WO2015000925A1 - Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte und bipolarplatte für eine elektrochemische zelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte und bipolarplatte für eine elektrochemische zelle Download PDF

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WO2015000925A1
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substrate
bipolar plate
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electrochemical cell
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Günter Roth
Syed Asif Ansar
Norbert Wagner
Kaspar Andreas Friedrich
Aldo Saul GAGO RODRIGUEZ
Thomas Kupke
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a bipolar plate.
  • Bipolar plates are used, for example, in electrochemical cells, in particular in fuel cells and electrolysis cells, and are preferably used for cell contacting and the distribution of operating gases.
  • the present invention has for its object to provide a method for producing a bipolar plate, by means of which a mechanically and chemically stable formed bipolar plate can be produced inexpensively.
  • the material of the substrate can be a low-cost substrate, which can be protected during operation of the electrochemical cell by means of the layer.
  • a layer is applied, which titanium (Ti), titanium nitrite (TiN), tantalum nitride (TaN), fluorine-doped selenium oxide (Sn0 2 : F), tungsten carbide (WC) and or gold (Au) or is formed from one or more of these materials.
  • Ti titanium
  • TiN titanium nitrite
  • TaN tantalum nitride
  • Sn0 2 : F fluorine-doped selenium oxide
  • WC tungsten carbide
  • Au gold
  • the pores of the layer are at least partially filled with a polymer material, in particular with a two-component polymer material, and / or a ceramic material.
  • the polymeric material is preferably a corrosion resistant polymeric material.
  • bipolar plate is exposed to a vacuum after the application of the layer to the substrate and after the at least partial filling of the pores of the layer with the filling material.
  • the bipolar plate is processed in a vacuum process.
  • the filling material is vented, in particular in order to remove gas inclusions from the filling material.
  • the filler material is incorporated into the pores of the layer in liquid form.
  • the filler preferably cures after being introduced into the pores.
  • the bipolar plate is subjected to a negative pressure, in particular in order to remove unwanted gas inclusions from the filling material before the filling material hardens.
  • a negative pressure in particular in order to remove unwanted gas inclusions from the filling material before the filling material hardens.
  • filling material is applied in a plasma spraying process.
  • filling material is applied to the substrate and / or to the layer in a plasma spraying process.
  • filling material is applied in a plasma spraying process during the application of the layer, in particular together with the application of the layer.
  • the pores produced during application of the layer are preferably closed immediately by means of the filling material which is applied simultaneously.
  • a side of the layer facing away from the substrate is freed from the filling material after at least partial filling of the pores of the layer.
  • a side of the layer facing away from the substrate is freed from the filling material after at least partial filling of the pores of the layer in a sandblasting process and / or in a grinding process.
  • a surface of the layer facing away from the substrate is freed from the filling material after the at least partial filling of the pores of the layer, for example by a cleaning method or a surface treatment method (for example sandblasting method and / or grinding method).
  • the substrate is preferably formed of a steel material or is formed of a steel material.
  • the substrate is formed from a steel sheet or is formed.
  • Substrate of a stainless steel material is formed or formed.
  • the substrate is provided on one or both sides with a plurality of flow channels, in particular before the layer is applied in the plasma spraying process.
  • The, preferably plate-shaped, substrate is preferably machined for this purpose, in particular by milling and / or forming, before the layer is applied.
  • the surface of the substrate is roughened, in particular in a sandblasting process and / or in a grinding process.
  • the surface of the substrate is preferably roughened before the layer is applied.
  • the layer is preferably applied on one side to the surface of the substrate, so that, for example, all bearing surfaces with which the bipolar plate can be applied to further components for electrical contacting, and / or the surfaces of the flow channels are coated.
  • a powder material in particular titanium powder
  • a vacuum by means of a plasma and applied to the substrate.
  • a layer with high density and good electrical contact to the substrate can be formed.
  • a side facing away from the substrate, in particular the surface, of the layer is provided with a thin layer.
  • the thin layer is a contacting layer for optimizing the electrical contacting.
  • the present invention further relates to a bipolar plate for an electrochemical cell.
  • the invention is in this respect the task of providing a bipolar plate for an electrochemical cell, which is formed mechanically and chemically stable and inexpensive to produce.
  • a bipolar plate for an electrochemical cell which comprises a substrate which is provided with a sealed layer applied in a plasma spraying process.
  • the bipolar plate according to the invention preferably has one or more of the features and / or advantages described in connection with the method according to the invention.
  • the layer and / or the substrate is sealed by means of the filling material, so that the substrate preferably does not come into contact with the operating fluids of the electrochemical cell during operation of the electrochemical cell.
  • the bipolar plate comprises a substrate which is provided on one or both sides with flow channels.
  • the substrate is covered on one side or on both sides substantially completely with the layer.
  • the bipolar plate according to the invention is particularly suitable for use in an electrochemical cell.
  • the present invention therefore also relates to an electrochemical cell which comprises at least one bipolar plate according to the invention.
  • the electrochemical cell is designed in particular as an electrolysis cell or as a fuel cell.
  • the entire surface of the substrate coming into contact with operating fluids of the electrochemical cell during operation of the electrochemical cell is provided with the layer and / or with the filling material.
