DE102014109321A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle Download PDFInfo
- Publication number
- DE102014109321A1 DE102014109321A1 DE102014109321.6A DE102014109321A DE102014109321A1 DE 102014109321 A1 DE102014109321 A1 DE 102014109321A1 DE 102014109321 A DE102014109321 A DE 102014109321A DE 102014109321 A1 DE102014109321 A1 DE 102014109321A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- protective layer
- bipolar plate
- substrate
- layer
- coating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 97
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 90
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 86
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 82
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 150
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 36
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 28
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 28
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 27
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 10
- XOUPWBJVJFQSLK-UHFFFAOYSA-J titanium(4+);tetranitrite Chemical compound [Ti+4].[O-]N=O.[O-]N=O.[O-]N=O.[O-]N=O XOUPWBJVJFQSLK-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims description 10
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims description 9
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 6
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 6
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- MVETVBHSYIYRCX-UHFFFAOYSA-I [Ta+5].[O-]N=O.[O-]N=O.[O-]N=O.[O-]N=O.[O-]N=O Chemical compound [Ta+5].[O-]N=O.[O-]N=O.[O-]N=O.[O-]N=O.[O-]N=O MVETVBHSYIYRCX-UHFFFAOYSA-I 0.000 claims description 5
- CTAJOZXGMUEADN-UHFFFAOYSA-K chromium(3+);trinitrite Chemical compound [Cr+3].[O-]N=O.[O-]N=O.[O-]N=O CTAJOZXGMUEADN-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 5
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 5
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 claims description 4
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 claims description 4
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical group [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 3
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011733 molybdenum Chemical group 0.000 claims description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- -1 titanium metal oxide Chemical class 0.000 claims description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical group [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 3
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims description 2
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 235000019592 roughness Nutrition 0.000 description 25
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 21
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 20
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 10
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 8
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 7
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 4
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 4
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 4
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 3
- 238000010290 vacuum plasma spraying Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- GSMCZRMXOTVCGF-UHFFFAOYSA-N 2-bromo-1-(5-methyl-1,2-oxazol-3-yl)ethanone Chemical compound CC1=CC(C(=O)CBr)=NO1 GSMCZRMXOTVCGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical class OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 1
- 230000001464 adherent effect Effects 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000005661 hydrophobic surface Effects 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0223—Composites
- H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
- C23C28/023—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material only coatings of metal elements only
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
- C23C4/06—Metallic material
- C23C4/08—Metallic material containing only metal elements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
- C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
- C23C4/134—Plasma spraying
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/18—After-treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0241—Composites
- H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Um ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, insbesondere zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, umfassend: – Bereitstellen eines Substrats mit einer Substratoberfläche und – Aufbringen einer Beschichtung auf mindestens einen Teil der Substratoberfläche, bei welchem Verfahren in einem Plasmaspritzverfahren eine raue und/oder poröse Deckschicht der Beschichtung auf mindestens einen Teil der Substratoberfläche mit einer vom Substrat weg weisenden rauen und/oder porösen Deckschichtoberfläche aufgebracht wird, zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass auf die Deckschichtoberfläche eine Schutzschicht der Beschichtung aufgebracht wird. Ferner werden verbesserte Bipolarplatten und elektrochemische Zellen vorgeschlagen.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, insbesondere zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, umfassend:
- – Bereitstellen eines Substrats mit einer Substratoberfläche und
- – Aufbringen einer Beschichtung auf mindestens einen Teil der Substratoberfläche,
- Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, umfassend ein Substrat mit einer Substratoberfläche und mit einer mindestens auf einen Teil der Substratoberfläche aufgebrachten Beschichtung, welche Beschichtung eine raue und/oder poröse, in einem Plasmaspritzverfahren auf die Substratoberfläche aufgebrachte und eine vom Substrat weg weisende, raue und/oder poröse Deckschichtoberfläche aufweisende Deckschicht umfasst.
- Ferner betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Elektrolysezelle oder eine Brennstoffzelle, umfassend mindestens zwei Elektroden, wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden in Form einer Bipolarplatte ausgebildet ist.
- Verfahren und Bipolarplatten der eingangs beschriebenen Art sind insbesondere aus der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10 2013 213 015.5 vom 3. Juli 2013 bekannt. Bei diesen wird auf ein Substrat eine Schicht in einem Plasmaspritzverfahren appliziert und die Schicht versiegelt. Durch die Versiegelung werden insbesondere Rauheiten und Poren der applizierten Schicht ausgeglichen beziehungsweise verschlossen. Insgesamt wird eine im Wesentlichen glatte Schicht auf dem Substrat erzeugt. - Eine glatte Oberfläche der applizierten Schicht hat jedoch den Nachteil, dass diese von Wasser sehr stark benetzt wird. Ein Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf der Schicht ist vergleichsweise klein, typischerweise liegt er unter 30°. Die bekannte, versiegelte Schicht weist daher im Wesentlichen hydrophile Eigenschaften auf. Dies hat jedoch den Nachteil, dass insbesondere bei einer Brennstoffzelle generiertes Wasser an der Oberfläche der versiegelten Schicht anhaftet und ein Abtransport des erzeugten Wassers erschwert ist.
- Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Bipolarplatte der eingangs beschriebenen Art zu verbessern.
- Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf die Deckschichtoberfläche eine Schutzschicht der Beschichtung aufgebracht wird.
- Die Beschichtung umfasst somit mindestens zwei Schichten, nämlich die Deckschicht, die direkt auf das Substrat, nämlich dessen Substratoberfläche, aufgebracht wird, und eine Schutzschicht, die auf die raue und/oder poröse Deckschichtoberfläche aufgebracht wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Schutzschicht derart aufgebracht wird, dass eine Rauheit und/oder eine Porosität der Deckschicht erhalten bleiben oder im Wesentlichen erhalten bleiben. Die Schutzschicht ist insbesondere nicht vorgesehen, um Poren und Rauheiten der Deckschicht zu schließen beziehungsweise auszugleichen, sondern um diese zu erhalten. Auf diese Weise ergibt sich eine Mikrostruktur der Beschichtung insgesamt, die im Vergleich zum Stand der Technik deutlich hydrophobere Eigenschaften aufweist. Ein Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Beschichtung weist einen im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatten großen Kontaktwinkel auf, insbesondere kann dieser größer als 70° sein. Dadurch wird eine großflächige Benetzung der Beschichtung durch Wasser, welches beispielsweise in einer Brennstoffzelle erzeugt wird, vermieden. Das erzeugte Wasser lässt sich deutlich besser abtransportieren als bei Bipolarplatten, die nach Verfahren hergestellt wurden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Vorzugsweise ist die Beschichtung kohlenstofffrei. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass sich eine Leitfähigkeit der Beschichtung nicht durch das Vorhandensein von Kohlenstoff verschlechtert kann. Das Substrat ist insbesondere gut gegen Korrosion geschützt, wenn die Beschichtung, also insbesondere die Deckschicht, eine dichte Schicht und nicht porös ist.
- Günstig ist es, wenn auf das Substrat eine Deckschicht aufgebracht wird, welche Titan (Ti), Tantal (Ta), Titannitrit (TiN), Tantalnitrit (TaN), Chromnitrit (CrN), Titansuboxid (Ti4O7) ist oder enthält. Die genannten Materialien ermöglichen es insbesondere, relativ kostengünstig raue und/oder poröse Deckschichten durch Plasmaspritzen oder thermisches Spritzen aufzubringen. Insbesondere lassen sich so kostengünstig relativ dicke Deckschichten aufbringen, so dass das Substrat deutlich besser gegen Korrosion geschützt ist, als wenn nur eine dünne Goldschicht direkt auf das Substrat aufgebracht wird, welche durch mechanische Beanspruchung leicht beschädigt werden kann.
- Ein guter Korrosionsschutz für das Substrat kann insbesondere erreicht werden, wenn die Deckschicht mit einer mittleren Deckschichtdicke in einem Bereich von etwa 5 μm bis etwa 500 μm auf die Substratoberfläche aufgebracht wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn eine mittlere Deckschichtdicke in einem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm liegt. Je dicker die Deckschicht, umso besser der Korrosionsschutz für das Substrat.
