EP3830316A1

EP3830316A1 - Verfahren zum herstellen einer porösen transportschicht für eine elektrochemische zelle

Info

Publication number: EP3830316A1
Application number: EP18756157.6A
Authority: EP
Inventors: Stefan Höller
Original assignee: Hoeller Electrolyzer GmbH
Current assignee: H2greenplanet GmbH
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2021-06-09
Also published as: CN112513335A; JP7290711B2; AU2018433633A1; CA3107046C; US20250011938A1; KR102625438B1; US20210164109A1; JP2021531411A; CA3107046A1; AU2018433633B2; WO2020020467A1; KR20210029275A

Abstract

Das Verfahren zum Herstellen einer porösen Transportschicht (4) einer elektrochemischen Zelle besteht aus dem Vermischen eines Metallpulvers mit einem Binder und nachfolgendem Ausformen zu einer Folie. Die Folie wird zur Anlage an einer porösen Metallschicht (8) gebracht, nachfolgend der Binder entfernt und die verbleibende Braunteilschicht (9) mit der porösen Metallschicht (8) gesintert, sodass eine poröse Transportschicht (4) entsteht, welche eine poröse Metallschicht (8) mit einer darauf aufgebrachten mikroporösen Metallschicht (9) aufweist.

Description

se!: Verfahren zum Herstellen einer porösen Transport- schicht für eine elektrochemische Zelle

Beschreibung

[01 ] Die Erfindung betriff† ein Verfahren zum Herstellen einer porösen Transporfschichf für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Elektrolyseur der PEM-Bauarf, und zwar insbesondere zur elektrolytischen Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff.

[02] Poröse Transporfschichfen, auch unter dem Begriff PTL (Porous Transport Layer) bekannt, werden für elektrochemische Zellen, beispiels weise Elektrolyseure der PEM-Bauarf (PEM sfehf für Profon Exchange Membrane und Polymer Elektrolyt Membran) eingesetzt, um einerseits den Reaktanden, z. B. Wasser, an die Katalysatoren und die PEM des aus Elektrolyseuren gebildeten Zellstapels heranzubringen und anderer seits die Reaktionsprodukte wieder abzuführen. Darüber hinaus haben diese auch eine wesentliche elektrische Funktion, um einen möglichst großen Strom großflächig an die Katalysatoren auf der Zellmembran heranzuführen bzw. zum Beispiel bei einer Brennstoffzelle von der Mem bran abzuleiten. Dabei ist es aus elektrischen Gründen erstrebenswert, eine möglichst geschlossene elektrisch leitende Oberfläche zu bilden, um einen flächigen und damit intensiven und gleichmäßigen Strom durchfluss zu gewährleisten, wohingegen bezüglich der Reaktandenzu- fuhr und der Reaktionsproduktabfuhr eine möglichst offenporige Struk tur zweckmäßig wäre, um die jeweiligen Produkte mit möglichst gerin gem Energieaufwand durchzuleiten. Andererseits sollten solche porö sen Transportschichten möglichst dünn sein, damit in einem Zellstapel bei vorgegebener Stapelhöhe möglichst viele elektrochemische Zellen angeordnet werden können. Auch gibt es Anwendungen, beispielswei se auf der Sauersfoffseife bei einem PEM-Elekfrolyseur zur katalytischen Elektrolyse von Wasser, bei denen man im Hinblick auf die hohen Mate rialkosten bemüht ist, eine solche poröse Transportschicht mit möglichst geringem Materialaufwand zu realisieren. [03] Aus DE 10 2013 207 075 Al zählt ein Verfahren zur Herstellung von

Bipolarplatten mit integrierten Stromverteilerschichten bereits zum Stand der Technik, bei welchem die einzelnen Teile durch Sintern miteinander verbunden werden. Um die vorgenannten, teilweise gegenläufigen Anforderungen zu erfüllen, ist es bekannt, zum Beispiel aus Titanfasern gebildete Filze in geringer Dicke zu verwenden und diese dann mit ei ner porösen Titanschicht zu versehen.

[04] Aus DE 10 2015 1 1 1 918 zählt es zum Stand der Technik, auf eine Sintermetallplatte durch Plasmaspritzen im Vakuum eine solche mikro poröse Schicht aufzubringen. Das Plasmaspritzen unter Vakuum ist tech- nisch aufwendig und teuer und kann zu in der Fläche unterschiedlichen Schichtdicken führen.

