DE102020133553A1

DE102020133553A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102020133553A1
Application number: DE102020133553.9A
Authority: DE
Inventors: Mehmet Oete; Nazlim Bagcivan; Ladislaus Dobrenizki
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-15
Also published as: WO2022127984A1; KR20230084227A; US20240055618A1; CN116368647A; JP2024500695A; EP4264713A1; AU2021398765A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (10) zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) für eine elektrochemische Zelle (2), wobei ein Träger (6) bereitgestellt wird und eine Beschichtung (7) auf mindestens einen Teilbereich einer Oberfläche des Trägers (6) aufgebracht wird, wobei die Beschichtung (7) mittels Kaltgasspritzen, Plattieren, insbesondere Walzplattieren, oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, insbesondere mit Luft oder Sauerstoff als Brenngas, aufgebracht wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte (1) für eine elektrochemische Zelle (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, wobei ein Träger bereitgestellt wird und eine Beschichtung auf mindestens einen Teilbereich einer Oberfläche des Trägers aufgebracht wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle.
Die aus dem Stand der Technik bekannten elektrochemischen Zellen beruhen üblicherweise auf einer Anordnung zweier Elektroden, die durch einen lonenleiter leitend miteinander verbunden sind. Wichtige Beispiele für derartige Zellen sind dabei insbesondere Elektrolyse- oder Brennstoffzellen und Akkumulatoren zur Speicherung elektrischer Energie. Eine gängige Bauform für Elektrolyse- oder Brennstoffzellen sind dabei Polymerelektrolytmembran-Zellen, bei denen der lonenleiter durch eine protonendurchlässige Polymermembran (PEM, „proton exchange membrane“ bzw. „polymer electrolyte membrane“) gebildet wird, durch die die an der Anode gebildeten WasserstoffIonen zur Kathode wandern und dort entweder molekularem Wasserstoff bilden (Elektrolysezelle) oder mit dem an der Kathode reduzierten Sauerstoff zu Wasser reagieren (Brennstoffzelle). Der elektrochemisch aktive Kern einer PEM-Zelle ist dabei die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA, „membrane electrode assembly“) aus einer Feststoff-Polymermembran, die auf beiden Seiten mit Elektrodenmaterial beschichtet ist. Die Membran-Elektroden-Einheit ist wiederum Teil einer Sandwich-Struktur, in der die beiden Elektroden jeweils an einem Stromkollektor anliegen können, an dem wiederum eine Bipolarplatte angeordnet ist. Die Biopolarplatten weisen an ihrer, dem jeweiligen Stromkollektor zugewandten Fläche eine Strömungsstruktur (Flowfield) auf, über die der Ausgangsstoff (z.B. Wasser bzw. Wasserstoff- und Sauerstoffgas) in die Zelle eingespeist wird. Durch eine Aneinanderreihung mehrerer Zellen aus MEA, Stromkollektoren und Bipolarplatten lassen sich Zellstapel (Stacks) bilden, mit der sich die Leistungsfähigkeit des Systems entsprechend vervielfachen lässt. Bipolarplatten kommen darüber hinaus auch bei wiederaufladbaren Energiespeicherzellen zum Einsatz. Ein Beispiel hierfür sind Metall-Luft-Batterien, bei denen während des Entladens eine metallische Anode mit Luftsauerstoff oxidiert und beim Laden umgekehrt eine entsprechenden Reduktionsreaktion stattfindet. Ähnlich wie bei Elektrolyse- und Brennstoffzellen kann hierbei die Bipolarplatte eine Strömungsstruktur aufweisen, über die der Sauerstoff zu- bzw. abgeführt werden kann.
