DE102021205458A1

DE102021205458A1 - Elektrolyseur, Bipolarplatte und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102021205458A1
Application number: DE102021205458.7A
Authority: DE
Inventors: Kai Weeber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-12-01
Also published as: WO2022248184A1; CN117730171A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (20), aufweisend eine Platte (21), die ein elektrisch leitfähiges Kunststoffverbundmaterial aufweist und auf zumindest einer Seite (22) strukturiert ist. Die Platte (21) ist auf ihrer strukturierten Seite (22) mit einem Katalysator (23) beschichtet. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Elektrolyseur, der mindestens eine solche Bipolarplatte (20) aufweist. Die Herstellung der Bipolarplatte (20) erfolgt durch Bereitstellen einer Platte (21), die ein elektrisch leitfähiges Kunststoffverbundmaterial aufweist, Erhitzen der Platte (21) auf eine erste Temperatur, Erhitzen eines pulverförmigen Katalysators (23) auf eine zweite Temperatur, die größer als die erste Temperatur ist, und Aufbringen des Katalysators (23) auf eine strukturierte Seite (22) der Platte (21).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte und ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen Elektrolyseur, der die Bipolarplatte aufweist.
Stand der Technik
Wasserelektrolyseure können als alkalische Elektrolyseure betrieben werden, welche wässrige Kalilauge als Elektrolyt verwenden. Solche alkalischen Elektrolyseure benötigen keine Edelmetallkatalysatoren. Stattdessen wird beispielsweise Raney-Nickel als Katalysator verwendet. Dieser wird auf einem Metallgitter als poröse Struktur aufgebracht. Jenes Metallgitter fungiert gleichzeitig als Stromüberträger. Die Bipolarplatten solcher alkalischen Elektrolyseure werden in der Regel aus Stahl gefertigt. Aufgrund der alkalischen Bedingungen unterliegen Sie in der Regel keiner Korrosion.
In der DE 10 2018 220 464 A1 wird eine als Bipolarplatte fungierende Verteilerstruktur für einen Elektrolyseur beschrieben. Diese ist als elektrisch leitfähiges Graphit/Kunststoff-Compound ausgeführt. Sie weist an ihrer Oberfläche eine Kanalstruktur auf, um den Wasseraustrag zu verbessern. Diese Bipolarplatte ist korrosionsbeständig und kann daher insbesondere auch unter sauren Bedingungen verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Bipolarplatte, die insbesondere für einen Elektrolyseur vorgesehen ist, weist eine Platte auf, die ein elektrisch leitfähiges Kunststoffverbundmaterial aufweist.
Vorzugsweise besteht sie aus diesem Kunststoffverbundmaterial. Unter elektrisch leitfähig wird dabei insbesondere verstanden, dass die Platte bei einer Temperatur von 25° C eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 10⁶ S/m aufweist. Die Platte ist auf zumindest einer Seite strukturiert. Auf ihrer strukturierten Seite ist die Platte mit einem Katalysator beschichtet.
Diese Bipolarplatte hat insbesondere dann, wenn sie in einem alkalischen Wasserelektrolyseur verwendet wird, zahlreiche Vorteile. Durch die Verwendung des Kunststoffverbundmaterials anstelle eines Metalls kann die Bipolarplatte kostengünstiger gefertigt werden. Außerdem kann sie thermisch mit anderen Bestandteilen des Elektrolyseurs verschweißt werden, sodass auf Einlegedichtungen verzichtet werden kann. Vor allem ermöglicht diese Bipolarplatte es allerdings auf ein Metallgitter mit poröser Oberflächenstruktur als Träger eines Katalysators zu verzichten. Das Einlegen eines solchen Metallgitters in den Elektrolyseur erhöht den ohmschen Widerstand an der Grenzfläche zwischen der Bipolarplatte und dem Metallgitter. Dies führt zu einer Absenkung der Effizienz des Elektrolyseurs und damit zur Erhöhung der Wasserstoffgestehungskosten. Durch die höhere Effizienz des Elektrolyseurs bei Verwendung dieser Bipolarplatte, die zugleich als Träger des Katalysators dient, wird durch die höhere Effizienz des Elektrolyseurs die Verlustleistung verringert, welche im Elektrolyseur aus einem Stack ausgetragen werden muss.