[05] Weiterhin zählt es zum Stand der Technik, eine solche poröse und aus Titan bestehende Schicht durch thermisches Spritzen oder im 3D- Druckverfahren aufzubringen. Bei beiden Verfahren ist die Schichtdicke der porösen Schicht aufgrund der Linienführung beim Aufträgen un gleichmäßig.

[06] Vor diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer porösen Transportschicht für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für die Sauerstoff- d. h. Anodenseite eines PEM-Elektrolyseurs, zu verbessern. [07] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren mif den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelösf. Vorfeilhaffe Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unferansprüchen, der nach folgenden Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.

[08] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer po rösen Transporfschichf für eine elektrochemische Zelle, beispielsweise für eine Batterie, für eine Brennstoffzelle oder für einen Elektrolyseur, insbe sondere für einen Elektrolyseur der PEM-Bauarf, wird ein Metall, welches Teil der Transporfschichf bilden soll, also beispielsweise Titan, als Mefall- pulver mit einem Binder vermisch† und nachfolgend zu einem flächigen Element ausgeformf oder auf einer Trägerfolie aufgebracht. Danach wird das aus Mefallpulver und einem Binder gebildete flächige Element oder die mit Mefallpulver versehene Trägerfolie zur Anlage an einer po rösen Mefallschichf oder einem Grünfeil einer porösen Mefallschichf gebrach†. Alternativ kann das flächige Element auch unmittelbar auf einer porösen Mefallschichf oder einem Grünfeil oder Braunfeil einer porösen Mefallschichf aufgebracht werden. Nachfolgend wird der Bin der und die gegebenenfalls vorhandene Trägerfolie entfern† und die verbleibende Braunfeilschichf mit der porösen Mefallschichf oder dem Braunfeil der porösen Mefallschichf gesintert oder durch Diffusions schweißen verbunden. Bei beiden Varianten entsteh† ein inniger, sfoff- schlüssiger Verbund, bei welchem eine mikroporöse Mefallschichf auf einer porösen Mefallschichf zu einem Bauteil verbunden ist.

[09] Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine poröse Mefallschichf, wie sie grundsätzlich zum Stand der Technik zähl† und für die Herstellung einer solchen porösen Transporfschichf Verwen dung finde†, mit einer feinen porösen (mikroporösen) Mefallschichf da durch zu versehen, dass zunächst puderarfiges Mefallpulver mit einem Binder vermisch† wird. Dieser Binder kann ein aus mehreren Stoffen be stehendes Bindemittel sein, beispielsweise bestehend aus Polyethylen und Wachs, um auf diese Weise ein analog der MIM-Technik, als Feed- sfock bezeichnefes Material zu erzeugen, welches dann in einem Extru der oder einer anderen geeigneten Maschine unter Einwirkung von Wärme und Druck so weiter verarbeitet werden kann, dass eine geeig nete Formgebung möglich ist.

[10] Gemäß der Erfindung erfolgt die Formgebung zu einem flächi gen Element, also beispielsweise einer dünnen Folie, einer dünnen flä chigen Schicht oder aber unter Zuhilfenahme einer Trägerfolie, auf der die dünne Schicht aufgetragen wird. Dabei wird entweder dieses flä chige Element zu einem selbsttragenden Element wie beispielsweise einer Folie ausgeformt oder mittels einer Trägerfolie als Schicht auf einer solchen gebildet oder aber unmittelbar als Schicht auf eine poröse Me tallschicht aus vorzugsweise demselben Material oder auf ein Grünteil einer solchen porösen Metallschicht gebracht. Nachfolgend wird der Binder und die gegebenenfalls vorhandene Trägerfolge typischerweise durch thermisches Entbinden alternativ oder zusätzlich durch chemi sches Entbinden entfernt. Die dann verbleibende poröse Metallschicht mit dem darauf befindlichen flächigen Element als Braunteil - dies ist der von der Folie/Trägerfolie verbleibende Metallteil nach dem Entfer nen des Binders und der Trägerfolie -, wird dann durch Sintern, d. h. durch Beaufschlagung mit hoher Temperatur und gegebenenfalls zu sätzlich mit Druck zu einem Bauteil verbunden. Alternativ kann dies auch durch Diffusionsschweißen erfolgen.