- Vorzugsweise wird die Schutzschicht mit einer konstanten oder im Wesentlichen konstanten Schutzschichtdicke auf die Deckschichtoberfläche aufgebracht. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass eine Porosität und/oder eine Rauheit der Deckschichtoberfläche trotz Aufbringen der Schutzschicht im Wesentlichen erhalten bleibt. Die Porosität beziehungsweise Rauheit zu erhalten ermöglicht es insbesondere, eine hydrophobe Eigenschaft der Deckschicht zu erhalten, die einen Abtransport von erzeugtem Wasser von der Bipolarplatte ermöglicht.
- Die Schutzschicht dient insbesondere dem Zweck, eine Passivierung der Deckschicht, wie sie insbesondere durch Ausbildung von Titanoxid (TiO2) auftritt, wenn durch Plasmaspritzen aufgebrachtes Titan auf dem Substrat mit Luft in Kontakt tritt. Diese Passivierung ist bei Bipolarplatten jedoch unerwünscht, da sie eine Leitfähigkeit der Bipolarplatte vermindert. Insbesondere kann die – Schutzschicht aus einem hochleitfähigen Metall gebildet werden.
- Günstig ist es, wenn die Schutzschicht mit einer Schutzschichtdicke in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 5.000 nm auf der Deckschicht aufgebracht wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Schutzschichtdicke in einem Bereich von etwa 20 nm bis etwa 500 nm liegt. Insbesondere bei einem Material zur Ausbildung der Schutzschicht, welches teuer ist, können vorzugsweise relativ dünne Schutzschichten aufgebracht werden. Eine dünne Schutzschicht hat zudem den Vorteil, dass eine Rauheit und/oder eine Porosität der Deckschicht im Wesentlichen erhalten werden kann.
- Auf einfache Weise lässt sich eine Schutzschicht durch elektrochemische Abscheidung auf die Deckschicht aufbringen. Eine elektrochemische Abscheidung der Schutzschicht hat zudem den Vorteil, dass so auf einfache Weise insbesondere eine im Wesentlichen konstante Schutzschichtdicke erzeugt werden kann.
- Auf besonders einfache und kostengünstige Weise lässt sich eine Bipolarplatte mit den gewünschten Eigenschaften herstellen, wenn nur eine Deckschicht auf das Substrat und nur eine Schutzschicht auf die Deckschicht aufgebracht werden. In diesem Fall umfasst die Beschichtung also nur zwei Schichten.
- Vorzugsweise wird als Schutzschicht eine Goldschicht aufgebracht. Diese eignet sich hervorragend, um beispielsweise eine Deckschicht aus Titan zu passivieren, also um zu verhindern, dass sich an der Oberfläche der Deckschicht Titanoxid bildet. Außerdem ermöglicht es Gold insbesondere auch, trotz einer sehr dünnen Schichtdicke die Deckschicht vollständig zu bedecken und zu schützen. Zudem besitzt Gold eine hervorragende Leitfähigkeit und Inertheit, die insbesondere eine sehr gute Leitfähigkeit der Bipolarplatte und einen guten Korrosionsschutz der Deckschicht sicherstellen können.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Schutzschicht mit einer Schutzschichtdicke aufgebracht wird, so dass eine Masse der Schutzschicht etwa 0,1% bis etwa 2% einer Gesamtmasse der Deckschicht und der Schutzschicht beträgt. Vorzugsweise beträgt ein Anteil der Masse der Schutzschicht an der Gesamtmasse etwa 1% die Masse der Deckschicht etwa 99%. Ein solcher Aufbau ermöglicht insbesondere eine optimale Passivierung des Substrats durch die Deckschicht, die relativ dick ausgebildet werden kann. Das Material für die Deckschicht kann insbesondere kostengünstig gewählt werden. Zur Passivierung der Deckschicht wird somit nur eine besonders dünne Schutzschicht benötigt, so dass diese auch aus einem relativ teuren Material gebildet werden kann, um Eigenschaften der Bipolarplatte zu optimieren.
- Günstig ist es, wenn die Deckschicht und die Schutzschicht derart aufgebracht werden, dass ein Grenzflächenkontaktwiderstand gemessen nach der Standardmethode des amerikanischen Energieministeriums kleiner als etwa 15 mΩ cm2 ist. Vorzugsweise ist der Grenzflächenkontaktwiderstand kleiner als etwa 10 mΩ cm2. Je geringer der Kontaktwiderstand, umso höher die Effizienz einer mit einer solchen Bipolarplatte ausgestatteten elektrochemischen Zelle.
- Ein Wassermanagement, also insbesondere ein Ableiten von beispielsweise bei einer Brennstoffzelle gebildetem Wasser von einer Oberfläche der Bipolarplatte, kann insbesondere dadurch verbessert werden, dass die Deckschicht und die Schutzschicht derart aufgebracht werden, dass ein Wassertropfenkontaktwinkel größer ist als etwa 70°. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Wassertropfenkontaktwinkel größer als etwa 80° ist.
- Vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung mit einer Rauheit aufgebracht wird, welche einen Wert in einem Bereich von etwa 0,6 bis etwa 0,85 aufweist. Insbesondere kann die Rauheit einen Wert von 0,62 aufweisen. Die angegebenen Werte für die Rauheit sind definiert als Verhältnis zwischen der geometrischen Fläche der Beschichtung und der tatsächlichen Oberfläche der Beschichtung, also Rauheit = Ageometrisch/Atatsächlich.
- Zur Ausbildung einer Bipolarplatte ist es günstig, wenn ein plattenförmig ausgebildetes Substrat bereitgestellt wird.
- Besonders kostengünstig lassen sich Bipolarplatten ausbilden, wenn ein Substrat aus einem Stahl, Kupfer und/oder Aluminium bereitgestellt wird. Insbesondere kann das Substrat Edelstahl sein, welcher gute elektrische Leitfähigkeitseigenschaften und Korrosionsschutzeigenschaften vereinen kann.
- Vorteilhaft ist es, wenn das Substrat einseitig oder beidseitig mit mehreren Strömungskanälen versehen wird. So können Gase und/oder Flüssigkeiten durch die Strömungskanäle einfach und sicher zu- und/oder abgeführt werden.
- Günstigerweise wird die Substratoberfläche in einem Sandstrahlverfahren und/oder in einem Schleifverfahren aufgeraut. So kann das Anhaften der Deckschicht verbessert werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Substratoberfläche aufzurauen, bevor die Deckschicht aufgebracht wird. So kann das Anhaften der Deckschicht verbessert werden.
- Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer Bipolarplatte der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Beschichtung eine Schutzschicht umfasst und dass die Deckschichtoberfläche mit der Schutzschicht versehen oder bedeckt ist.
- Die Schutzschicht ermöglicht es insbesondere, Materialien zur Ausbildung der Deckschicht zu verwenden, die selbst korrosionsanfällig sind oder zu einer Passivierung neigen. In beiden Fällen kann dies insbesondere zu einer verringerten Leitfähigkeit führen, die für die Bipolarplatte nicht erwünscht ist. Die Schutzschicht ermöglicht es insbesondere, eine Passivierung oder Korrosion der Deckschicht zu verhindern. Dies ist insbesondere bei einer aus Titan bestehenden oder enthaltenden Schicht günstig, da diese bei Kontakt mit Sauerstoff durch Ausbildung einer dünnen Titanoxidschicht (TiO2) passiviert wird. Zudem kann die Schutzschicht insbesondere derart ausgebildet sein, dass die raue und/oder poröse Deckschichtoberfläche der Deckschicht erhalten bleibt. Damit ist die Beschichtung insgesamt rau und/oder porös, wodurch eine Benetzung der Beschichtung, insbesondere durch Wasser, von der Bipolarplatte minimiert werden kann. Insbesondere ist eine derart ausgebildete Bipolarplatte für den Einsatz in bei Niedertemperatur arbeitenden elektrochemischen Zellen, beispielsweise Niedertemperatur-Brennstoffzellen oder -Elektrolysezellen, gut geeignet, da im Niedertemperaturbetrieb besonders viel Wasser entstehen oder vorhanden sein kann, das abtransportiert werden muss.