Es ist bevorzugt, dass das Kunststoffverbundmaterial Graphit und/oder mindestens ein Metall sowie mindestens einen thermoplastischen Kunststoff enthält. Der thermoplastische Kunststoff ermöglicht es, den Katalysator ohne Verwendung zusätzlicher Adhäsionsmittel thermisch auf der strukturierten Seite der Platte zu fixieren. Der Graphit und/oder das Metall verleiht dem Verbundmaterial dabei in kostengünstiger Weise elektrische Leitfähigkeit. Hierzu liegt sein Gewichtsanteil an dem Kunststoffverbundmaterial vorzugsweise im Bereich von 88 Gew.-% bis 95 Gew.-%. Bei dem Thermoplast handelt es sich insbesondere um Polyphenylensulfid (PPS) und/oder Polypropylen (PP).
Der Katalysator weist bevorzugt Metallpartikel mit einer zahlenmittleren Korngröße im Bereich von 10 µm bis 30 µm auf. Insbesondere weisen die Metallpartikel eine poröse Oberflächenstruktur auf. Besonders bevorzugt besteht er aus diesen Metallpartikeln. In Verbindung mit der strukturierten Oberfläche der Platte ermöglicht es diese Korngröße der Metallpartikel eine für die Wasserelektrolyse ausreichend hohe Katalysatoroberfläche bereitzustellen, wobei gleichzeitig eine einfache Herstellbarkeit der Katalysatorschicht gewährleistet ist. Die zahlenmittlere Korngröße kann insbesondere mittels Siebanalyse gemäß der Norm DIN 66165 ermittelt werden.
Auch wenn es grundsätzlich denkbar ist, einen edelmetallhaltigen Katalysator vorzusehen, um die Bipolarplatte in einem unter sauren Bedingungen betriebenen PEM-Elektrolyseur (proton exchange membrane) oder in einer Brennstoffzelle zu verwenden, ist es doch bevorzugt, dass es sich bei dem Katalysator um Raney-Nickel handelt. Dies ermöglicht die Verwendung der Bipolarplatte in einem alkalischen Elektrolyseur, der auf große Mengen von Edelmetallen als Katalysatormaterial verzichten kann, wie sie in einem sauren Milieu benötigt werden.
In dem Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte wird zunächst die Platte bereitgestellt, die das elektrisch leitfähige Kunststoffverbundmaterial aufweist und vorzugsweise aus diesem besteht. Mindestens eine Seite der Platte ist strukturiert. Die Platte wird auf eine erste Temperatur erhitzt. Außerdem wird ein pulverförmiger Katalysator auf eine zweite Temperatur erhitzt. Die zweite Temperatur ist größer als die erste Temperatur. Der Katalysator wird auf die strukturierte Seite der Platte aufgebracht. Durch die höhere Temperatur des pulverförmigen Katalysators schmelzen sich einzelne Katalysatorpartikel teilweise in die Oberfläche der strukturierten Seite der Platte ein und verbinden sich auf diese Weise dauerhaft mit ihr.
