DE102017107422A1

DE102017107422A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit, Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102017107422A1
Application number: DE102017107422.8A
Authority: DE
Inventors: Philipp Lettenmeier; Aldo Saul Gago Rodriguez; Kaspar Andreas Friedrich; Ansar Asif Syed
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2017-10-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit, insbesondere für eine Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines Substrats; – Aufbringen mindestens einer Schicht auf das Substrat mittels Plasmaspritzen, ausgehend von einer Mischung aus (i) Titan oder Niob und (ii) einem weiteren Material in Pulverform; und – Herauslösen oder Herausschmelzen des weiteren Materials, um mindestens eine poröse Titanschicht auf dem Substrat zu erzeugen. Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit sowie deren Verwendung in einer Elektrolysezelle oder in einer Brennstoffzelle. Schließlich betrifft die Erfindung eine Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle, umfassend mindestens eine Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit, insbesondere für eine Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle.
Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit sowie deren Verwendung in einer Elektrolysezelle oder in einer Brennstoffzelle.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle, umfassend mindestens eine Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit.
Mit Hilfe von Protonenaustauschmembran-Elektrolysesystemen kann Wasserstoff als Energieträger unter Einsatz von erneuerbaren Energiequellen erzeugt werden, d.h. insbesondere durch mit Wind- oder Solarenergie erzeugten Strom. Unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit erlangt diese Art der Wasserstoffproduktion daher eine stetig wachsende Bedeutung.
Bei einem solchen Elektrolysesystem bilden mehrere Elektrolysezellen einen Zellenstapel oder Stack, wobei die Einzelzellen in Form von Membran-Elektroden-Einheiten über Bipolarplatten in Reihe geschaltet sind.
Gemäß dem Stand der Technik sind Protonenaustauschmembran-Elektrolysezellen so aufgebaut, dass auf beiden Seiten der Bipolarplatte ein Stromkollektor als separates Element vorgesehen ist, um die elektrische Kontaktierung zur Anode bzw. Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten herzustellen. Sowohl die Bipolarplatte als auch die Stromkollektoren müssen eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit bei hohen Spannungen (größer als 2 V), hohen Stromdichten (größer als 2 A/cm²) und hohen Temperaturen (über 80 °C) aufweisen, insbesondere in dem stark sauren Milieu (pH-Wert von etwa 0) unter Sauerstoffsättigung auf der Anodenseite. Um diese Bedingungen erfüllen zu können, werden Bipolarplatten und Stromkollektoren für Protonenaustauschmembran-Elektrolysezellen überwiegend aus Titan hergestellt.
Die Bipolarplatte und/oder der Stromkollektor müssen neben dem Stromfluss auch den Transport des Wassers zum elektrochemischen Reaktionsort, d.h. zur Anode bzw. Kathode, sowie den Abtransport des gebildeten Sauerstoffs bzw. Wasserstoffs gewährleisten. Hierfür gibt es im Stand der Technik im Wesentlichen zwei Strategien für den Aufbau der Zelle bzw. des Stacks: Im einen Fall übernimmt die Bipolarplatte die Hauptaufgabe der Wasserverteilung; zu diesem Zweck wird an ihrer Oberfläche eine komplexe Struktur von Fließkanälen (ein so genanntes Flowfield) durch Ätzen oder Fräsen erzeugt. Als Stromkollektor kann dann eine relativ einfache Struktur, insbesondere ein Streckgitter, verwendet werden. Im anderen Fall wird die Bipolarplatte so einfach wie möglich gehalten und der Stromkollektor wird durch ein Sinterverfahren mit einer optimierten Porosität hergestellt, um die Hauptaufgabe der Wasserverteilung übernehmen zu können.
Bei beiden Varianten ist eine relativ aufwändige Bearbeitung des für die Bipolarplatte und den Stromkollektor verwendeten Titans erforderlich, was zu einem hohen Kostenanteil dieser beiden Elemente an den Gesamtkosten einer Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle führt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus dem Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplatte und dem Stromkollektor, der unter Umständen die Leistungsfähigkeit der Elektrolysezelle limitiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für eine Bipolarplatte und einen Stromkollektor mit guter Funktionalität, insbesondere für eine Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle, zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es die Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines Substrats;
– Aufbringen mindestens einer Schicht auf das Substrat mittels Plasmaspritzen, ausgehend von einer Mischung aus (i) Titan oder Niob und (ii) einem weiteren Material in Pulverform; und
– Herauslösen oder Herausschmelzen des weiteren Materials, um mindestens eine poröse Titan- oder Niobschicht auf dem Substrat zu erzeugen.

Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte mindestens eine poröse Titan- oder Niobschicht geht eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Substrat ein, sodass die Problematik eines Kontaktwiderstandes, wie sie beim Stand der Technik besteht, vollständig vermieden wird. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von ausreichend großen Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheiten (z.B. größer als 1.500 cm²) für Protonenaustauschmembran-Elektrolysezellen im Megawattbereich, mit einer hohen Fertigungsgenauigkeit, insbesondere mit planparallelen Oberflächen.
Die Erfindung ermöglicht es zudem, die Dicke der mindestens einen porösen Titan- oder Niobschicht gegenüber den im Stand der Technik verwendeten Stromkollektoren deutlich zu reduzieren, bei gleicher oder verbesserter Funktionalität. Dadurch kann der Raumbedarf der Elektrolysezelle insgesamt reduziert werden.
Das Plasmaspritzen wird vorzugsweise in Vakuum durchgeführt. Unter den Bedingungen des Vakuumplasmaspritzens (VPS) kann eine Oxidation der verwendeten Materialien ausgeschlossen werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass zwei oder mehr Schichten mit unterschiedlicher Beschaffenheit, insbesondere mit unterschiedlicher Partikelgröße des weiteren Materials, aufgebracht werden, um poröse Schichten mit unterschiedlichen Porengrößen zu erzeugen. Durch die Parameter des Herstellungsverfahrens können die Porengröße und Porosität der erzeugten Titan- oder Niobschichten auf einfache Weise relativ genau definiert werden. Dies führt zu einem wesentlichen Vorteil der Erfindung, dass verschiedene Schichten im Hinblick auf unterschiedliche Funktionalitäten der Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit optimiert werden können.
Besonders günstig ist es, wenn die Porengröße der Schichten mit der Entfernung vom Substrat abnimmt. Insbesondere begünstigen relativ große Poren in einer dem Substrat benachbarten Schicht die Zuführung von Wasser und dessen Verteilung über die gesamte Fläche der Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit, während eine geringe Porengröße in einer äußersten (d.h. dem Substrat entferntesten) Schicht den Kontaktwiderstand zu einer benachbarten Membran-Elektroden-Einheit reduziert. Mehrere Schichten (z.B. drei, vier oder fünf Schichten) mit einer kontinuierlichen abnehmenden Porengröße begünstigen darüber hinaus den Transport von Wasser in Richtung der jeweiligen Elektrode durch Kapillarkräfte.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Variation der Partikelgröße des weiteren (später entfernten) Materials können die Eigenschaften der hergestellten Titan- oder Niobschichten, insbesondere deren Mikroporosität, auch mittels unterschiedlicher Partikelgrößen des eingesetzten Titans oder Niobs beeinflusst werden. Beispielsweise können für eine erste Schicht größere Titan- oder Niobpartikel eingesetzt werden als für eine darauf folgende zweite Schicht.
Wenn mehrere Schichten auf das Substrat aufgebracht werden, können diese auf Basis desselben oder unterschiedlicher Materialien (d.h. Titan oder Niob) gebildet sein.
Das weitere Material, welches im Anschluss an das Plasmaspritzen herausgelöst oder herausgeschmolzen wird, kann insbesondere ein unedles Metall, ein Salz oder ein Polymermaterial umfassen. Voraussetzung für die Eignung des Materials im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es mittels Plasmaspritzen verarbeitbar ist und unter Bedingungen gelöst oder geschmolzen werden kann, unter denen das Titan bzw. Niob inert ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das weitere Material Aluminium. Das Aluminium wird zur Erzeugung der mindestens einen porösen Titanschicht mittels eines sauren oder eines alkalischen Mediums herausgelöst, bevorzugt mittels Schwefelsäure, Perchlorsäure oder Kalilauge. Es wird in diesem Fall also eine Mischung aus einem Titanpulver und einem Aluminiumpulver mittels Plasmaspritzen aufgebracht, wobei die Porosität und die Porengröße der erzeugten Titan- oder Niobschicht über das Mischungsverhältnis und die Partikelgrößen des Titans oder Niobs und des Aluminiums eingestellt werden können.