[1 1 ] Wenn, was vorteilhaft ist, auch die poröse Metallschicht aus ei nem Metallpulver und einem Binder hergesteil† wird, dann können so wohl der Vorgang des Entfernen des Binders als auch der nachfolgen de Sinterprozess beider Schichten, also der zu erzielenden porösen Me tallschicht sowie dem darauf angeordneten flächigen Element bzw. den nach dem Entfernen des Binders verbleibenden Teilen gleichzeitig und zusammen gesintert werden. Das zu bildende flächige Element, welches im fertigen Produkt die spätere dünne mikroporöse elektrisch leitende und fluiddurchlässige Schicht zur Anlage an einer Katalysator fläche bildet, kann entweder durch Herstellen einer eigenstabilen, d. h. selbsttragenden Folie, durch Aufträgen einer Schicht auf einer Trägerfo- lie oder durch Aufträgen einer Schicht unmittelbar auf die poröse me tallische Schicht bzw. ein Grünteil der porösen metallischen Schicht, wenn diese in gleicher Weise hergestellt werden soll, erfolgen.

[12] Wenn statt des Ausformens eines aus Metallpulver und Binder be stehenden Gemisches zu einer Folie Metallpulver und Binder auf eine Trägerfolie, z. B. einer Folie aus Polyethylen aufgebracht wird, dann muss zunächst durch thermische und/oder chemische Behandlung der Binder und die Trägerfolie entfernt werden, wonach dann ebenfalls ei ne Braunteilschicht bestehend aus feinem Metallpulver verbleibt, die zusammen mit der porösen Metallschicht gesintert wird. Statt des Sin- terns können diese Schichten auch durch Diffusionsschweißen verbun den werden. Diese Verfahren sind hinlänglich bekannt, deren Parame ter sind materialkonform zu wählen.

[13] Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine kostengünsti ge und zugleich effektive Herstellung von porösen Transportschichten bei vergleichsweise geringem Metallmaterialeinsatz. Es kann damit eine sehr gleichmäßige und zugleich besonders dünne mikroporöse Schicht auf die poröse Metallschicht aufgebracht werden und so eine dünn bauende, hinsichtlich der elektrischen Konnektivität und der Fluiddurch- lässigkeit hocheffektive poröse Transportschicht gebildet werden. Das Sintern der Stoffe kann gegebenenfalls durch Druckbeaufschlagung zusätzlich oder vor bzw. nach der thermischen Behandlung ergänzt werden.

[14] Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für eine aus Titan oder einer Titanlegierung gebildete poröse Transportschicht vorge- sehen, es versteh† sich, dass jedoch mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren auch poröse Transporfschichfen aus anderen Metallen oder Me talllegierungen gebildet werden können. Für die Schichtdicke ist dabei zum einen die verwendete poröse Metallschicht und zum anderen die Korngröße des Metallpulvers ausschlaggebend, was weiter unten noch im Einzelnen angegeben ist.

[15] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die aus Metallpulver mit einem Binder gebildete Mischung durch Extrudieren, also unter Verwendung eines Extruders, zu einer Folie ausgeformt wird. Derartige Extruder sind aus der Kunststoffspritzgießtechnik bekannt und in zahlreichen Varian ten verfügbar. Dabei bilde† die so ausgeformte Folie ein Grünteil, des sen Binder nachfolgend typischerweise durch thermische Behandlung, also durch Erwärmen, entfernt wird, nachdem die Folie auf der porösen Metallschicht oder einem Grünteil oder einem Braunteil der porösen Metallschicht aufgebracht worden ist, die dann die Tragfunktion der Folie übernimmt.

[16] Alternativ kann das Ausformen der Folie durch Stranggießen er folgen, wobei die Folie gegebenenfalls einer mechanischen Nachbear beitung, sei es in noch warmer oder in erkalteter Form, zugeführt wer- den kann, um einen Streck- oder Verdünnungseffekt durch Walzen zu bewirken.