- Eine kostengünstige Bipolarplatte lässt sich insbesondere dadurch ausbilden, dass die Deckschicht Titan (Ti), Tantal (Ta), Titannitrit (TiN), Tantalnitrit (TaN), Chromnitrit (CrN), Titansuboxid (Ti4O7) ist oder enthält. Zum Schutz des Substrats vor Korrosion können so relativ kostengünstig auch dicke Deckschichten aufgebracht werden.
- Besonders gut funktionsfähige Bipolarplatten lassen sich erhalten, wenn die Deckschicht eine mittlere Deckschichtdicke in einem Bereich von etwa 5 μm bis etwa 500 μm aufweist. Insbesondere liegt eine Deckschichtdicke in einem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm. So kann eine optimale Deckschichtdicke gewählt werden, um einerseits das Substrat sicher vor Korrosion zu schützen und andererseits Kosten für die Herstellung der Bipolarplatte zu minimieren.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schutzschicht eine konstante oder im Wesentlichen konstante Schutzschichtdicke aufweist. Derartige Schutzschichten ermöglichen es insbesondere, eine Rauheit und/oder eine Porosität der Deckschicht zu erhalten oder im Wesentlichen zu erhalten. Eine Oberfläche der Beschichtung ist dann nicht mikroskopisch glatt, sondern mikroskopisch rau mit einer Rauheit und/oder Porosität, die durch die aufgespritzte Deckschicht vorgegeben ist. So kann die hydrophobe Eigenschaft der Deckschicht aufgrund ihrer Rauheit erhalten bleiben, und zwar insbesondere auch nach dem Aufbringen der Schutzschicht.
- Günstig ist es, wenn die Schutzschichtdicke einen Wert in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 5.000 nm aufweist. Insbesondere liegt die Schutzschichtdicke in einem Bereich von etwa 20 nm bis etwa 500 nm. Schutzschichtdicken in den angegeben Bereichen bieten insbesondere einen optimalen Korrosionsschutz der Deckschicht bei gleichzeitig optimierten Kosten sowie einer minimalen Fertigungszeit.
- Vorzugsweise ist die Schutzschicht elektrochemisch abgeschieden. Eine derart auf die Deckschicht aufgebrachte Schutzschicht ermöglicht es insbesondere, im Wesentlichen Schutzschichten mit konstanten Schutzschichtdicken automatisch aufzubringen.
- Ein optimaler Aufbau für eine gute Funktionsweise der Bipolarplatte bei gleichzeitig minimalem Herstellungsaufwand und minimalen Herstellungskosten kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Bipolarplatte nur eine einzige Deckschicht und/oder nur eine einzige Schutzschicht umfasst. Insbesondere kann also die Beschichtung des Substrats nur genau zwei Schichten umfassen, nämlich eine Deckschicht und eine Schutzschicht.
- Ein optimaler Schutz der Deckschicht kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Schutzschicht Gold ist oder enthält. Insbesondere kann mit einer dünnen Goldschicht eine automatische Passivierung beispielsweise einer Deckschicht aus Titan verhindert werden. Ferner kann eine Schutzschicht aus Gold so dünn aufgebracht werden, dass eine Rauheit und/oder eine Porosität der Deckschicht erhalten bleiben können. Günstig kann es aber auch sein, wenn die Schutzschicht Iridium (Ir), Platin (Pt), mit Bor gedopten Diamant (BDD), mit Bor gedoptes Siliziumkarbid (SiC: B), Titan-Metall-Oxid (T1-xMxO2) mit M = Wolfram, Molybdän (Mo) oder Niob (Nb) bestehen oder diese Elemente oder Mischungen einzeln oder gemischt enthalten.
- Besonders günstig ist es, wenn die Schutzschicht eine Schutzschichtdicke aufweist derart, dass eine Masse der Schutzschicht etwa 0,1% bis etwa 2% der Gesamtmasse einer Deckschicht und der Schutzschicht entspricht. Günstig ist es insbesondere, wenn eine Masse der Schutzschicht etwa 1% der Gesamtmasse entspricht. So kann insbesondere die Deckschicht zum Schutz des Substrats gegen Korrosion optimiert werden, die Schutzschicht zum Schutz der Deckschicht gegen Korrosion beziehungsweise eine Passivierung derselben. Wird insbesondere die Schutzschicht aus Gold hergestellt, so können die Kosten der Beschichtung insgesamt minimiert werden, da im Vergleich zu Goldbeschichtungen aus dem Stand der Technik nur eine sehr dünne Goldschicht auf die Deckschicht aufgebracht werden muss, um insgesamt eine Bipolarplatte mit den gewünschten Eigenschaften auszubilden.
- Vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung einen Grenzflächenkontaktwiderstand gemessen nach der Standardmethode des amerikanischen Energieministeriums aufweist, welcher kleiner als etwa 15 mΩ cm2 ist. Insbesondere ist der Grenzflächenkontaktwiderstand vorzugsweise kleiner als etwa 10 mΩ cm2. Derartige Grenzflächenkontaktwiderstände ermöglichen besonders hohe Stromdichten.
- Ferner ist es günstig, wenn die Beschichtung einen Wassertropfenkontaktwinkel aufweist, welcher größer ist als etwa 70°. Vorzugsweise ist er größer als etwa 80°. Eine Beschichtung mit einem derartigen Wassertropfenkontaktwinkel ist im Wesentlichen hinreichend hydrophob, so dass die Beschichtung nicht flächig von Wasser benetzt wird. Dadurch lässt sich beispielsweise bei einer Brennstoffzelle entstandenes Wasser einfach und sicher von der Bipolarplatte ableiten.
- Vorteilhaft ist es, wenn die Rauheit der Beschichtung einen Wert in einem Bereich von etwa 0,6 bis etwa 0,85 aufweist. Insbesondere kann die Rauheit einen Wert von 0,62 aufweisen. Die angegebenen Werte für die Rauheit sind definiert als Verhältnis zwischen der geometrischen Fläche der Beschichtung und der tatsächlichen Oberfläche der Beschichtung, also Rauheit = Ageometrisch/Atatsächlich.
- Zur Ausbildung einer Bipolarplatte ist es günstig, wenn das Substrat plattenförmig ausgebildet ist.
- Vorzugsweise ist das Substrat aus einem Stahl, Kupfer und/oder Aluminium hergestellt. Günstigerweise ist das Substrat aus einem Edelstahl hergestellt. Insbesondere Edelstahl weist bereits eine gewisse Korrosionsbeständigkeit auf. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Beschichtung kann das Substrat jedoch noch besser vor Korrosion geschützt werden.
- Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Substrat einseitig oder beidseitig mit mehreren Strömungskanälen versehen ist. Strömungskanäle ermöglichen insbesondere ein optimiertes Fluidmanagement, das heißt Zu- und Abfuhr von Fluiden von der Oberfläche der Bipolarplatte lassen sich so besonders einfach realisieren.
- Besonders gut anhaften bleibt eine Deckschicht, wenn das Substrat eine in einem Sandstrahlverfahren und/oder in einem Schleifverfahren aufgeraute Substratoberfläche aufweist, auf welcher insbesondere die Deckschicht aufgebracht ist.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Substrat mindestens zwei voneinander weg weisende Substratoberflächen aufweist und dass mindestens eine der mindestens zwei Substratoberflächen vollständig oder im Wesentlichen vollständig mit der Beschichtung bedeckt ist. Insbesondere können auch beide Substratoberflächen mit der Beschichtung bedeckt sein. So lassen sich beispielsweise Stapel aus Brennstoffzellen und/oder Stapel aus Elektrolysezellen einfach herstellen.
- Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einer elektrochemischen Zelle der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Bipolarplatte in Form einer der oben beschriebenen Bipolarplatten ausgebildet ist.
- Die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrochemische Zelle weist dann auch die Vorteile auf, die oben im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen von Bipolarplatten beschrieben sind.