Bei der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit übernimmt das Substrat insofern die Funktionalität der Bipolarplatte, als es eine ausreichende mechanische Stabilität, elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie Dichtigkeit gegenüber Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff aufweisen muss. Im Gegensatz zu den Bipolarplatten gemäß dem Stand der Technik kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Substrat aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, oder aus Kupfer, gegebenenfalls mit einer Korrosionsschutzschicht, eingesetzt werden, als kostengünstigere Alternative zu Titan. Das Substrat kann aber auch aus Titan gebildet sein.
Bei einem Substrat aus Stahl oder Kupfer wird bevorzugt eine Korrosionsschutzschicht auf das Substrat aufgebracht, insbesondere aus einem Edelmetall (z.B. Gold, Platin oder Iridium) oder aus Titan oder Niob, bevor die mindestens eine Schicht mittels Plasmaspritzen aufgebracht wird.
Wie bereits oben erwähnt, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erste (innerste) poröse Titan- oder Niobschicht auf dem Substrat erzeugt werden, deren Porengröße ausreichend groß ist, um die Zuführung und Verteilung von Wasser zu ermöglichen. Diese Schicht übernimmt dann die Aufgabe eines Flowfields bei einer Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass Fließkanäle an der Oberfläche des Substrats erzeugt werden, insbesondere durch Ätzen oder Fräsen, bevor die mindestens eine Schicht mittels Plasmaspritzen aufgebracht wird. Über dem derart erzeugten Flowfield kann dann eine erste (oder auch einzige) poröse Titanschicht mit einer geringeren Porengröße erzeugt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird nach dem Erzeugen der mindestens einen porösen Titan- oder Niobschicht auf dem Substrat eine Katalysatorschicht auf die äußerste Titan- oder Niobschicht aufgebracht. Hierbei handelt es sich um einen Katalysator für die Anoden- bzw. Kathodenreaktion an der späteren Kontaktfläche zwischen der Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit und der Anode bzw. Kathode einer Membran-Elektroden-Einheit. Die Katalysatorschicht kann z.B. mittels PVD (Physical Vapour Deposition) oder mittels Siebdruck aufgebracht und anschließend thermisch behandelt werden.
Die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können grundsätzlich auf einer oder auf beiden Seiten des Substrats durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das Verfahren zumindest auf der späteren Anodenseite der Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit durchgeführt, da an die Funktionalität des anodenseitigen Stromkollektors aufgrund der oxidativen Bedingungen besonders hohe Anforderungen bestehen. In diesem Fall kann auf der Kathodenseite der Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit ein Stromkollektor gemäß dem Stand der Technik eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß aufgebrachte mindestens eine poröse Titan- oder Niobschicht ist jedoch auch auf der Kathodenseite von Vorteil, insbesondere ist sie ausreichend beständig gegen eine Wasserstoffversprödung.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit vorzuschlagen, die kostengünstig herstellbar ist und eine gute Funktionalität aufweist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit erfindungsgemäße dadurch gelöst, dass sie ein Substrat und mindestens eine poröse Titan- oder Niobschicht auf einer oder auf beiden Seiten des Substrats umfasst.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit kann insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Daneben sind auch andere Verfahren geeignet, um eine Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Insbesondere können eine oder mehrere poröse Schichten lediglich unter Verwendung von Titan oder Niob in Pulverform, d.h. ohne Beimischung eines weiteren Materials, mittels Plasmaspritzen (bevorzugt Vakuumplasmaspritzen) auf das Substrat aufgebracht werden. Beispielsweise können zur Herstellung einer ersten porösen Schicht Titanpartikel mit einer Korngröße unterhalb von 125 µm und für die Herstellung einer zweiten porösen Schicht Titanpartikel mit einer Korngröße unterhalb von 45 µm eingesetzt werden (oder entsprechende Niobpartikel). Die Porengröße derartiger Schichten wird typischerweise geringer sein als diejenige von porösen Schichten, die mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.
Wesentliche Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Bevorzugt umfasst die Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit zwei oder mehr poröse Titan- oder Niobschichten (auf jeweils einer Seite des Substrats), deren Porengröße mit der Entfernung vom Substrat abnimmt.