Von den genannten Hauptkomponenten sind es insbesondere die Interkonnektoren (Bipolarplatten und Stromkollektoren), die den Hauptanteil der Herstellungskosten einer solchen Zelle bilden. Aufgrund der unterschiedlichen Betriebsbedingungen auf der Anoden- bzw. Kathoden-Seite, können die Bipolarplatten und Stromkollektoren auf beiden Seiten jeweils aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei die, durch die hohen Potentiale bedingten, hochkorrosiven Betriebsbedingungen und die erforderliche hohe Leitfähigkeit besondere Anforderungen an das Material stellen. Ein gängiges Material ist hierbei insbesondere Titan, das sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auszeichnet, andererseits jedoch mit hohen Herstellungskosten verbunden ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Oberflächeneigenschaften der Bipolarplatte durch entsprechend gewählte Beschichtungen zu verbessern. Plasmabasierte Verfahren zur Beschichtung von Bipolarplatten sind beispielsweise aus der DE 10 2014 109 321 A1 und den Schriften „Bipolarplattenmaterialien für Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyse“ (Dissertation M. Langemann, Forschungszentrum Jülich 2016) und „Entwicklung und Integration neuartiger Komponenten für Polymerelektrolytmembran- (PEM) Elektrolyseure“ (Dissertation P. Lettenmeyer, Universität Stuttgart 2018) bekannt.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für eine Bipolarplatte zur Verfügung zu stellen, die den besonderen Materialanforderungen für die elektrochemische Anwendung genügt und sich kostengünstig herstellen lässt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, wobei ein Träger bereitgestellt wird und eine Beschichtung, insbesondere eine metallische oder keramische Beschichtung, auf mindestens einen Teilbereich einer Oberfläche des Trägers aufgebracht wird, wobei die Beschichtung mittels Kaltgasspritzen, Plattieren, oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgebracht wird. Die Beschichtung besteht dabei beispielsweise aus einem duktilen Material und wird mittels Kaltgasspritzen („Cold Gas Dynamic Spray“ oder einfach „Cold Spray, CGDS, CS), besonders bevorzugt mit Stickstoff und/oder Helium als Prozessgas, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, besonders bevorzugt mit Luft oder Sauerstoff als Brenngas (HVAF, High Velocity Air Fuel bzw. HVOF, High-Velocity-Oxygen-Fuel) oder mittels Plattieren, vorzugsweise durch Aufwalzen von Metallschichten (z.B. Walzschweißplattierung), Aufschweißen, Ionenplattieren, Elektroplattieren, Tauchen oder Sprengplattieren gebildet. Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird das Beschichtungsmaterial vorzugsweise als pulverförmiger Spritzzusatz aufgeschmolzen und mittels eines Trägergases auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht, so dass sich dort eine dichte Beschichtung mit hoher Haftfestigkeit und geringer Porosität bildet. Als Trägergas eignet sich beispielsweise Stickstoff, während die thermische Energie durch Verbrennung von Propan, Propylen oder Wasserstoff unter Zufuhr von Sauerstoff (HVOF) oder Luft (HVAF) erzeugt wird. Beim Kaltgasspritzen werden die Partikel des Beschichtungsmaterials im nicht-aufgeschmolzenen Zustand mittels eines Trägergases wie Stickstoff und/oder Helium auf die Oberfläche gespritzt und auf diese Weise eine extrem dichte, nahezu oxidfreie Schicht mit guter Haftung erzeugen. Beim Plattieren wird die Oberfläche vorzugsweise zunächst gereinigt, mittels Bürsten oder Schleifen vorbereitet und das Beschichtungsmaterial anschließend durch Walzen unter hohem Druck stoffschlüssig mit dem Träger verbunden. Durch diese Beschichtungsverfahren ist es vorteilhafterweise möglich, eine oxid- und porenarme Schicht zu generieren, die die besonderen Anforderungen bei der Verwendung in einer elektrochemischen Zelle erfüllt, wobei die Materialkosten durch den Ersatz des Vollmaterials aus Titan, Titanlegierungen, etc. mit einem kostengünstigeren Trägermaterial entsprechend reduziert werden.