[17] Alternativ oder zusätzlich kann das Ausformen der Folie gemäß einer Weiterbildung der Erfindung durch Kalandrieren erfolgen. Durch das Bearbeiten der Folie mit einem Kalander kann die Schichtdicke weiter vergleichmäßig† werden, darüber hinaus kann auch bei diesem Verfahren ein gewisser Walzeffekt erziel† werden. Das Kalandrieren kann im Anschluss an das Extrudieren oder Stranggießen erfolgen. [18] Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann jedoch auch unter Umgehung einer Folienfechnologie, sei es die Bildung einer Folie aus Mefallpulver und Binder oder die Verwendung einer Trägerfolie, auf welcher Mefallpulver mit Binder aufgebracht ist, Anwendung finden, wenn das mit einem Binder vermischte Mefallpulver nicht zu einer Folie ausgeformf, sondern im Siebdruckverfahren auf die poröse Metall- schichf aufgebracht wird. Es versteh† sich, dass es sich bei dem für das Siebdruckverfahren verwendeten Binder fypischerweise um ein anderes Bindemittel handeln kann, als dies zur Bildung der Folie eingesetzt wird. Es sind Temperatur und Viskosität so aufeinander abzustimmen, dass diese Mischung aus Metallpulver und Binder durch ein geeignetes fein maschiges Gewebe hindurch mittels eines Rakels auf die poröse Metall- schicht aufgetragen werden kann und nach Entfernen des Gewebes diese Schicht zu einer möglichst homogenen Schicht gleicher Dicke zusammenfließ†. Vor dem Sintern ist wiederum der Binder zu entfernen, was durch thermische und/oder chemische Beaufschlagung erfolgen kann. So kann vor oder nach der thermischen Behandlung die Druck- schicht mit einem Lösungsmittel gespült werden, damit beim späteren Sintern die Diffusionsvorgänge nicht durch Verunreinigungen des Bin ders behindert werden.

[19] Auch unter Verwendung des Siebdruckverfahrens ist es gemäß der Erfindung alternativ vorgesehen, statt des Aufbringens auf der porö sen Metallschicht dies auf einem Grünteil der porösen Metallschicht zu vollziehen, um dann beide Schichten zusammen und gleichzeitig vom Binder zu befreien und die so entstehenden Braunteile gleichzeitig und zusammen zu sintern. Es kann gemäß der Erfindung auch vorgesehen sein, dass im Siebdruckverfahren aufgebrachte flächige Element auf einem Braunteil der porösen Metallschicht aufzubringen, dies ist insbe sondere dann sinnvoll, wenn die beiden Schichten unter Verwendung unterschiedlichen Binders hergesteil† werden. Darüber hinaus ist zu be denken, dass die Korngrößen des Metallpulvers der porösen Schicht deutlich größer als die der mikroporösen Schicht sind, weshalb das Her stellungsverfahren so zu steuern ist, dass die Schichten in ihrer Struktur er halten bleiben und nur in den Grenzbereichen miteinander verbunden werden. [20] Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren zum

Herstellen einer porösen Transportschicht aus Titan oder einer titanba sierten Legierung verwende†, welche mindestens 95 Gewichtsprozen tanteile Titan aufweis†. Für die Anode eines PEM-Elektrolyseurs wird vor teilhafterweise möglichst reines Titan verwende†. Die poröse Metall- Schicht kann durch eine Sintermetallplatte, ein Metallgewebe und/oder ein Metallfilz gebildet sein. Derartige Sintermetallplatten zählen zum Stand der Technik und werden beispielsweise von der GKN-Group oder der US-amerikanischen MOTT-Corporation angeboten. Besonders vor teilhaft ist die Verwendung von Metallfilz, wie sie z. B. von der NV Beka- re† S.A. für diese Zwecke angeboten werden oder von der deutschen Melicon GmbH angeboten werden.

[21 ] Um einerseits möglichst geringen Materialeinsatz hinsichtlich der mikroporösen Schicht zu gewährleisten, andererseits jedoch eine gute elektrische Lei†- und Kontaktierfähigkei† sowie eine hohe Fluiddurchläs- sigkei† bei geringer Schichtdicke zu erhalten, ist es vorteilhaft, Metallpul ver zu verwenden, welches eine maximale Korngröße kleiner 45 miti auf weis†. Vorzugsweise ist die maximale Korngröße kleiner 20 miti oder noch günstiger kleiner 10 miti, was derzeit als die kleinstmögliche handhabba re und marktverfügbare Korngröße sein dürfte. Grundsätzlich wäre eine noch kleinere Korngröße erstrebenswert, ist jedoch nach derzeitigem Stand der Technik nicht realisierbar.

[22] Die mikroporöse Schicht ist beispielsweise bei einem PEM-Elektro- lyseur zur Anlage an einer Polymerelektrolytmembran angeordneten Katalysatorschicht vorgesehen. Um hier eine möglichst gut leitende flä- chige Anlage zu gewährleisten, ist gemäß einer Weiterbildung des erfin dungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, die Oberfläche der porösen Transporfschichf auf ihrer zur Anlage an einem Katalysator bestimmten Seife, also die freie Oberfläche der mikroporösen Schicht, durch Schlei- fen und/oder Walzen zu glätten.