- Vorzugsweise ist die elektrochemische Zelle in Form einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, Polymerelektrolytwasserelektrolyseurs oder einer Redox-Flussbatterie. Beispielsweise kann die elektrochemische Zelle maßbeständige Anoden umfassen, die insbesondere für die elektrochemische Chlorindustrie von Bedeutung sind. Zudem ist auf die oben beschriebene Weise insbesondere auch die Fabrikation stark hydrophober metallischer Beschichtungen auf Substraten möglich. Insbesondere kann es sich um bei Niedertemperatur arbeitende elektrochemische Zellen, beispielsweise Niedertemperatur-Brennstoffzellen oder -Elektrolysezellen, handeln, bei deren Betrieb besonders viel Wasser entstehen oder vorhanden sein kann, das abtransportiert werden muss. Insbesondere kann es sich bei der elektrochemischen Zelle um eine Elektrolysezelle mit einer Protonenaustauschmembran handeln, deren Kathode in Form einer der oben beschriebenen Bipolarplatten ausgebildet ist.
- Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:
-
1 : eine schematische Schnittansicht einer Brennstoffzelle mit zwei Bipolarplatten; -
2 : eine vergrößerte Ansicht des Bereichs A in1 mit einer Beschichtung gemäß dem Stand der Technik; -
3 : eine Ansicht ähnlich2 mit einer Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; -
3A : eine vergrößerte schematische Ansicht des Bereichs B aus3 ; -
4 : eine schematische Schnittansicht des Aufbaus einer Elektrolysezelle; -
5A : eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Schnitts der Bipolarplatte mit hundertfacher Vergrößerung; -
5B : eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Schnitts der Bipolarplatte mit vierhundertfacher Vergrößerung; -
5C : eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Schnitts der Bipolarplatte mit siebenhundertfacher Vergrößerung; -
5D : eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Schnitts der Bipolarplatte mit fünftausendfacher Vergrößerung; -
6A : eine fotografische Wiedergabe eines Wassertropfens auf einer Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik; -
6B : eine fotografische Wiedergabe eines Wassertropfens auf einer Bipolarplatte gemäß der vorliegenden Erfindung; -
7 : Grenzflächenkontaktwiderstände in Abhängigkeit vom Verdichtungsdruck von Gold/Edelstahl-Proben (Stand der Technik) und Gold/Titan/Edelstahl-Proben gemessen nach dem Standard des amerikanischen Energieministeriums (DOE); -
8 : Vergleich der zeitlichen Verläufe der durch eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle generierten Ströme bei Verwendung von goldbeschichteten Bipolarplatten (Stand der Technik) und gold-/titanbeschichteten Bipolarplatten gemäß der Erfindung; und -
9 : Vergleich der zeitlichen Verläufe des Kathodendrucks einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle bei Verwendung von goldbeschichteten Bipolarplatten (Stand der Technik) und gold-/titanbeschichteten Bipolarplatten gemäß der Erfindung. - In
1 ist schematisch eine Schnittansicht durch eine insgesamt mit dem Bezugszeichen10 bezeichnete elektrochemische Zelle dargestellt, die in Form einer Brennstoffzelle12 ausgebildet ist. - Die Zelle
10 umfasst zwei Bipolarplatten14 und16 . Die Bipolarplatte14 bildet eine Anode der Brennstoffzelle12 , die Bipolarplatte16 eine Kathode20 derselben. Beide Bipolarplatten14 und16 sind vorzugsweise aus einem Edelstahl hergestellt. - Sowohl in der Bipolarplatte
14 als auch in der Bipolarplatte16 sind Strömungskanäle22 beziehungsweise24 ausgebildet. Diese weisen im Schnitt einen rechteckigen beziehungsweise im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Die beiden Bipolarplatten14 und16 sind derart parallel zueinander angeordnet, dass die in Oberseiten25 und27 der Bipolarplatten14 und16 ausgebildeten Strömungskanäle22 und24 jeweils in Richtung auf die andere Bipolarplatte14 beziehungsweise16 hin weisend geöffnet sind. - Die Oberseite
25 der Bipolarplatte14 trägt eine die Strömungskanäle22 der bedeckende anodische Gasdiffusionsschicht26 , die Oberseite27 der Bipolarplatte eine die Strömungskanäle24 der Bipolarplatte16 bedeckende kathodische Gasdiffusionsschicht28 . - Auf die anodische Gasdiffusionsschicht
26 sind eine mikroporöse Schicht30 und eine Katalysatorschicht32 aufgebracht, auf die kathodische Gasdiffusionsschicht sind eine mikroporöse Schicht34 und eine Katalysatorschicht36 aufgebracht. Zwischen den beiden mikroporösen Schichten30 und34 ist eine Protonenaustauschmembran38 angeordnet. - Die anodische Gasdiffusionsschicht
26 , die mikroporöse Schicht30 , die Katalysatorschicht32 , die Protonenaustauschmembran38 , die Katalysatorschicht36 , die mikroporöse Schicht34 und die kathodische Gasdiffusionsschicht28 bilden eine mehrschichtige Membranelektrodenanordnung40 , die zwischen den Oberseiten25 und27 der beiden Bipolarplatten14 und16 angeordnet ist. - Im Betrieb der Brennstoffzelle
12 strömt in den Strömungskanälen22 der Anode18 Wasserstoff, in den Strömungskanälen24 der Kathode20 strömt Sauerstoff. Ferner werden durch die Strömungskanäle24 der Kathode20 auch Wassertröpfchen abgeleitet, die als Reaktionsprodukt bei der elektrochemischen Reaktion von Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) in der Brennstoffzelle12 entstehen. - Der in
1 dargestellte Aufbau ist so aus dem Stand der Technik bekannt. - In
2 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts A der Bipolarplatte16 dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. - Ein Substrat
42 , vorzugsweise in Form einer Stahlplatte, beispielsweise aus Edelstahl, wird zunächst mit den Strömungskanälen24 versehen. Beispielsweise werden diese auf einer Oberseite44 der Bipolarplatte16 durch Fräsen oder Ätzen hergestellt. - Die aus dem Stand der Technik bekannte, in
2 dargestellte Bipolarplatte16 ist auf ihrer Oberseite27 sowie auf Oberflächen50 der Strömungskanäle24 mit einer Beschichtung46 versehen. Diese Beschichtung46 kann beispielsweise Gold oder eine durch Plasmaspritzen aufgebrachte Titanschicht, deren Poren durch ein Polymer versiegelt sind, sein. Diese Beschichtung46 ist stark hydrophil. Dies zeigt sich insbesondere dadurch, dass Wassertropfen48 eine Oberfläche50 der Strömungskanäle24 großflächig benetzen. Ein Kontaktwinkel52 zwischen Wassertropfen48 und Oberfläche50 ist kleiner als etwa 30°. -
6A zeigt das Bild eines Wassertropfens auf einem mit der beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtung46 versehenen Substrat42 . Es ist gut zu erkennen, dass der Kontaktwinkel θKontakt kleiner als 30° ist. Die Oberfläche50 wird also großflächig benetzt. -
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte16e , die gemäß der Erfindung ausgebildet ist und in der Zelle10 die Bipolarplatte16 ersetzen kann. Das Substrat42e ist mit einer Deckschicht54e versehen, die durch Plasmaspritzen, insbesondere durch ein Vakuum-Plasmaspritzverfahren, aufgebracht ist. Die Deckschicht54e kann insbesondere Titan (Ti), Tantal (Ta), Titannitrit (TiN), Tantalnitrit (TaN), Chromnitrit (CrN), Titansuboxid (Ti4O7) sein oder enthalten. - Auf die Deckschicht
54e ist eine Schutzschicht56e aufgebracht. Die Schutzschicht56e ist vorzugsweise durch elektrochemische Abscheidung ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei der Schutzschicht56e um eine elektrochemisch abgeschiedene Schicht aus Gold handeln. - Wie in den
3 und3A gut zu erkennen, weist die Schutzschicht56e eine konstante beziehungsweise im Wesentlichen konstante Schutzschichtdicke58e auf. Auf diese Weise bleiben die Rauheit und/oder die Porosität der Deckschicht54e erhalten. Eine Oberfläche50e der zweischichtigen Beschichtung46e , die lediglich die Deckschicht54e und die Korrosionsschicht56e umfasst, bleibt somit im Wesentlichen erhalten. - Aufgrund der Rauheit der Deckschicht