Günstig ist es, wenn die Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit eine innerste, dem Substrat benachbarte poröse Titan- oder Niobschicht mit einer Porengröße im Bereich von 500 bis 1.000 µm umfasst. Eine solche makroporöse Schicht kann die Zuführung und Verteilung von Wasser gewährleisten und damit die Funktion eines Flowfields bei einer Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik übernehmen.
Weiter bevorzugt umfasst die Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit eine äußerste poröse Titan- oder Niobschicht mit einer Porengröße im Bereich von 0,1 bis 50 µm, insbesondere im Bereich von 1 bis 10 µm. Eine solche mikroporöse Schicht ermöglicht einen geringen Kontaktwiderstand zu der angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit in einer Elektrolysezelle.
Zwischen einer innersten und einer äußersten Schicht umfasst die Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit bevorzugt eine poröse Titan- oder Niobschicht mit einer Porengröße im Bereich von 50 bis 500 µm, insbesondere im Bereich von 100 bis 300 µm. Eine solche mesoporöse Schicht stellt einen Übergangsbereich zwischen einer innersten makroporösen Schicht und einer äußersten mikroporösen Schicht dar. Es können auch mehr als drei Schichten mit einer weiter abgestuften Porengröße vorgesehen sein. Durch den Gradienten in der Porengröße wird die Zuführung von Wasser zur Elektrode über Kapillarkräfte begünstigt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit kann die mindestens eine Schicht aus Titan oder Niob auch eine deutlich geringere Porengröße von weniger als 50 µm aufweisen, insbesondere im Bereich von 5 bis 25 µm, beispielsweise zwischen 8 und 15 µm. Solche mikroporösen Schichten können insbesondere durch Plasmaspritzen von Titan- oder Niobpulver auf das Substrat ohne die Beimischung eines weiteren Materials, welches später entfernt wird, hergestellt werden. Die Schichtdicken sind bei dieser Ausführungsform der Erfindung typischerweise ebenfalls geringer als bei der Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, und liegen insbesondere in einem Bereich von 100 bis 600 µm.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit in einer Elektrolysezelle oder in einer Brennstoffzelle, insbesondere mit einer Protonenaustauschmembran. Bei der Verwendung in einer Brennstoffzelle ergeben sich im Wesentlichen dieselben Vorteile wie bei der oben beschriebenen Elektrolysezelle.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle, umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit und mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit, wobei die mindestens eine poröse Titan- oder Niobschicht auf einer Seite des Substrats jeweils zu einer Anodenseite der Membran-Elektroden-Einheit hin orientiert ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Elektrolysezelle ist mindesten eine poröse Titan- oder Niobschicht auf der gegenüber liegenden Seite des Substrats jeweils zu einer Kathodenseite der Membran-Elektroden-Einheit hin orientiert. Alternativ kann auf der Kathodenseite jeweils ein Stromkollektor gemäß dem Stand der Technik eingesetzt werden, wenn das Substrat nur auf einer Seite mindestens eine poröse Titan- oder Niobschicht aufweist.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:
1A bis 1D: schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
2A bis 2E: schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine ebene Platte aus Edelstahl als Substrat 10 bereitgestellt. In einem ersten Schritt wird auf eine Seite des Substrats 10 eine Korrosionsschutzschicht 12 aufgebracht, z.B. mittels PVD (siehe 1A). Die Korrosionsschutzschicht 12 kann aus einem Edelmetall oder aus Titan oder Niob gebildet sein. Alternativ kann eine Titanplatte als Substrat 10 verwendet werden, in diesem Fall kann die Korrosionsschutzschicht 12 entfallen.
Auf die Korrosionsschutzschicht 12 (bzw. auf das Substrat 10) werden anschließend insgesamt drei Schichten 14, 16, 18 mittels Vakuumplasmaspritzen aufgebracht, ausgehend von einer Mischung aus Titanpulver und Aluminiumpulver. Die Größe der Aluminiumpartikel 20, 22, 24 nimmt dabei von der ersten (innersten) Schicht 14 über die zweite (mittlere) Schicht 16 bis zur dritten (äußersten) Schicht 18 ab (siehe 1B). Alternativ kann bei einer oder mehreren Schichten auch Niob statt Titan eingesetzt werden.