[23] Alternativ oder zusätzlich zu dem Glätten kann es vorteilhaft sein, diese Oberfläche chemisch aufzurauhen, vorzugsweise durch Ätzen. Hierdurch wird insbesondere auch die Porosität im Oberflächenbereich verbessert sowie ein inniger, elektrisch leitender Kontakt bei Anlage der Oberfläche an den Katalysator sichergesfellf. Ein solcher Beizvorgang kann bei einer aus Titan gebildeten porösen Transportschicht beispiels weise durch Behandlung mit Schwefelsäure erfolgen.

[24] Um den Maferialeinsafz zu minimieren und die Dicke der porösen Transportschicht möglichst klein zu halfen, ist es vorteilhaft, die aus Me- tallpulver und Binder ausgeformte Folie in einer Dicke von 0,04 mm bis 0,2 mm auszubilden, vorzugsweise in einer Dicke von 0,04 mm bis 0,1 mm. Dabei ist die minimale Schichtdicke durch die maximale Korngrö ße bestimmt, je kleiner die maximale Korngröße ist, desto geringer kann auch die Schichtdicke der Folie sein. [25] Es versteht sich, die poröse Mefallschicht, wenn diese ebenfalls aus einem Gemisch von Mefallpulver und Binder hergesfeil† wird, die z. B. zu einer selbsttragenden Schicht als Grünteil ausgeformt wird, bei der dann der Binder zur Bildung des Braunteiles entfernt wird und schließlich der Verbund des Metallpulvers durch Sintern erfolg†. Die po- röse metallische Schicht weis† eine Korngröße auf, die deutlich über derjenigen lieg†, für die Herstellung der mikroporösen Schicht verwen de† wird. [26] Um die Fiandhabbarkeif der möglichst dünn ausgebildefen porö sen Transportschicht, bestehend aus der porösen Mefallschicht mit der darauf aufgebrachten mikroporösen Schicht zu verbessern, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, diese poröse Transport- Schicht mit einer Bipolarplaffe zu verschweißen, um so ein im Montage vorgang eines Elektrolyseurs gut handhabbares Bauteil zu erzeugen, welches insbesondere in automatisierten Montageprozessen Verwen dung finden kann. Eine solche Bipolarplaffe kann z. B. aus Titan oder titanbeschichtefem Edelstahl bestehen und wird sfoffschlüssig mit der porösen Mefallschicht flächig verbunden. Es versteht sich, dass die flä chige Erstreckung von Bipolarplaffe und Transportschicht aufeinander abgesfimmt werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen darge- sfellfen Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in stark vereinfachter schematischer Schnittdarsfellung den Aufbau einer Elektrolysezelle eines PEM-Elektrolyseurs,

Fig. 2 in schematischer Schnittdarsfellung das Extrudieren einer aus Mefallfolie und Binder gebildeten Folie,

Fig. 3 in vergrößerter Schnittdarsfellung den Aufbau der Folie, Fig. 4 die auf die poröse Mefallschicht aufgelegte Folie in Dar stellung entsprechend Fig. 3,

Fig. 4a die auf ein Grünteil einer porösen Mefallschicht aufgeleg te Folie in Darstellung entsprechend Fig. 4,

Fig. 5 die Anordnung gemäß Fig. 4 nach Entfernen des Binders, Fig. 6 die poröse Transportschicht an ihrer Oberfläche in vergrö ßerter Darstellung im Schnitt nach dem Glätten,

Fig. 7 die Oberfläche der Schicht in Darstellung gemäß Fig. 6 nach dem Aufrauhen,

Fig. 8 in schematischer Darstellung das Aufträgen der aus Me tallpulver und Binder bestehenden Masse auf die poröse Metallschicht im Siebdruckverfahren.