54e , die durch die Schutzschicht56e nicht ausgeglichen wird und/oder deren Poren nicht ausgefüllt werden, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist, wird insgesamt eine hydrophobe Beschichtung46e ausgebildet. Wassertropfen48e benetzen die Beschichtung46e nur schlecht. Es bildet sich ein Kontaktwinkel52e der Wassertropfen48e aus, der deutlich größer als 70° ist. Insbesondere kann er größer als 80° sein. In3 ist schematisch ein Kontaktwinkel dargestellt, der größer als 90° ist. - In
6B ist ein Kontaktwinkel θKontakt eingezeichnet bei einem Wassertropfen48e auf einem Substrat mit einer Beschichtung46e umfassend die Deckschicht54e und die Schutzschicht56e . Man erkennt, dass die Adhäsionskräfte zwischen den Wassermolekülen des Wassertropfens48e und Bipolarplatte16e deutlich geringer sind als bei Wassertropfen48 auf der Bipolarplatte16 . Es bilden sich großvolumige Wassertropfen48e , die auf einfache Weise aus den Strömungskanälen24e entfernt werden können. - In
4 ist beispielhaft ein Aufbau einer insgesamt mit dem Bezugszeichen10' bezeichneten elektrochemischen Zelle in Form eines Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyseurs60 schematisch dargestellt. - Ähnlich wie bei der in
1 dargestellten Brennstoffzelle12 sind zwei Bipolarplatten14e' und16e' parallel zueinander angeordnet mit aufeinander zu weisend angeordneten Strömungskanälen22e' und24e' . Zwischen den Bipolarplatten14e' und16e' ist eine Membranelektrodenanordnung40' angeordnet, die eine Protonenaustauschmembran38' aufweist, die beidseitig flächig an Katalysatorschichten32 und34 angrenzt, welche wiederum einerseits an eine anodische Gasdiffusionsschicht26' und andererseits an eine kathodische Gasdiffusionsschicht28' angrenzen. Diese wiederum stehen mit den Oberseiten25' beziehungsweise27' der Bipolarplatten14e' und16e' flächig in Kontakt. - Über einen Einlass
62 , der in Fluidverbindung mit den Strömungskanälen24e' steht, wird Wasser (H2O) in die Zelle10' eingeleitet und an die beiden Bipolarplatten14e' und16e' eine Gleichspannung angelegt. Das eingeleitete Wasser wird in der Zelle10' in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten. Der erzeugte Wasserstoff strömt aus einem Auslass64 , der mit den Strömungskanälen22e' in Fluidverbindung steht. Aus einem Auslass66 , der mit den Strömungskanälen24e' in Fluidverbindung steht, wird der durch die Elektrolyse gebildete Sauerstoff zusammen mit nicht aufgespaltenem Restwasser abgeleitet. - Der Aufbau der Bipolarplatten
14e' und16e' entspricht dem Aufbau der Bipolarplatten14e und16e , das heißt alle vier genannten Bipolarplatten weisen denselben prinzipiellen Aufbau der Beschichtung46e auf. - Die schematisch in den
3 und3A dargestellte Beschichtung46e kann insbesondere wie folgt hergestellt werden. Als Substrat42e wird beispielsweise eine sandgestrahlte 1.4301 Edelstahlplatte verwendet, die 10 cm mal 10 cm groß und 20 mm dick ist. Auf dieses Substrat42e wird durch Vakuum-Plasmaspritzen eine dichte Deckschicht54e aus Titan aufgebracht. Das Substrat wird dabei auf etwa 250°C vorgeheizt und einzelne Parameter, wie beispielsweise der Typ der Plasmabrenner-Düse, die Durchsatzgeschwindigkeit des aufzuspritzenden Titanpulvers sowie die Flussraten von Argon, Stickstoff und Wasserstoff, werden dabei sorgfältig überwacht. Die Enthalpie für die Erzeugung des Plasmas beträgt 21,27 MJkg–1. Das Titanpulver weist vorzugsweise eine Korngröße kleiner 45 μm auf und wird bei einem Druck von 50 mbar in eine Vakuumkammer gesprüht, um die Bildung des die Leitfähigkeit der Beschichtung46e stark reduzierenden Oxids TiO2 zu verhindern. Die Deckschicht54e kann insbesondere vier nacheinander aufgespritzte Lagen und insgesamt eine mittlere Beschichtungsdicke von 45 μm aufweisen. - In einem nächsten Schritt wird auf die Deckschicht
54e die Schutzschicht56e durch elektrochemische Abscheidung aufgebracht. Als Goldquelle dient zu diesem Zweck eine saure Lösung von Kaliumdicyanoaurat (I) (K[Au(CN2)]) mit einem pH-Wert von 1,5 und einem Aurat-Gehalt von 2,95 g/l. Dies entspricht 68,2%. - Die Metallisierung der Deckschicht
54e wurde bei einer Stromdichte von 70 mA/cm2 für etwa 8 min durchgeführt. Während dieser Zeit wurde eine Gesamtmenge von 0,53 mg/cm2 Gold abgeschieden. Insgesamt ergibt sich somit eine Beschichtung46e , die einen Goldanteil von etwa 1% oder weniger aufweist und einen Titananteil, der größer als etwa 99% ist. - Ein Vergleich der Beschichtung
46e und des Substrats42e ohne Beschichtung ergibt ein Korrosionspotential von 0,49 V bezogen auf eine Wasserstoffreferenzelektrode (RHE) und einen Korrosionsstrom icorr kleiner als 10 μAcm–2 für die Beschichtung46e . Unter denselben Bedingungen, also bei Sauerstoff gesättigter Schwefelsäure HsSO4 bei 24°C, ergab sich für die das Substrat42e ohne Beschichtung ein Korrosionspotential von –0,28 V bezogen auf eine Wasserstoffreferenzelektrode (RHE) und ein 1000mal höherer Korrosionsstrom icorr. - Die Rauheit der Beschichtung
46e weist vorzugsweise einen Wert in einem Bereich von etwa 0,6 bis etwa 0,85 auf, insbesondere kann die Rauheit einen Wert von 0,62 aufweisen. Die angegebenen Werte für die Rauheit sind definiert als Verhältnis zwischen der geometrischen Fläche der Beschichtung und der tatsächlichen Oberfläche der Beschichtung, also Rauheit = Ageometrisch/Atatsächlich. - Durch das Plasmaspritzen der Deckschicht
54e aus Titan ergibt sich eine sehr raue und poröse Titanschicht. Diese ist in den5A bis5D gut zu erkennen. Im Vergleich zur Oberfläche50e der Beschichtung46e weist das Substrat42e eine deutlich weniger raue Substratoberfläche68 auf. - Wie insbesondere in
5D gut zu erkennen, ist eine Schutzschichtdicke58e im Wesentlichen konstant. Sie liegt in einem Bereich vorzugsweise von 10 nm bis etwa 5.000 nm. Die sehr raue und poröse Deckschicht54e weist eine Deckschichtdicke70e auf, welche im Mittel vorzugsweise in einem Bereich von etwa 13 μm bis etwa 62 μm liegt. - Die Beschichtung
46e ist somit insgesamt trotz der Schutzschicht56e im Wesentlichen unverändert rau wie die Deckschicht54e , so dass insgesamt eine stark hydrophobe Oberfläche50e der Beschichtung46e ausgebildet wird, die von Wassertropfen48e nur schwer benetzt wird. -
7 zeigt den Grenzflächen-Kontaktwiderstand der Bipolarplatten16 (Stand der Technik) und16e (Erfindung) in Abhängigkeit des Verdichtungsdrucks und gemessen nach dem Standard des amerikanischen Energieministeriums (DOE). - In
7 ist ferner als gestricheltes Rechteck ein Bereich eingezeichnet, der der Vorgabe des DOE für 2015 entspricht, nämlich ein Kontaktwiderstand von maximal 20 mΩ cm2 bei einem Verdichtungsdruck von höchstens 140 N/cm2. In7 ist erkennbar, dass diese Vorgabe durch Bipolarplatten16 gemäß dem Stand der Technik nicht erreichbar ist. - Dagegen liegt der Grenzflächen-Kontaktwiderstand der Bipolarplatten
16e bei demselben Druck mit einem Wert von unter 10 mΩ cm2 im Vorgabebereich des DOE. Die deutliche Leistungserhöhung ergibt sich insbesondere durch die hohe Rauheit der Deckschicht54e durch das Vakuum-Plasmaspritzen der derselben auf das Substrat42e , welche zum einen nicht nur eine Anhaftung der Schutzschicht56e aus Gold auf der Deckschicht54e aus Titan verbessert, sondern auch eine Benetzung durch Wassertropfen48e vermindert. -