Vorzugsweise weist die Beschichtung mindestens eines der folgenden Materialien oder deren Oxide oder Carbide auf: Titan (Ti), Niob (Nb), Tantal (Ta), Molybdän (Mo), Zinn (Sn), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Gold (Au), Platin (Pt), Vanadium (V), Aluminium (AI), Ruthenium (Ru), Nickel (Ni), Silizium (Si), Wolfram (W). Insbesondere kann die Beschichtung durch eine karbidische Schicht, beispielsweise aus Siliziumcarbid (SiC) oder Wolframcarbid, insbesondere Mono-Wolframcarbid (WC) bzw. einer daraus gefertigten Keramik gebildet werden. Möglich sind außerdem verschiedene oxidische oder oxidkeramische Schichten, wie beispielsweise unterstöchiometrische Titanoxide, dotierte Oxide oder Mischoxide.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Beschichtung Titan oder eine Titanlegierung auf, wobei die Titanlegierung mindestens eines der folgenden Materialien oder deren Oxide oder Carbide aufweist: Niob, Tantal, Molybdän, Zinn, Silber, Kupfer, Gold, Platin, Vanadium, Aluminium, Ruthenium, Nickel, Silizium. Auf diese Weise lässt sich eine korrosionsbeständige Oberfläche mit guter elektrischer Leitfähigkeit realisieren, wobei der Materialaufwand gegenüber einer aus dem entsprechenden Vollmaterial gefertigten Platte vorteilhafterweise relativ niedrig ist.
Vorzugsweise weist der der Träger Edelstahl oder ein elektrisch leitfähiges Polymermaterial auf. Als Grundmaterial eignen sich insbesondere austenitische Edelstähle, nickelbasierte Edelstähle, Kupfer, Aluminium oder auch Graphit, Verbundwerkstoffe, elektrisch leitfähige Thermo- oder Duroplaste.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass während dem Aufbringen der Beschichtung eine Zusammensetzung von auf die Oberfläche aufgebrachtem Beschichtungsmaterial, ein- oder mehrere Prozessparameter und/oder ein Spritzzusatzwerkstoff zeitlich verändert wird. Vorzugsweise erfolgt dabei mit zunehmender Schichtdicke eine graduelle Änderung der Bestandteile bzw. der chemischen Zusammensetzung der Schicht, wodurch sich die Schichteigenschaften gezielt verbessern lassen. Eine ähnliche Verbesserung lässt sich auch durch Änderung eines oder mehrerer Prozessparameter oder durch eine Veränderung des Spritzzusatzwerkstoffs realisieren. Die Veränderung kann dabei graduell über die Schichtdicke stattfinden oder durch einen mehrlagigen Auftrag erzeugt werden.
Um die für die elektrochemische Reaktion benötigten Ausgangsstoffe in die Zelle einzuspeisen, bzw. die entsprechenden Reaktionsprodukte abzuführen, weist die Bipolarplatte vorzugsweise ein als Strömungsstruktur (Flowfield) ausgebildetes Profil auf. Diese Strömungsstruktur wird vorzugsweise durch kanalförmige Vertiefungen an der Oberfläche gebildet, die beispielsweise geradlinig oder mäanderförmig (Parallelmäander-Flowfield) verlaufen können. Vorzugsweise weist die Strömungsstruktur eine Mehrzahl getrennter Kanäle auf, die besonders bevorzugt parallel zueinander verlaufen. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren lässt dabei mehrere Varianten zu, Strömungskanäle dieser Art zu bilden. Insbesondere können die Kanäle, vor, nach und während des Beschichtungsprozesses erzeugt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden vor dem Aufbringen der Beschichtung Strömungskanäle in der Oberfläche des Trägers gebildet. Die Erzeugung der Strömungskanäle kann beispielsweise durch Zugdruckumformen, insbesondere Hydroumformung erfolgen. Dabei wird eine Platte bzw. ein Blech zwischen ein Ober- und Unterwerkzeug eingebracht, wobei das Oberwerkzeug das gewünschte Profil aufweist, an das sich das Werkstück unter Wirkung eines Hochdruckfluids anschmiegt. Alternativ kann die Formgebung auch beispielsweise durch ein rein mechanisches Umformen wie Tiefziehen, Prägen oder Fließpressen erfolgen. Denkbar ist auch, die Kanäle durch ein abtragendes Verfahren wie beispielsweise Zerspanen, insbesondere durch Fräsen zu erzeugen.