[27] Der grundsätzliche Aufbau eines PEM-Elektrolyseurs ist in Fig. 1 dargestellt. Die elektrische Spannung zur Fierstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser wird an zwei äußeren Bipolarplatten 1 ange legt, welche Kanäle 2 zum Zuführen des Reaktanden, des Wassers so wie zum Abführen der Reaktionsprodukte Wasserstoff und Sauerstoff aufweisen. Die zum Inneren der Elektrolysezelle offenen Kanäle 2 der Bipolarplaffen 1 werden durch poröse Transporfschichfen 3, 4 abge- deckf, welche elektrisch leitend und flüssigkeitsdurchlässig sind. Die po rösen Transportschichten 3 und 4 liegen jeweils elektrisch leitend an ei ner Katalysatorschicht 5 bzw. 6 an, welche auf einer PEM 7 aufgebracht sind. Bei der hier dargestellten Elektrolysezelle zur Erzeugung von Was serstoff und Sauerstoff aus Wasser besteht die anodenseitige Transport- schicht 4 aus Titan und die kathodenseitige Transportschicht 3 aus Gra phit. Die anodenseitige Katalysatorschicht 6 ist aus Iridiumoxyd gebildet, die kathodenseitige Katalysatorschicht 5 aus Platin. Ein solcher Aufbau zählt zum Stand der Technik und ist daher hier nicht weiter im Einzelnen erläutert.

[28] Eine solche Elektrolysezelle ist umfangseitig abgedichtet, sodass die erforderliche Fluidführung gewährleistet ist. Eine Vielzahl solcher Elektrolysezellen sind aufeinanderliegend als Stapel (electrolyse stack) angeordnet, um einen leistungsfähigen, aber kompakt bauenden Elek- trolyseur zu bilden. Im Folgenden ist die anodenseitige poröse Transport- schicht und deren Herstellungsverfahren erläutert, wobei diese poröse Transportschicht 4 auch zu anderen elektrochemischen Anwendungen dienen kann, somit die Elektrolyseuranwendung hier nur beispielhaft angegeben ist.

[29] Die poröse Transportschicht 4, die aus Titan gebildet ist, besteht aus einer porösen Mefallschicht 8 in Form einer aus Titanfasern gebilde ten Filzschicht 8, welche gasdurchlässig und leitend ist. Diese Filzschicht 8 ist 0,25 mm dick und bilde† den Träger der porösen Transportschicht 4, auf welcher eine mikroporöse Metallschicht 9 aufgebracht ist, welche zusammen mit der Metallschicht 8 die anodenseitige poröse Transport- schicht 4 aus Titan bilde†.

[30] Die mikroporöse Metallschicht 9, welche für die elektrische Ver bindung zwischen der porösen Transportschicht 4 und der daran anlie- genden Katalysatorschicht 6 sorgt, ist zum einen für die flächige elektri sche Verbindung von der Bipolarplafte 1 zur Katalysatorschicht 6 wirk sam und gewährt darüber hinaus durch ihre Mikroporosität einen inni gen Austausch des Reaktanden sowie des auf dieser Seite abgeschie denen Sauerstoffs. [31 ] Diese mikroporöse Metallschicht 9 wird dadurch hergesteil†, dass feines Metallpulver, hier Titanpulver, mit einer maximalen Korngröße von 10 miti mit einem Bindemittel, beispielsweise aus Polyethylen und Wachs verwende† werden. Dabei werden das Metallpulver und der aus Poly ethylen und Wachs gebildete Binder intensiv gemischt und zu einem Feedstock granuliert. Dieses Granula† wird mittels eines Extruders verflüs sig† und mittels eines Kalanders 1 1 zu einer Folie 10 verarbeite†, welche eine Dicke von 0,1 mm aufweis†. Diese Folie 10 bilde† das Grünteil in diesem Pulverspritzgussverfahren, diese Folie 10 ist in Fig. 3 im Schnitt dargestell† und wird nachfolgend auf die poröse Mefallschichf 8 aufge bracht, sodass sich die aus Fig. 4 ersichtliche Anordnung ergib†.