8 zeigt die zeitliche Entwicklung des durch die Brennstoffzelle12 mit den Bipolarplatten14e und16e generierten Stroms bei Bedingungen, die eine Wasseransammlung fördern. Die Zelltemperatur TZelle betrug 50°C, eine Düsentemperatur TDüse 80°C. Weitere Parameter der Messung sind RH >> 100%, Flussa/c 209/664 und Zellspannung Vconst = 600 mV. Diese Messbedingungen gelten jeweils für die Bipolarplatten14 und16 gemäß dem Stand der Technik mit der Beschichtung46 und für die Bipolarplatten14e und16e , die eine Beschichtung46e gemäß der Erfindung aufweisen. - Wie in
8 gut zu erkennen, zeigt eine Brennstoffzelle mit Bipolarplatten14 und16 nach dem heutigen Stand der Technik periodisch auftretende Stromspitzen, die durch die Ansammlung von Wassertropfen im Strömungsfeld, also in den Strömungskanälen24 , verursacht werden. Die Anzahl und die Ausprägung derartiger Stromspitzen können im Gegensatz dazu durch die Verwendung der Bipolarplatten14e und16e minimiert werden. Zudem erlaubt die Erfindung eine um 17% höhere Strom- und damit auch Wasserausbeute. Eine Brennstoffzelle12 mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten14e und16e zeigt sich somit dem gegenwärtigen Stand der Technik deutlich überlegen. - Das beschriebene Phänomen zeigt sich auch beim zeitlichen Verlauf des Kathodendrucks, der in
9 für eine Brennstoffzelle12 , welche mit Bipolarplatten14 und16 gemäß dem Stand der Technik ausgestattet ist, und für eine Brennstoffzelle12 mit Bipolarplatten14e und16e gemäß der Erfindung dargestellt ist. Die bei der konventionellen Beschichtung46 , die ausschließlich eine Schicht aus Gold umfasst, periodisch auftretenden Druckspitzen resultieren aus gebildeten Wassertropfen48 , deren Ausfuhr aus der Zelle10 aufgrund der starken Benetzung der Beschichtung46 stark erschwert ist. Die Betriebsbedingungen bei der Messung des Kathodendrucks in Abhängigkeit der Zeit entsprechen denen, die oben in Verbindung mit8 im Zusammenhang mit der Messung des Stroms in Abhängigkeit der Zeit angegeben sind. - Insbesondere durch die in den
8 und9 dargestellten Messungen der zeitlichen Verläufe von Strom und Kathodendruck bestätigt sich das gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Wassermanagement bei Brennstoffzellen12 mit Bipolarplatten14e und16e . Die Freisetzung produzierten Wassers wird durch die Erfindung insbesondere erleichtert, wodurch sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Beschichtung46e gegenüber bekannten Beschichtungen46 aus dem Stand der Technik auszeichnet. - Die Verwendung von Bipolarplatten
14e und16e mit der beschriebenen Beschichtung46e hat verbesserte thermische und mechanische Eigenschaften zur Folge. Die Ansammlung von produziertem Wasser in Brennstoffzellen wird reduziert. Ferner werden insbesondere eine um 30% höhere Stromausbeute bei niedrigen Spannungen und hohe Wasserproduktionsraten im Vergleich mit einer Beschichtung46 aus reinem Gold erreicht. - Eine im Vergleich zu einer reinen Goldschicht mit einer Dicke von etwa 3 μm deutlich dickere Deckschichtdicke
70e von vorzugsweise mehr als 40 μm fördert zudem den Korrosionsschutz des Substrats42e . Die beschriebene hohe Oberflächenrauheit der Beschichtung46e erniedrigt zudem insbesondere auch den Kontaktwiderstand an der Grenzfläche auf etwa 8,6 mΩ cm2, also weniger als 10 mΩ cm2. - Die beschriebenen Verfahrenstechniken lassen sich auf einfache Weise an eine großtechnische Produktion anpassen. Somit ist es insbesondere möglich, Bipolarplatten für Polymerelektrolytbrennstoffzellen und Bipolarplatten für Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyseure im großen Maßstab herzustellen. Auch Elektroden für Redox-Flussbatterien sowie maßbeständige Anoden für die elektrochemische Industrie lassen sich auf einfache Weise im großen Maßstab ausbilden. Die vorgeschlagene Beschichtung
46e ermöglicht zudem die Fabrikation stark hydrophober, metallischer, gut leitfähiger Beschichtungen. - Bezugszeichenliste
-
- 10, 10'
- elektrochemische Zelle
- 12
- Brennstoffzelle
- 14, 14e, 14e'
- Bipolarplatte
- 16, 16e, 16e'
- Bipolarplatte
- 18
- Anode
- 20
- Kathode
- 22, 22e'
- Strömungskanal
- 24, 24e'
- Strömungskanal
- 25, 25'
- Oberseite
- 26, 26'
- anodische Gasdiffusionsschicht
- 27, 27'
- Oberseite
- 28, 28'
- kathodische Gasdiffusionsschicht
- 30
- mikroporöse Schicht
- 32
- Katalysatorschicht
- 34
- mikroporöse Schicht
- 36
- Katalysatorschicht
- 38, 38'
- Protonenaustauschmembran
- 40, 40'
- Membranelektrodenanordnung
- 42, 42e
- Substrat
- 46, 46e
- Beschichtung
- 48, 48e
- Wassertropfen
- 50, 50e
- Oberfläche
- 52, 52e
- Kontaktwinkel
- 54e
- Deckschicht
- 56e
- Schutzschicht
- 58e
- Schutzschichtdicke
- 60
- Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyseur
- 62
- Einlass
- 64
- Auslass
- 66
- Auslass
- 68, 68e
- Substratoberfläche
- 70e
- Deckschichtdicke
- 72e
- Deckschichtoberfläche
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013213015 [0004]
Claims (35)
- Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (
14e ,16e ,14e' ,16e' ), insbesondere zur Herstellung einer Bipolarplatte (14e ,16e ,14e' ,16e' ) für eine elektrochemische Zelle (10 ,10' ), umfassend: – Bereitstellen eines Substrats (42e ) mit einer Substratoberfläche (68e ) und – Aufbringen einer Beschichtung (46e ) auf mindestens einen Teil der Substratoberfläche (68e ), bei welchem Verfahren in einem Plasmaspritzverfahren eine raue und/oder poröse Deckschicht (54e ) der Beschichtung (46e ) auf mindestens einen Teil der Substratoberfläche (68e ) mit einer vom Substrat (42e ) weg weisenden rauen und/oder porösen Deckschichtoberfläche (72e ) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Deckschichtoberfläche (72e ) eine Schutzschicht (56e ) der Beschichtung (46e ) aufgebracht wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Substrat (
42e ) eine Deckschicht (54e ) aufgebracht wird, welche Titan (Ti), Tantal (Ta), Titannitrit (TiN), Tantalnitrit (TaN), Chromnitrit (CrN), Titansuboxid (Ti4O7) ist oder enthält. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (
54e ) mit einer mittleren Deckschichtdicke (70e ) in einem Bereich von etwa 5 μm bis etwa 500 μm auf die Substratoberfläche (68e ) aufgebracht wird, insbesondere mit einer mittleren Deckschichtdicke (70e ) in einem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (
56e ) mit einer konstanten oder im Wesentlichen konstanten Schutzschichtdicke (58e ) auf die Deckschichtoberfläche (72e ) aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Schutzschicht (
56e ) mit einer Schutzschichtdicke (58e ) in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 5000 nm auf der Deckschicht (54e ) aufgebracht wird, insbesondere mit einer Schutzschichtdicke (58e ) in einem Bereich von etwa 20 nm bis etwa 500 nm. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (
56e ) durch elektrochemische Abscheidung auf die Deckschicht (54e ) aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Deckschicht (
54e ) auf das Substrat (42e ) und nur eine Schutzschicht (56e ) auf die Deckschicht (54e ) aufgebracht werden. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzschicht (
56e ) eine Goldschicht oder eine Schicht, welche aus Iridium (Ir), Platin (Pt), mit Bor gedopten Diamant (BDD), mit Bor gedoptes Siliziumkarbid (SiC: B), Titan-Metall-Oxid (T1-xMxO2) mit M = Wolfram, Molybdän (Mo) oder Niob (Nb), besteht oder diese Elemente oder Mischungen einzeln oder gemischt enthält, aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (
56e ) mit einer Schutzschichtdicke (58e ) aufgebracht wird, so dass eine Masse der Schutzschicht (56e ) etwa 0,1% bis etwa 2% einer Gesamtmasse der Deckschicht (54e ) und der – Schutzschicht (56e ) beträgt. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (
54e ) und die Schutzschicht (56e ) derart aufgebracht werden, dass ein Grenzflächenkontaktwiderstand gemessen nach der Standardmethode des amerikanischen Energieministeriums kleiner als etwa 15 mΩ cm2 ist, insbesondere kleiner als etwa 10 mΩ cm2. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (
54e ) und die Schutzschicht (56e ) derart aufgebracht werden, dass ein Wassertropfenkontaktwinkel (52e ) größer ist als etwa 70°, insbesondere größer als etwa 80°. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (
46e ) mit einer Rauheit aufgebracht wird, die einen Wert in einem Bereich von etwa 0,6 bis etwa 0,85 aufweist, insbesondere 0,62. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein plattenförmig ausgebildetes Substrat (
42e ) bereitgestellt wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (
42e ) aus einem Stahl, Kupfer und/oder Aluminium bereitgestellt wird, insbesondere aus einem Edelstahl. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
42e ) einseitig oder beidseitig mit mehreren Strömungskanälen (22e ,24e ,22e' ,24e' ) versehen wird, insbesondere bevor die Deckschicht (54e ) aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche (
68e ) in einem Sandstrahl-Verfahren und/oder in einem Schleifverfahren aufgeraut wird, insbesondere bevor die Deckschicht (54e ) aufgebracht wird. - Bipolarplatte (
14e ,16e ,14e' ,16e' ) für eine elektrochemische Zelle (10 ), umfassend ein Substrat (42e ) mit einer Substratoberfläche (68e ) und mit einer mindestens auf einen Teil der Substratoberfläche (68e ) aufgebrachten Beschichtung (46e ), welche Beschichtung (46e ) eine raue und/oder poröse, in einem Plasmaspritzverfahren auf die Substratoberfläche (68e ) aufgebrachte und eine vom Substrat (42e ) weg weisende, raue und/oder poröse Deckschichtoberfläche (72e ) aufweisende Deckschicht (54e ) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (46e ) eine Schutzschicht (56e ) umfasst und dass die Deckschichtoberfläche (72e ) mit der Schutzschicht (56e ) versehen oder bedeckt ist. - Bipolarplatte nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (
54e ) Titan (Ti), Tantal (Ta), Titannitrit (TiN), Tantalnitrit (TaN), Chromnitrit (CrN), Titansuboxid (Ti4O7) ist oder enthält. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (
54e ) eine mittlere Deckschichtdicke (70e ) in einem Bereich von etwa 5 μm bis etwa 500 μm aufweist, insbesondere in einem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (
56e ) eine konstante oder im Wesentlichen konstante Schutzschichtdicke (58e ) aufweist. - Bipolarplatte nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschichtdicke (
58e ) einen Wert in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 5000 nm aufweist, insbesondere in einem Bereich von etwa 20 nm bis etwa 500 nm. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 21, gekennzeichnet durch eine elektrochemisch abgeschiedene Schutzschicht (
56e ). - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 22, gekennzeichnet durch nur eine einzige Deckschicht (
54e ) und/oder nur eine einzige Schutzschicht (56e ). - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (
56e ) Gold ist oder enthält oder aus Iridium (Ir), Platin (Pt), mit Bor gedopten Diamant (BDD), mit Bor gedoptes Siliziumkarbid (SiC: B), Titan-Metall-Oxid (T1-xMxO2) mit M = Wolfram, Molybdän (Mo) oder Niob (Nb), besteht oder diese Elemente oder Mischungen einzeln oder gemischt enthält. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (
56e ) eine Schutzschichtdicke (58e ) aufweist derart, dass eine Masse der Schutzschicht (56e ) etwa 0,1% bis etwa 2% einer Gesamtmasse der Deckschicht (54e ) und der Schutzschicht (56e ) entspricht. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (
46e ) einen Grenzflächenkontaktwiderstand gemessen nach der Standardmethode des amerikanischen Energieministeriums aufweist, welcher kleiner als etwa 15 mΩ cm2 ist, insbesondere kleiner als etwa 10 mΩ cm2. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (
46e ) einen Wassertropfenkontaktwinkel (52e ) aufweist, welcher größer ist als etwa 70°, insbesondere größer als etwa 80°. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der Beschichtung (
46e ) einen Wert in einem Bereich von etwa 0,6 bis etwa 0,85 aufweist, insbesondere 0,62. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
42e ) plattenförmig ausgebildet ist. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (
42e ) aus einem Stahl, Kupfer und/oder Aluminium hergestellt ist, insbesondere aus einem Edelstahl. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
42e ) einseitig oder beidseitig mit mehreren Strömungskanälen (22 ,24 ) versehen ist. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
42e ) eine in einem Sandstrahl-Verfahren und/oder in einem Schleifverfahren aufgeraute Substratoberfläche (68e ) aufweist, auf welcher insbesondere die Deckschicht (54e ) aufgebracht ist. - Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 17 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
42e ) mindestens zwei voneinander weg weisende Substratoberflächen (68e ) aufweist und dass mindestens eine der mindestens zwei Substratoberflächen (68e ) vollständig oder im Wesentlichen vollständig mit der Beschichtung (46e ) bedeckt ist. - Elektrochemische Zelle (
10 ,10' ), insbesondere eine Elektrolysezelle (60 ) oder eine Brennstoffzelle (12 ), umfassend mindestens zwei Elektroden, wobei mindestens eine der mindestens zwei Elektroden in Form einer Bipolarplatte (14e ,16e ,14e' ,16e' ) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (14e ,16e ,14e' ,16e' ) in Form einer Bipolarplatte (14e ,16e ,14e' ,16e' ) nach einem der Ansprüche 17 bis 33. - Elektrochemische Zelle (
10 ,10' ) nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (10 ,10' ) in Form einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (12 ), eines Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyseurs (60 ), einer Redox-Flussbatterie oder eine elektrochemische Zelle mit maßbeständiger Elektrode für die elektrochemische Chlorindustrie ausgebildet ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102014109321.6A DE102014109321A1 (de) | 2014-07-03 | 2014-07-03 | Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle |
PCT/EP2015/065182 WO2016001400A1 (de) | 2014-07-03 | 2015-07-03 | Verfahren zur herstellung einer beschichteten bipolarplatte, beschichtete bipolarplatte für eine elektrochemische zelle und elektrochemische zelle |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102014109321.6A DE102014109321A1 (de) | 2014-07-03 | 2014-07-03 | Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102014109321A1 true DE102014109321A1 (de) | 2016-01-07 |
Family
ID=53514175
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102014109321.6A Pending DE102014109321A1 (de) | 2014-07-03 | 2014-07-03 | Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102014109321A1 (de) |
WO (1) | WO2016001400A1 (de) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3553859A4 (de) * | 2016-12-06 | 2020-07-29 | Showa Denko K.K. | Kollektorplatte und redox-flow-batterie |
EP3553860A4 (de) * | 2016-12-06 | 2020-07-29 | Showa Denko K.K. | Kollektorplatte und redox-flow-batterie |
EP3553861A4 (de) * | 2016-12-06 | 2020-07-29 | Showa Denko K.K. | Kollektorplatte und redox-flow-batterie |
DE102020133553A1 (de) | 2020-12-15 | 2022-06-15 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und Bipolarplatte |