Vorzugsweise wird die Beschichtung auf zwischen den Strömungskanälen gebildeten Erhebungen aufgebracht und die durch die Strömungskanäle gebildeten Vertiefungen bleiben unbeschichtet. Nachdem die Strömungskanäle in der Oberfläche des Trägers gebildet wurden, ist es bei der anschließenden Beschichtung vorteilhafterweise möglich, nur die Stege (Erhebungen) der Strukturen zu beschichten, die Vertiefungen der einzelnen Strukturen jedoch unbeschichtet zu lassen. Bei der Anwendung eines Spritzverfahrens kann die lokale Beschichtung insbesondere durch eine entsprechende gezielte Bewegung der Düsen erreicht werden, mit denen das Material auf den Träger gespritzt wird. Bei der Verwendung eines Plattierverfahrens wird das Beschichtungsmaterial zunächst an den zu beschichtenden Teilbereichen der Oberfläche angeordnet und anschließend, z.B. durch Walzen formschlüssig mit dieser verbunden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass nach dem Aufbringen der Beschichtung durch ein abtragendes oder umformendes Verfahren Strömungskanäle in der Oberfläche des beschichteten Trägers gebildet werden. Bei dieser Herstellungsvariante wir die Oberfläche des Trägers zunächst teilweise oder vollständig beschichtet und die Strömungskanäle an der Oberfläche anschließend durch Umformung oder Materialabtrag erzeugt. Die Formgebung kann insbesondere durch Zugdruckumformen, vorzugsweise Hydroumformung, Prägen oder Pressen erfolgen. Alternativ können die Kanäle durch ein abtragendes Verfahren, insbesondere ein zerspanendes Verfahren gebildet werden, wobei insbesondere nur die Teilbereiche abgetragen werden, die beim Aufbringen der Beschichtung nicht bedeckt wurden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass während dem Aufbringen der Beschichtung durch additives Aufbringen von Beschichtungsmaterial Strömungskanäle an der Oberfläche des Trägers gebildet werden. Insbesondere erfolgt der Materialauftrag durch Spritzen, so dass sich durch gezielte Führung der Spritzdüsen generativ Flussfelder an der Trägeroberfläche erzeugen lassen. Die generative bzw. additive Fertigung lässt eine nahezu frei wählbare geometrische Gestaltung der Strömungsstruktur zu und ermöglicht eine vorteilhafte Reduzierung der Prozessschritte bei der Herstellung der Bipolarplatte.
Vorzugsweise wird die Beschichtung in ersten Teilbereichen der Oberfläche zur Bildung von Erhebungen aufgebracht und in zweiten Teilbereichen der Oberfläche zur Bildung von als Vertiefungen ausgestalteten Strömungskanälen an der Oberfläche des Trägers nicht aufgebracht. Bei dieser Herstellungsvariante werden die Stege der Flussfelder durch aufgespritztes Material oder durch mittels Plattieren aufgebrachter Schichten gebildet, so dass die zwischen den Stegen liegenden, unbeschichteten Bereiche kanalförmige Vertiefungen an der Oberfläche der Bipolarplatte bilden.
Alternativ ist vorgesehen, dass eine erste Lage auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht wird, wobei nachfolgend mindestens eine weitere Lage derart auf Teilbereiche der ersten Lage aufgebracht wird, dass zwischen den durch die weitere Lage erzeugten Erhebungen Strömungskanäle an der Oberfläche des Trägers gebildet werden. Anders ausgedrückt wird die räumliche Kontur der Oberfläche durch die Menge des lokal aufgebrachten Materials generiert. Insbesondere lässt sich bei einem Spritzverfahren durch entsprechende Steuerung der Düsen schichtweise ein relativ frei wählbares Höhenprofil erzeugen, dessen Vertiefungen die Strömungskanäle der Bipolarplatte bilden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass nach und/oder während des Aufbringens der Beschichtung Partikel auf die Oberfläche des Trägers oder des beschichten Trägers aufgebracht werden, wobei die Partikel ein elektrisch leitendes Material aufweisen und insbesondere den Kontaktwiderstand an der Oberfläche des beschichteten Trägers reduzieren. Insbesondere werden die Partikel als Spritzzusatzwerkstoff auf der Oberfläche des Trägers oder in einer Zwischenschicht deponiert, wobei die Partikel vorzugsweise nicht flächenabdeckend aufgebracht werden. Besonders bevorzugt liegen die Partikel nach dem Auftrag sporadisch verteilt auf der Oberfläche vor. Eine teilweise Abdeckung der Oberfläche mit elektrisch leitendem Material kann dabei bereits zu einer wesentlichen Reduzierung des Kontaktwiderstands der Bipolarplatte ausreichen. Die leitfähigen Partikel können beispielsweise ein Metall wie Silber