[32] Wie die Darstellung nach den Fig. 3 und 4 verdeutlichen, besteht die Folie 10 aus Metallkörnern 12, die vom Binder 13 umschlossen bzw. durch diesen miteinander verbunden sind. Die poröse Metallschicht 8 besteht ebenfalls aus Titan und bildet den Träger für die darauf liegen de Folie 10. In dieser Anordnung erfolgt ein Entbinden, d. h„ in einem ersten thermischen Prozess wird das aus poröser Metallschicht 8 und Folie 10 bestehende Gebilde soweit erhitzt, dass der Binder 13 entfernt und die Metallkörner 12 auf der porösen Metallschicht 8 zur Anlage kommen. Die Metallkörner 12 bilden nun ein Braunteil, welches zusam men mit der porösen Metallschicht 8 einer weiteren Wärmebehandlung höherer Temperatur (Sintern) unterzogen wird, sodass die Metallkörner 12 untereinander sowie mit der porösen Metallschicht sintern, d. h. zu ihrer endgültigen geometrischen und mechanischen Eigenschaft ver eint und verdichtet werden. Dabei folgt eine stoffschlüssige Verbindung der Metallkörner 12 sowie mit der porösen Metallschicht 8. Statt durch Sintern kann dieser Verbund auch durch Diffusionsschweißen gebildet werden. Die so gebildete poröse Transportschicht 4 ist durch die poröse Metallschicht 8 mit Filzstruktur und die darüber liegende mikroporöse Metallschicht 9 gebildet. Letztere ist an ihrer Oberfläche durch Walzen geglättet, sodass sich eine Oberfläche 14 ergibt, wie sie in Fig. 6 sche matisch dargestell† ist. Die Oberflächenglättung kann gegebenenfalls durch Schleifen oder einer Kombination dieser Bearbeitungsverfahren erfolgen. Sie dient dazu, um eine möglichst vollflächige Anlage der so gebildeten porösen Transportschicht 4 an der Katalysatorschicht 6 zu gewährleisten.

[33] Um einen innigen Verbund und somit einen elektrisch gut leiten den Kontakt zwischen der mikroporösen Metallschicht 9 und der Kataly- satorschicht 6 zu gewährleisten, ist die Oberfläche 14 der mikroporösen Metallschich† 9, wie in Fig. 7 dargestell†, durch Beizen mikroskopisch auf- gerauh†.

[34] In dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren wird ei ne Folie 10 bestehend aus Mefallkörnern 12 und Binder 13 als Grünteil im Spritzgießverfahren hergesfeil†. Alternativ kann dies auch dadurch er setzt werden, dass eine z. B. aus Polyethylen gebildete Folie als Trägerfo lie verwende† wird, welche mit Metallpulver 12 und Binder 13 versehen wird, wobei dann diese mit Metallpulver-Binder-Gemisch versehene Folie anstelle der in Fig. 4 dargestellten Folie 10 auf die poröse Metall- Schicht 8 aufgebracht wird. Das weitere Herstellungsverfahren erfolg† wie vorbeschrieben.

[35] Anhand von Fig. 8 ist ein alternatives Herstellungsverfahren zum Erzeugen und Aufbringen der mikroporösen Schicht 9 nämlich im Sieb druckverfahren dargestell†. Dort wird auf die poröse Metallschich† 8 ein Gewebe 15 als Schablone aufgelegt und nachfolgend mittels eines Rakels 16, anstelle der sonst aufgebrachten Druckfarbe, hier ein pastö ser/flüssiger Stoff 1 7 bestehend aus Metallkörnern 12 und einem Binde mittel aufgetragen. Nach Aufträgen des pastösen Stoffes 1 7 wird das Gewebe 15 entfernt und der pastöse/flüssige Stoff 1 7 durch thermische Einwirkung oder z. B. Verdunstung eines Lösungsmittels zur Erstarrung gebracht, wobei die Konsistenz des pastösen/flüssigen Stoffes 1 7 so ein gestellt ist, dass nach dem Entfernen des Gewebes 15 noch eine gewis se Verteilung erfolg†, sodass sich eine möglichst homogene glatte Oberfläche bilde†. Nachfolgend wird dann, wie bei dem eingangs be- schriebenen Verfahren, durch eine erste thermische Behandlung das Bindemittel entfernt und nachfolgend durch Sintern oder Diffusions schweißen ein Verbund der Metallkörner 12 unter sich sowie mit der po rösen Metallschich† 8 erzeug†. Die Oberflächenbehandlungsschritte können erfolgen wie vorbeschrieben. Darüber hinaus kann das thermi- sehe Entfernen des Bindemittels durch ein chemisches Entfernen oder eine Kombination beider ersetz† sein.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist die mikroporöse Metallschich† 9 stets auf einer porösen Metallschich† 8 aufgebracht, sei es durch Auflegen einer entsprechenden Folie 10 oder einer mit Metall pulver und Binder versehenen Trägerfolie oder durch direktes Aufträgen des aus Metallkörnern und Binder gebildeten Gemisches. Wie anhand der Fig. 4a dargestellt ist, kann jedoch auch die poröse Metallschich† 8 in analoger Weise hergesteil† werden wie die mikroporöse Metallschich† 9. Es versteh† sich, dass hier ein Gemisch aus Metallpulver und Binder verwendet wird, deren Metallkörner 12 deutlich größer als die Metallkör ner 12 der mikroporösen Metallschich† und dessen Binder 13a die glei che oder auch eine andere Zusammensetzung als der Binder 13 auf weisen kann. In Fig. 4a ist ein Grünteil 8a einer solchen porösen Metall- schich† dargestellt, welches zusammen mit dem Grünteil der darüber liegenden, die spätere mikroporöse Metallschich† 9 bildenden Schicht bearbeitet wird, d. h„ es werden zunächst aus beiden Schichten die Binder 13 und 13a entfern†, sodass sich ein zweischichtiges, aus zwei Braunteilen gebildetes Braunteil ergibt, welches im nachfolgenden Sin- tervorgang zu der porösen Transportschich† 4 gesintert wird. Diese so gebildete poröse Transportschich† 4 wird dann zweckmäßigerweise, z. B. durch Schweißen, stoffschlüssig mit der Bipolarplatte 1 verbunden, sodass ein eigenstabiles, selbsttragendes Bauteil entsteh†, welches ins besondere in einem automatisierten Montageprozess gut handhabbar ist. Bezugszeichen