WO2022152341A1 (de) * | 2021-01-13 | 2022-07-21 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Redox-flussbatterie |
WO2022241740A1 (zh) | 2021-05-20 | 2022-11-24 | 舍弗勒技术股份两合公司 | 用于pem电解装置的双极板以及pem电解装置 |
EP4152447A1 (de) * | 2021-08-13 | 2023-03-22 | Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation | Metallkomponente für elektrochemischen stapel und elektrochemischer stapel |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20190103204A (ko) * | 2017-01-19 | 2019-09-04 | 스미토모덴키고교가부시키가이샤 | 쌍극판, 셀 프레임, 셀 스택 및 레독스 플로우 전지 |
EP3602654A4 (de) * | 2017-03-27 | 2020-12-30 | D'Anzi, Angelo | Mehrpunkt-elektrolyt-strömungsfeldausführungsform für eine vanadium-redox-flow-batterie |
DE102017128730A1 (de) * | 2017-12-04 | 2019-06-06 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg | Schichtsystem, Bipolarplatte, Brennstoffzelle und Verfahren zum Beschichten |
DE102019121673A1 (de) * | 2019-08-12 | 2021-02-18 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Elektrodeneinheit und Redox-Flow-Zelle |
EP4136459A1 (de) | 2020-04-13 | 2023-02-22 | Abbott Laboratories | Verfahren, komplexe und kits zum nachweis oder zur bestimmung einer menge eines ss-coronavirus-antikörpers in einer probe |
CN115011987B (zh) * | 2022-08-02 | 2022-11-29 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种电解水制氢防腐蚀双极板及其制备方法和设备 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6967065B1 (en) * | 1998-11-25 | 2005-11-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Separator of proton exchange fuel cell and its manufacturing method |
DE102006031791A1 (de) * | 2006-07-10 | 2008-01-17 | Daimlerchrysler Ag | Beschichtungsverfahren und korrosionsschützende Beschichtung für Elektroden |
DE112005002439T5 (de) * | 2004-10-07 | 2009-03-05 | General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware), Detroit | Bipolarplatte mit veerbesserter Stabilität |
DE102013213015A1 (de) | 2013-07-03 | 2015-01-08 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5076601B2 (ja) * | 2006-06-02 | 2012-11-21 | 株式会社豊田中央研究所 | 導電性耐食材料の製造方法 |
WO2013045230A1 (de) * | 2011-09-27 | 2013-04-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur herstellung einer festelektrolyt-brennstoffzelle |
-
2014
- 2014-07-03 DE DE102014109321.6A patent/DE102014109321A1/de active Pending
-
2015
- 2015-07-03 WO PCT/EP2015/065182 patent/WO2016001400A1/de active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6967065B1 (en) * | 1998-11-25 | 2005-11-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Separator of proton exchange fuel cell and its manufacturing method |
DE112005002439T5 (de) * | 2004-10-07 | 2009-03-05 | General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware), Detroit | Bipolarplatte mit veerbesserter Stabilität |
DE102006031791A1 (de) * | 2006-07-10 | 2008-01-17 | Daimlerchrysler Ag | Beschichtungsverfahren und korrosionsschützende Beschichtung für Elektroden |
DE102013213015A1 (de) | 2013-07-03 | 2015-01-08 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3553859A4 (de) * | 2016-12-06 | 2020-07-29 | Showa Denko K.K. | Kollektorplatte und redox-flow-batterie |
EP3553860A4 (de) * | 2016-12-06 | 2020-07-29 | Showa Denko K.K. | Kollektorplatte und redox-flow-batterie |
EP3553861A4 (de) * | 2016-12-06 | 2020-07-29 | Showa Denko K.K. | Kollektorplatte und redox-flow-batterie |
US10790531B2 (en) | 2016-12-06 | 2020-09-29 | Showa Denko K.K. | Collector plate and redox flow battery |
DE102020133553A1 (de) | 2020-12-15 | 2022-06-15 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und Bipolarplatte |
WO2022127984A1 (de) | 2020-12-15 | 2022-06-23 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte für eine elektrochemische zelle und bipolarplatte |
WO2022152341A1 (de) * | 2021-01-13 | 2022-07-21 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Redox-flussbatterie |
WO2022241740A1 (zh) | 2021-05-20 | 2022-11-24 | 舍弗勒技术股份两合公司 | 用于pem电解装置的双极板以及pem电解装置 |
EP4152447A1 (de) * | 2021-08-13 | 2023-03-22 | Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation | Metallkomponente für elektrochemischen stapel und elektrochemischer stapel |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2016001400A1 (de) | 2016-01-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102014109321A1 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle | |
DE112010001642B4 (de) | Verfahren zum herstellen eines materials auf titanbasis | |
DE112004002166B4 (de) | Separatoranordnung zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen und Verfahren zum Herstellen | |
DE102006059644B4 (de) | Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung einer Strömungsfeldplatte | |
DE102016102393A1 (de) | Korrosionsbeständige bipolarplatte aus metall für eine protonenaustauschmembran-brennstoffzelle (pemfc) mit radikalfänger | |
TWI490371B (zh) | 電解應用上的電極及其製法以及在電極表面上陽極釋氧之電解法和電冶法 | |
DE102007003825B4 (de) | Superhydrophile, nanoporöse, elektrisch leitende Beschichtungen für PEM-Brennstoffzellen | |
DE19946695B4 (de) | Brennstoffzelle und Separator für Brennstoffzelle sowie die Verwendung des Separators in einer Brennstoffzelle | |
DE102007026339B4 (de) | Brennstoffzelle mit einer Strömungsfeldplatte, Verfahren zum Herstellen einer solchen Strömungsfeldplatte und Verwendung vorgenannter Brennstroffzelle | |
DE112005002439B4 (de) | Bipolarplatte mit verbesserter Stabilität, Brennstoffzellenstapel sowie Verfahren zum Verbessern der Korrosionsbeständigkeit einer Bipolarplatte | |
DE60003851T2 (de) | Korrosionsbeständige beschichtete brennstoffzelle bipolare platte mit einer schutzschicht aus graphit und verfahren zur herstellung | |
DE112009001684B4 (de) | Brennstoffzellenseparator und Brennstoffzelle | |
DE19842396A1 (de) | Elektrode für elektrochemische Prozesse | |
DE102016102179A1 (de) | Mehrlagige Beschichtung für eine korrosionsbeständige Bipolarplatte aus Metall für eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEMFC) | |
DE102015111918A1 (de) | Stromkollektor, Membraneinheit, elektrochemische Zelle, Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektor, einer Membraneinheit und einer elektrochemischen Zelle | |
DE112005001131T5 (de) | Neuartige Methode, um eine Hochleistungsmembranelektrodenanordnung (MEA) für eine PEM-Brennstoffzelle herzustellen | |
EP3532654B1 (de) | Verwendung einer bipolarplatte und einer porösen transportschicht in einem elektrolyseur | |
DE102004038632A1 (de) | Elektrisch leitendes Element, das zur Verwendung in einer Brennstoffzelle behandelt ist | |
DE102007057699A1 (de) | Ein elektrisches Kontaktelement für eine Brennstoffzelle mit einer leitenden Beschichtung mit monoatomarer Schicht | |
DE102009000544A1 (de) | Metallische bipolare Platte für eine Brennstoffzelle und Verfahren zum Bilden der Oberflächenschicht derselben | |
EP0974564B1 (de) | Perowskit für eine Beschichtung von Interkonnektoren | |
DE102017107422A1 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit, Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit und deren Verwendung | |
DE102004053582A1 (de) | Neues elektrisches Kontaktelement für eine Brennstoffzelle | |
EP3456866A1 (de) | Verfahren zur herstellung eines interkonnektors, interkonnektor und dessen verwendung | |
EP4370728A1 (de) | Elektrolysezelle zur polymerelektrolytmembran-elektrolyse und beschichtung |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: HOEGER, STELLRECHT & PARTNER PATENTANWAELTE MB, DE |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: HOEGER, STELLRECHT & PARTNER PATENTANWAELTE MB, DE |
|
R016 | Response to examination communication |