oder einer Silberlegierung aufweisen, oder aus Kohlenstoff oder Kohlenstoffmodifikationen wie Graphit bestehen. Zusammen mit den leitfähigen Partikeln kann zusätzlich ein Bindemittel aufgetragen werden, um die Partikel mit der Oberfläche zu verbinden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine mit einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Bipolarplatte. Bei der Bipolarplatte können dieselben technischen Wirkungen und Vorteile erreicht werden, wie sie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Polymerelektrolytmembran-Zelle mit zwei Biopolarplatten, einer Membran-Elektroden-Einheit und zwei Stromkollektoren, die jeweils zwischen einer Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sind, wobei mindestens einer der beiden Bipolarplatten mittels einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte kann dabei an nur einer Seite der MEA oder auf beiden Seiten angeordnet werden. Insbesondere ist anodenseitig anordenbar, wo aufgrund der hohen lonenkonzentration an der Anode eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist. Die PEM-Zelle kann dabei sowohl als PEM-Elektrolysezelle, als auch als PEM-Brennstoffzelle ausgestaltet sein. Ferner betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung eine Metall-Luft-Zelle, insbesondere einen Lithium-Luft-Akkumulator, bei der die erfindungsgemäße Bipolarplatte an einer metallischen Anode angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Elektrolyseur oder ein Brennstoffzellenaggregat mit mindestens einem, aus einer Mehrzahl von Zellen gebildeten Zellenstack, wobei die Zellen jeweils Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Polymerelektrolytmembran-Zelle sind. Vorzugsweise weist der Zellenstack zwei Endplatten auf, mit denen der Stack unter einer mechanischen Druckspannung gehalten wird, um einen engen Kontakt der Komponenten zu gewährleisten. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Metall-Luft-Energiespeichereinheit, insbesondere eine Lithium-Luft-Energiespeichereinheit, mit mindestens einem, aus einer Mehrzahl von Metall-Luft-Zellen gebildeten Zellenstapel, wobei die Zellen jeweils Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Metall-Luft-Zelle sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

1 zwei Ausführungsbeispiele einer elektrochemischen Zelle in einer schematischen Darstellung;
2 vier Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer schematischen Darstellung;
3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung;

In der 1 ist beispielhaft ein typischer Aufbau einer als Polymerelektrolytmembran-Zelle ausgebildeten elektrochemischen Zelle 2 schematisch dargestellt. Zentral in der Zelle 2 ist die Membran-Elektroden-Einheit (MEA, „membrane electrode assembly“) 5 angeordnet, die auf jeder Seite von einem Stromkollektor 3 und einer Bipolarplatte 1 umgeben ist. Über eine Strömungsstruktur 4 in der Oberfläche der Biopolarplatten 1 werden die Ausgangsstoffe für die elektrochemische Reaktion in die Zelle 2 eingeleitet, die dann durch die porösen Stromkollektoren 3 zur MEA 5 strömen und dort in die Reaktionsprodukte umgewandelt werden. Bei der PEM-Zelle 2 kann es sich dabei sowohl um eine Elektrolysezelle, als auch um eine Brennstoffzelle handeln. Bei der Elektrolyse ist der Ausgangsstoff Wasser, der an der MEA 5 durch eine elektrochemische Aufspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Bei einer Brennstoffzelle werden dagegen die Ausgangsstoffe Wasserstoff und Sauerstoff unter Freiwerden von elektrischer Energie in Wasser umgewandelt.
Die MEA 5 besteht dazu aus einer polymerbasierten protonendurchlässigen Membran, die auf beiden Seiten mit Elektroden/Katalysator-Material beschichtet ist. Durch den Katalysator werden an der Anode Wasserstoffionen gebildet, die durch die Membran der MEA 5 zur gegenüberliegenden Kathodenschicht wandern und dort im Falle der Brennstoffzelle Wasser bzw. im Falle der Elektrolysezelle Gas aus molekularem Wasserstoff bilden. Die Stromkollektoren 3 stellen dabei nicht nur den Transportweg für die auf die MEA 5 zuströmenden Ausgangsstoffe und das abströmende Reaktionsprodukt dar, sondern sorgen zudem für die elektrische Kontaktierung der MEA 5. Aufgrund der hohen lonenkonzentration herrschen in der Umgebung der Katalysator/Elektroden-Schichten der MEA 5 hochkorrosive Bedingungen, die besondere Anforderungen an das Material der Stromkollektoren 3 und der Bipolarplatten 1 stellen.