Im nächsten Schritt wird das Aluminium aus den mittels Plasmaspritzen aufgebrachten Schichten 14, 16, 18 herausgelöst, z.B. mittels Schwefelsäure oder Perchlorsäure. Es resultieren drei poröse Titanschichten 26, 28, 30 mit einer von innen nach außen (d.h. vom Substrat 10 weg) abnehmenden Porengröße, nämlich eine innerste, makroporöse Titanschicht 26 mit Poren 32 von bis zu 1.000 µm, eine mittlere, mesoporöse Titanschicht 28 mit Poren 34 von ca. 100 bis 300 µm, und eine äußerste, mikroporöse Titanschicht 30 mit Poren 36 von unter ca. 50 µm (siehe 1C).
Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit 40 gemäß der 1C übernimmt die makroporöse Titanschicht 26 die Funktionalität eines Flowfields bei einer Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik, d.h. die Zuführung und Verteilung von Wasser über die gesamte Fläche der Einheit 40. Die mikroporöse Titanschicht 30 ermöglicht eine Kontaktierung der Membran-Elektroden-Einheit in einer Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle (oder einer Brennstoffzelle) mit einem geringen Kontaktwiderstand. Der Gradient in der Porengröße von der Schicht 26 über die Schicht 28 bis zur Schicht 30 begünstigt den Transport von Wasser mittels Kapillarkräften.
In einem letzten Verfahrensschritt kann auf die mikroporöse Titanschicht 30 eine Katalysatorschicht 42 aufgebracht werden, z.B. mittels PVD oder mittels Siebdruck (siehe 1D).
Die Herstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit ist schematisch in den 2A bis 2E dargestellt. Gleiche oder einander entsprechende Elemente sind jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Ausgangspunkt des Verfahrens ist in diesem Fall ein Substrat 10 in Form einer Edelstahlplatte (oder auch einer Titanplatte), die an einer Seite mit einer Struktur von Fließkanälen 44 (Flowfield) für die Zuleitung und Verteilung von Wasser versehen ist. Die Fließkanäle 44 werden durch Ätzen oder Fräsen erzeugt (siehe 2A).
Um das Flowfield beim Aufbringen der Titan/Aluminium-Mischung nicht zu beeinträchtigen, werden die Fließkanäle 44 zuvor mit einem Füllmaterial 46, insbesondere mit Aluminium, aufgefüllt (siehe 2B). Das Füllmaterial 46 wird anschließend abgeschliffen, um die Bereiche des Substrats 10 zwischen den Fließkanälen 44 als Kontaktflächen 48 freizulegen (siehe 2C).
Anschließend werden auf das Substrat 10 drei Schichten 14, 16, 18 mittels Vakuumplasmaspritzen aufgebracht, ausgehend von einer Mischung aus Titanpulver und Aluminiumpulver, mit einer abnehmenden Größe der Aluminiumpartikel 20, 22, 24 von innen nach außen, wie für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben (siehe 2B).
Durch das Herauslösen des Aluminiums aus den Schichten 12, 14, 16 und des Füllmaterials 46 (bevorzugt ebenfalls Aluminium) aus den Fließkanälen 44, ebenfalls wie für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben, wird eine Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit 50 mit drei porösen Titanschichten 26, 28, 30 erhalten. Bei dieser Einheit 50 übernehmen die Fließkanäle 44 des Flowfields neben der makroporösen Schicht 26 die Funktion des Transports und der Verteilung von Wasser. Im Übrigen sind die Funktionen der Schichten 26, 28, 30 wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bezugszeichenliste

10: Substrat
12: Korrosionsschutzschicht
14: erste aufgebrachte Schicht
16: zweite aufgebrachte Schicht
18: dritte aufgebrachte Schicht
20: Aluminiumpartikel der ersten Schicht
22: Aluminiumpartikel der zweiten Schicht
24: Aluminiumpartikel der dritten Schicht
26: innerste poröse Titanschicht
28: mittlere poröse Titanschicht
30: äußerste poröse Titanschicht
32: Poren der innersten Titanschicht
34: Poren der mittleren Titanschicht
36: Poren der äußersten Titanschicht
40: Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit
42: Katalysatorschicht
44: Fließkanäle
46: Füllmaterial
48: Kontaktflächen des Substrats