Um diesen Effekt besonders effizient zu erzielen ist es bevorzugt, dass die erste Temperatur mindestens einer Vicat-Erweichungstemperatur eines Kunststoffs des Kunststoffverbundmaterials entspricht. Dies bewirkt bereits ein Erweichen der Platte, sodass auf die Platte treffende Katalysatorpartikel leicht in diese eindringen können. Dabei bleibt die Platte jedoch formstabil. Die zweite Temperatur entspricht vorzugsweise mindestens einer Formbeständigkeitstemperatur des Kunststoffs des Kunststoffverbundmaterials. Sobald ein derart heißer Katalysatorpartikel auf die Oberfläche der Platte aufgetroffen ist und dort aufgrund ihrer Erweichung anhaftet, überträgt er weitere Wärme auf das Kunststoffverbundmaterial, sodass es punktuell nicht mehr formstabil ist, was zu einer dauerhaften Verbindung zwischen dem Katalysatorpartikel und der Platte führt. Die Vicat-Erweichungstemperatur kann insbesondere nach der Norm ISO 306 bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 50°C und einer Kraft von 50 N ermittelt werden und die Formbeständigkeitstemperatur kann insbesondere nach der Norm ISO 75-1/-2 bei einem Druck von 0,45 MPa ermittelt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Katalysator auf die strukturierte Seite der Platte aufgeblasen. In ähnlicher Weise wie bei einem Sandstrahlverfahren können die Katalysatorpartikel hierbei mit einer hohen kinetischen Energie versehen werden, um sich so in die Oberfläche der Platte zu bohren.
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens können die Katalysatorpartikel mittels eines Decal-Prozesses auf die Platte aufgebracht werden. Hierzu wird der Katalysator zunächst auf eine Trägerfolie aufgebracht. Die Trägerfolie wird zusammen mit dem Katalysator auf die zweite Temperatur erhitzt. Dann wird die Trägerfolie auf die strukturierte Seite der Platte aufgedrückt, wobei die mit dem Katalysator versehene Seite der Trägerfolie der Platte zugewandt wird. Der Druck kann dabei präzise gesteuert werden, um die Katalysatorpartikel ausreichend tief in die Oberfläche der Platte einzudrücken. Nachdem die Platte ausreichend abgekühlt ist, um eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Katalysator und dem Kunststoffverbundmaterial zu schaffen, wird die Trägerfolie schließlich entfernt.
Die Thermoplastizität des Kunststoffs im Kunststoffverbundmaterial ermöglicht es insbesondere die Platte bereitzustellen, indem sie mittels Spritzgießens oder mittels Prägens aus dem Kunststoffverbundmaterial hergestellt wird.
Der Elektrolyseur weist zumindest eine der beschriebenen Bipolarplatten auf. Vorzugsweise weist er ausschließlich solche Bipolarplatten auf. Er ist insbesondere als Wasserelektrolyseur ausgeführt. Dabei kann er alkalisch betrieben werden.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Stacks in einem Elektrolyseur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Bipolarplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Ein Elektrolyseur 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Wasserelektrolyseur ausgeführt. Er ist zur alkalischen Elektrolyse vorgesehen und verwendet Kaliumhydroxid als Elektrolyt. Im Betrieb ist er mit 30 %-iger Kalilauge gefüllt. 1 zeigt den Aufbau eines seiner Stacks. Auf einen Zellrahmen 11 folgt eine erste Bipolarplatte 20, die thermoplastisch mit diesem verschweißt ist. Es folgen ein Kathodenzellrahmen 12, eine Kathodenelektrode 13, ein Membranrahmen 14, eine Zellmembran 15, eine Anodenelektrode 16, ein Anodenzellrahmen 17 und anschließend die nächste Bipolarplatte 20.
Eine der Bipolarplatten 20 ist in 2 dargestellt. Sie weist eine Platte 21 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Polypropylen besteht, welches Graphit enthält. Eine Seite 22 der Platte 21 ist strukturiert. Diese Strukturierung besteht in Kanälen. Auf dieser Seite 22 sind Partikel aus Raney-Nickel als Katalysator 23 aufgebracht. Der Katalysator weist eine zahlenmittlere Partikelgröße von 20 µm auf. Er ist teilweise in die Platte 21 eingebettet, wobei die Partikel am Boden der Kanäle, an ihren Wänden und auch außerhalb der Kanäle auf der Seite 22 verteilt sind.
In einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung der Bipolarplatte 20 ist, wie in 3 dargestellt ist, nach dem Start 30 des Verfahrens vorgesehen, die Platte 21 bereitzustellen 31. Hierzu wird die Platte 21 mittels Spritzgießens oder mittels Prägens hergestellt. Es folgt ein Erhitzen 32 der Platte 21 auf eine erste Temperatur T₁. Diese erste Temperatur T₁ liegt über der Vicat-Erweichungstemperatur des Polypropylens von 97°C und unter der Formbeständigkeitstemperatur des Polypropylens von 133°C. Außerdem erfolgt ein Erhitzen 33 des pulverförmigen Katalysators 23 auf eine zweite Temperatur T₂ von mehr als 133°C. Schließlich werden die erhitzten Partikel des Katalysators 23 von der strukturierten Seite 22 mittels einer Pulverbeschichtungsvorrichtung auf die erhitzte Platte 21 aufgeblasen 34. Dabei haftet der Katalysator 23 an der Platte 21 an und verschmilzt mit ihrer Oberfläche. Nach dem Abkühlen der so erhaltenden Bipolarplatte 20 auf Raumtemperatur erfolgt ein Beenden 35 des Verfahrens. Der Katalysator 23 ist nun dauerhaft auf der Platte 21 fixiert.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens, das in 4 dargestellt ist, werden die Schritte 30 bis 32 in derselben Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens durchgeführt. Der pulverförmige Katalysator 23 wird jedoch zunächst auf eine Decal-Trägerfolie aufgebracht 41 bevor anschließend sein Erhitzen 33 auf die zweite Temperatur erfolgt. Danach wird die mit dem erhitzten Katalysator 23 versehene Seite der Trägerfolie auf die strukturierte Seite 22 der Platte 21 aufgedrückt 42. Dabei bohren sich die Partikel des Katalysators 23 in die Platte 21 und werden teilweise in diese eingeschmolzen. Nach dem Abkühlen der Bipolarplatte 20 auf Raumtemperatur erfolgt ein Entfernen 43 der Trägerfolie und das Verfahren wird anschließend beendet 35. Auch auf diese Weise kann eine Bipolarplatte 20 erhalten werden, deren Katalysator 23 fest auf der Platte 21 fixiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018220464 A1 [0003]

Claims

Bipolarplatte (20), aufweisend eine Platte (21), die ein elektrisch leitfähiges Kunststoffverbundmaterial aufweist und auf zumindest einer Seite (22) strukturiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (21) auf ihrer strukturierten Seite (22) mit einem Katalysator (23) beschichtet ist.
Bipolarplatte (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffverbundmaterial Graphit und/oder mindestens ein Metall sowie mindestens einen thermoplastischen Kunststoff enthält.
Bipolarplatte (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (23) Metallpartikeln mit einer zahlenmittleren Korngröße im Bereich von 10 µm bis 30 µm aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen (31) einer Platte (21), die ein elektrisch leitfähiges Kunststoffverbundmaterial aufweist, - Erhitzen (32) der Platte (21) auf eine erste Temperatur (T₁), - Erhitzen (33) eines pulverförmigen Katalysators (23) auf eine zweite Temperatur (T₂), die größer als die erste Temperatur (T₁) ist, und - Aufbringen des Katalysators (23) auf eine strukturierte Seite (22) der Platte (21).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur (T₁) mindestens einer Vicat-Erweichungstemperatur eines Kunststoffs des Kunststoffverbundmaterials entspricht und die zweite Temperatur (T₂) mindestens einer Formbeständigkeitstemperatur des Kunststoffs des Kunststoffverbundmaterials entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (23) auf die strukturierte Seite (22) der Platte (21) aufgeblasen wird (34).
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (23) auf eine Trägerfolie aufgebracht wird (41), auf der Trägerfolie auf die zweite Temperatur (T₂) erhitzt wird (33), die Trägerfolie auf die strukturierte Seite (22) der Platte (21) aufgedrückt (42) wird und die Trägerfolie anschließend von der Platte (21) entfernt wird (43).
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (21) bereitgestellt wird (31), indem sie mittels Spritzgießens oder mittels Prägens aus dem Kunststoffverbundmaterial hergestellt wird.
Elektrolyseur (10), aufweisend mindestens eine Bipolarplatte (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.