Erfindungsgemäß wird mindestens eine der Bipolarplatten 1 durch Auftragen einer Beschichtung 8 auf einen Träger 6 gebildet. Günstig sind hier aufgrund der guten Korrosionsbeständigkeit insbesondere Titan oder Titanlegierungen. Bei der in 1a dargestellten Ausführungsform sind in der Oberfläche der Bipolarplatten 1 Strömungskanäle 4 gebildet, während die in 1b dargestellte Bipolarplatte keine Kanäle aufweist. In ähnlicher Weise können Bipolarplatten bei anderen elektrochemischen Zellen, wie beispielsweise bei Akkumulatoren eingesetzt werden.
In der 2 sind verschiedene Möglichkeiten zur Strukturierung und/oder Beschichtung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 dargestellt. Bei der Ausführungsform in 2a ist eine Beschichtung 7 auf eine im Wesentlichen flache Oberfläche eines Trägers 6 aufgebracht. Bei der Ausführungsform aus 2b wurden vor der Beschichtung Strömungsstrukturen 4 in der Oberfläche des Trägers 6 gebildet und in einem nachfolgenden Schritt eine Beschichtung 7 auf die gesamte strukturierte Oberfläche des Trägers 6 aufgebracht. Alternativ ist es auch möglich, nur die zwischen den Strömungskanälen 4 gebildeten Erhebungen zu beschichten und die Vertiefungen unbeschichtet zu lassen. Bei der in 2c dargestellten Variante werden nur Teilbereiche 8' des Trägers 6 beschichtet, so dass die dazwischen liegenden, unbeschichteten Teilbereiche 8 die Strömungskanäle 4 bilden. Bei der Ausführungsform aus 2d wird zunächst die gesamte Fläche des Trägers 6 mit einer ersten Lage 9' beschichtet, während eine weitere Lage 9 nur in bestimmten Teilbereichen aufgebracht wird, so dass durch die unterschiedlichen Dicken der Beschichtung 7 eine Strömungsstruktur 4 erzeugt wird. Durch ein derartiges Schichtsystem aus zwei oder mehr Lagen 9, 9' lässt sich ein relativ frei gestaltbares Höhenprofil an der Oberfläche des Trägers 6 erzeugen. Erfindungsgemäß wird die Beschichtung 7 mittels Kaltgasspritzen, Plattieren, insbesondere Walzplattieren, oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, insbesondere mit Luft oder Sauerstoff als Brenngas, aufgebracht.
In der 3 sind die verschiedenen Verfahrensschritte 11, 12, 13 einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens 10 zur Herstellung einer Bipolarplatte 1 dargestellt. Im ersten Schritt 11 wird ein Träger, beispielsweise aus Edelstahl oder einem Polymermaterial bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 12 wird eine Beschichtung 7 auf einer Fläche des Trägers 6 abgelagert. Die Beschichtung 7 besteht dabei aus einem duktilen Material z.B. aus Titan oder einer Titanlegierung, die mittels Kaltgasspritzen, (Walz) Plattieren oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF oder HVAF) aufgebracht wird. Die Beschichtung 7 wird durch ein ein- oder mehrlagiges Schichtsystem gebildet, mit oder ohne an der Oberfläche gebildeten Strömungsstrukturen 4. Die Beschichtung 7 kann auf die bereits vorhandenen Flussfelder 4 appliziert werden, wobei es jedoch auch möglich ist, die Strukturen zur Erzeugung des Flussfelds 4 ohne eine flächenabdeckende Beschichtung direkt auf die Substratoberfläche zu applizieren. In einem optionalen dritten Verfahrensschritt 13, werden leitfähige Partikel (beispielsweise als Spritzzusatzwerkstoff) auf der Oberfläche des Trägers 6 oder einer Zwischenschicht aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt dabei vorzugsweise nicht flächendeckend, so dass die Partikel sporadisch verteilt auf der Oberfläche vorliegen. Durch eine derartige prozentuale Abdeckung der Oberfläche mit elektrisch leitenden Materialien kann vorteilhafterweise eine Reduzierung des Kontaktwiderstands der Bipolarplatte 1 erreicht werden.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
2: elektrochemische Zelle
3: Stromkollektor
4: Strömungskanäle
5: Membran-Elektroden-Einheit
6: Träger