50: Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit (40; 50), insbesondere für eine Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines Substrats (10); – Aufbringen mindestens einer Schicht (14, 16, 18) auf das Substrat (10) mittels Plasmaspritzen, ausgehend von einer Mischung aus (i) Titan oder Niob und (ii) einem weiteren Material in Pulverform; und – Herauslösen oder Herausschmelzen des weiteren Materials, um mindestens eine poröse Titanschicht (26, 28, 30) auf dem Substrat (10) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Plasmaspritzen im Vakuum durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwei oder mehr Schichten (14, 16, 18) mit unterschiedlicher Beschaffenheit, insbesondere mit unterschiedlicher Partikelgröße des weiteren Materials, aufgebracht werden, um poröse Schichten (26, 28, 30) mit unterschiedlichen Porengrößen zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Porengröße der Titan- oder Niobschichten (26, 28, 30) mit der Entfernung vom Substrat (10) abnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das weitere Material ein unedles Metall, ein Salz oder ein Polymermaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das weitere Material Aluminium umfasst, welches zur Erzeugung der mindestens einen porösen Titan- oder Niobschicht (26, 28, 30) mittels eines sauren oder eines alkalischen Mediums herausgelöst wird, bevorzugt mittels Schwefelsäure, Perchlorsäure oder Kalilauge.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (10) aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, aus Kupfer oder aus Titan gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf das Substrat (10) eine Korrosionsschutzschicht (12) aufgebracht wird, insbesondere aus einem Edelmetall oder aus Titan oder Niob, bevor die mindestens eine Schicht (14, 16, 18) mittels Plasmaspritzen aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Fließkanäle (44) an der Oberfläche des Substrats (10) erzeugt werden, insbesondere durch Ätzen oder Fräsen, bevor die mindestens eine Schicht (14, 16, 18) mittels Plasmaspritzen aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Erzeugen der mindestens einen porösen Titan- oder Niobschicht (26, 28, 30) auf dem Substrat eine Katalysatorschicht (42) auf die äußerste Titan- oder Niobschicht (30) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte auf einer oder auf beiden Seiten des Substrats (10) durchgeführt werden.
Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit (40; 50), insbesondere für eine Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle, umfassend ein Substrat (10) und mindestens eine poröse Titan- oder Niobschicht (26, 28, 30) auf einer oder auf beiden Seiten des Substrats (10).
Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit (40; 50), hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit (40; 50) nach Anspruch 12 oder 13, umfassend zwei oder mehr poröse Titan- oder Niobschichten (26, 28, 30), deren Porengröße mit der Entfernung vom Substrat (10) abnimmt.
Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit (40; 50) nach Anspruch 14, wobei eine innerste, dem Substrat benachbarte poröse Titan- oder Niobschicht (26) eine Porengröße im Bereich von 500 bis 1000 µm aufweist.
Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit (40; 50) nach Anspruch 14 oder 15, wobei eine äußerste poröse Titan- oder Niobschicht (30) eine Porengröße im Bereich von 0,1 bis 50 µm aufweist, insbesondere im Bereich von 1 bis 10 µm.
Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit (40; 50) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei eine poröse Titan- oder Niobschicht (28), die zwischen einer innersten und einer äußersten Schicht (26, 30) angeordnet ist, eine Porengröße im Bereich von 50 bis 500 µm aufweist, insbesondere im Bereich von 100 bis 300 µm.
Verwendung einer Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit (40; 50) nach einem der Ansprüche 12 bis 17 in einer Elektrolysezelle oder in einer Brennstoffzelle, insbesondere mit einer Protonenaustauschmembran.
Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle, umfassend mindestens eine Bipolarplatte-Stromkollektor-Einheit (40; 50) nach einem der Ansprüche 12 bis 17 und mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit, wobei die mindestens eine poröse Titan- oder Niobschicht (26, 28, 30) auf einer Seite des Substrats (10) jeweils zu einer Anodenseite der Membran-Elektroden-Einheit hin orientiert ist.
Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle (40; 50) nach Anspruch 19, wobei mindestens eine poröse Titan- oder Niobschicht (26, 28, 30) auf der gegenüber liegenden Seite des Substrats (10) jeweils zu einer Kathodenseite der Membran-Elektroden-Einheit hin orientiert ist.