.