7: Beschichtung
8: unbeschichteter Teilbereich
8': beschichteter Teilbereich
9: erste Lage
9': weitere Lage
10: Herstellungsverfahren
11: Bereitstellen des Trägers
12: Aufbringen der Beschichtung
13: Aufbringen von leitfähigen Partikeln

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014109321 A1 [0003]

Claims

Verfahren (10) zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) für eine elektrochemische Zelle (2), wobei ein Träger (6) bereitgestellt wird und eine Beschichtung (7) auf mindestens einen Teilbereich einer Oberfläche des Trägers (6) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) mittels Kaltgasspritzen, Plattieren, insbesondere Walzplattieren, oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, insbesondere mit Luft oder Sauerstoff als Brenngas, aufgebracht wird.
Verfahren (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) mindestens eines der folgenden Materialien oder deren Oxide oder Carbide aufweist: Titan, Niob, Tantal, Molybdän, Zinn, Silber, Kupfer, Gold, Platin, Vanadium, Aluminium, Ruthenium, Nickel, Silizium, Wolfram.
Verfahren (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) Titan oder eine Titan-Legierung aufweist, wobei die Titan-Legierung vorzugsweise mindestens eines der folgenden Materialien oder deren Oxide oder Carbide aufweist: Niob, Tantal, Molybdän, Zinn, Silber, Kupfer, Gold, Platin, Vanadium, Aluminium, Ruthenium, Nickel, Silizium.
Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (6) Edelstahl oder ein elektrisch leitfähiges Polymermaterial aufweist.
Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Aufbringen der Beschichtung (7) eine Zusammensetzung von auf die Oberfläche aufgebrachtem Beschichtungsmaterial, ein- oder mehrere Prozessparameter und/oder ein Spritzzusatzwerkstoff zeitlich verändert wird.
Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Beschichtung (7) Strömungskanäle (4) in der Oberfläche des Trägers (6) gebildet werden.
Verfahren (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) auf zwischen den Strömungskanälen (4) gebildeten Erhebungen aufgebracht wird und die durch die Strömungskanäle (7) gebildeten Vertiefungen unbeschichtet bleiben.
Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Beschichtung (7) durch ein abtragendes oder umformendes Verfahren Strömungskanäle (4) in der Oberfläche des beschichteten Trägers (6) gebildet werden.
Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Aufbringen der Beschichtung (7) durch additives Aufbringen von Beschichtungsmaterial Strömungskanäle (4) an der Oberfläche des Trägers (6) gebildet werden.
Verfahren (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) in ersten Teilbereichen (8') der Oberfläche zur Bildung von Erhebungen aufgebracht wird und in zweiten Teilbereichen (8) der Oberfläche zur Bildung von als Vertiefungen ausgestalteten Strömungskanälen (4) an der Oberfläche des Trägers (6) nicht aufgebracht wird.
Verfahren (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Lage (9) auf die Oberfläche des Trägers (6) aufgebracht wird, wobei nachfolgend mindestens eine weitere Lage (9') derart auf Teilbereiche der ersten Lage (9) aufgebracht wird, dass zwischen den durch die weitere Lage (9') erzeugten Erhebungen Strömungskanäle (4) an der Oberfläche des Trägers (6) gebildet werden.
Verfahren (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach und/oder während des Aufbringens der Beschichtung (7) Partikel auf die Oberfläche des Trägers (6) oder des beschichten Trägers (6) aufgebracht werden, wobei die Partikel ein elektrisch leitendes Material aufweisen und insbesondere den Kontaktwiderstand an der Oberfläche des beschichteten Trägers (6) reduzieren.
Bipolarplatte (1) für eine elektrochemische Zelle (2) erhalten durch ein Verfahren (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.