1 Bipolarplatte

2 Kanäle

3 Kathodenseitige poröse Transportschicht 4 Anodenseitige poröse Transportschicht

5 Katalysatorschicht kathodenseitig

6 Katalysatorschicht anodenseitig

7 PEM

8 Poröse Metallschicht (Filz)

8a Grünteil der porösen Metallschicht

9 Mikroporöse Metallschicht

10 Folie

1 1 Kalander

12 Metallkörner

12a Metallkörner der porösen Metallschicht

13 Binder

13a Binder des Grünteils der porösen Metallschicht

14 Oberfläche

15 Gewebe

16 Rakel

17 pastöser Stoff

Claims

Ansprüche

1 . Verfahren zum Herstellen einer porösen Transporfschichf (4) für ei ne elektrochemische Zelle, insbesondere für einen Elektrolyseur der PEM-Bauarf, bei dem ein Metall, welches Teil der Transportschicht bilden soll, als Metallpulver (12) mit einem Binder (13) vermischt und nachfolgend zu einem flächigen Element (10) ausgeformt wird oder auf eine Trägerfolie aufgebracht wird, wonach oder wo bei das flächige Elemenf(l O) zur Anlage an einer porösen Mefall- schichf (8) oder einem Grünfeil oder Braunfeil einer porösen Me- fallschichf (8) gebrach†, der Binder (13) und/oder die Trägerfolie entfern† und die verbleibende Braunfeilschichf mit der porösen Mefallschichf (8) oder dem Braunfeil der porösen Mefallschichf ge sintert oder durch Diffusionsschweißen verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ausformen des flächigen Elements zu einer Folie (10) erfolg†.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausformen der Folie (10) durch Extrudieren erfolg†.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausformen der Folie (10) durch Sfranggießen erfolg†.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass das Ausformen der Folie (10) durch Kalandrieren er folg†.

6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Element im Siebdruckverfahren auf die poröse Metall- schich† (8) oder das Braunteil der porösen metallischen Schicht aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse metallische Schicht (8) durch mit Binder vermischtes Metallpulver gebildet wird, wobei nach dem

Ausformen ein Grünfeil gebildet und nachfolgend der Binder ent fern† und das gebildete Braunteil gesintert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Binders und/oder das Sintern gleichzeitig mit dem des flächigen Elements erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Titan oder eine zu mindestens zu 95 Gew.% auf Titan basierte Legierung ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Metallschich† (8) durch eine Sin termetallplatte, ein Metallgewebe und/oder Metallfilz gebildet ist.

1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Metallpulver (12) zur Herstellung des flächi gen Elements (10) mit einer maximalen Körngröße kleiner 45 miti, vorzugsweise kleiner 20 miti oder 10 miti verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (14) der porösen Transpor†- schich† (4) auf ihrer zur Anlage an einem Katalysator (6) bestimm ten Seite durch Schleifen oder Walzen geglättet wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (14) der porösen Transporf- schichf (4) auf ihrer zur Anlage an einem Katalysator (6) bestimm ten Seite chemisch, vorzugsweise durch Ätzen aufgerauht wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das flächige Element, insbesondere die Folie (10) in einer Dicke von 0,04 mm bis 0,2mm vorzugsweise von 0,04 mm bis 0,1 mm ausgebildet wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportschicht mit einer Bipolarplatte verschweißt wird.

16. Poröse Transportschicht (4) hergesteil† nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.