  • the method according to the invention for producing a bipolar plate, the bipolar plate according to the invention and / or the electrochemical cell according to the invention may preferably also have one or more of the features and / or advantages described below:
  • a particularly dense layer, in particular a titanium layer may be obtainable in particular when it is applied in a plasma spraying process, wherein a powder feed rate is, for example, about 11.66 g / min.
  • a plasma enthalpy is preferably about 21.27 MJkg -1 .
  • the pressure prevailing in the region of the particular plate-shaped substrate during the production of the layer is preferably about 50 mbar.
  • the layer is produced in a multi-layer process, that is to say that the layer to be produced overall is produced by applying a plurality of, preferably very thin, layers.
  • the filler material preferably has a very low viscosity.
  • the filler material is formed by a resin of very low viscosity (ultra low viscosity resin) and a hardener.
  • the filling material is preferably non-conductive, stable in an acidic environment, even when high potential is applied, of more than, for example, about 2 volts, and has a decomposition temperature of at least about 80 ° C.
  • the powder used to make the layer preferably has a grain size of at least about 45 ⁇ m.
  • the mass fraction of titanium in the entire bipolar plate is preferably at most approximately 5% by mass, in particular at most approximately 3% by mass, in particular with a total thickness of the bipolar plate of approximately 1 mm.
  • a designed as an electrolytic cell electrochemical cell is particularly suitable for the provision of high purity hydrogen, in particular by using renewable energy, such as solar energy, wind energy or thermal energy.
  • the electrochemical cell is in particular an electrochemical cell with a polymer electrolyte membrane (PEM).
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the layer applied to the substrate in a plasma spraying process can in turn be provided with a further layer.
  • the further layer in particular a thin layer, can be applied, for example, in a magnetron sputtering process, in a physical vapor deposition process and / or in a chemical vapor deposition process. Furthermore, it can be provided that the further layer is also applied in a plasma spraying process.
  • a further layer is preferably applied after processing of a surface facing away from the substrate of the applied in a plasma spraying layer.
  • a further layer is applied to the layer applied in a plasma spraying method, after the surface of the layer applied in a plasma spraying process, which is remote from the substrate, has been processed in a sandblasting process and / or in a polishing process.
  • a gold layer can be provided as a further layer.
  • the further layer is in particular a thin film of a corrosion-resistant material which has a high electrical conductivity.
  • the layer and / or the further layer applied in a plasma spraying process is preferably made of titanium nitride, tantalum nitride, carbide, titanium, tantalum, electrically conductive ceramic material, gold, platinum, iridium, fluorine-doped selenium oxide (SnO 2 : F), boron-doped silicon carbide (SiC: B) doped or ion implanted conductive titanium oxide (Ti0 2 ), diamond and / or graphitic carbon, such as dense layers of graphite or graphene formed.
  • the layer in particular the further layer, for example the thin layer, is self-healing, in particular in order to optimize the electrical properties.
  • it can be preferably prevented in this way that iron ions from the substrate contribute to the poisoning of the electrochemical cell.
  • 1 is a schematic sectional view of an electrochemical device in which a bipolar plate is arranged between two further components of the electrochemical device; 2 is an enlarged view of the area II in FIG. 1, wherein the
  • Bipolarplatte comprises a substrate, a plasma spray applied layer and a filling material
  • FIG. 3 is a diagram for demonstrating the function of the bipolar plate of FIG. 2.
  • An embodiment of an electrochemical device designated as a whole as 100 in FIGS. 1 and 2 is embodied, for example, as an electrolysis device 102 and, as such, comprises a plurality of electrochemical cells 106 formed, for example, as electrolysis cells 104.
  • An electrochemical cell 106 preferably comprises a bipolar plate 108, by means of which further components 110 of the electrochemical cell 106 or adjacent electrochemical cells 106 are electrically contacted with one another.
  • the bipolar plate 108 is formed in particular from one or more electrically conductive materials.
  • the bipolar plate 108 comprises flow channels 112, by means of which operating fluids used in operation of the electrochemical device 100, in particular operating gases, can be evenly distributed, supplied and / or removed within each electrochemical cell 106.
  • the bipolar plate 108 comprises a substrate 114.
  • the substrate 114 is in particular plate-shaped and provided by a processing of the same with the flow channels 112.
  • the substrate 114 is formed, for example, from a stainless steel material, in particular from a stainless steel sheet 122.
  • the bipolar plate 108 further includes a layer 116 disposed on the substrate 114.
  • the layer 116 is, in particular, a titanium layer and, preferably in a plasma spraying process, can be applied to a surface 118 of the substrate 114.
  • the layer 116 is particularly dense, that is, the layer 116 has a low porosity.
  • Pores 124 of the layer 116 are filled by means of a filling material 128.
  • the bipolar plate 108 of the embodiment of the electrochemical device 100 shown in FIGS. 1 and 2 can be produced, for example, as follows:
  • the substrate 114 in particular a stainless steel sheet 122, for example, by forming the same, brought into a desired shape.
  • the bipolar plate 108 can be formed zigzag-shaped, for example, so that flow channels 112 are formed when the bipolar plate 108 is covered on both sides with further components 110.
  • the substrate 114 formed of the stainless steel sheet 122 of the bipolar plate 108 is provided with the layer 116.
  • the layer 116 is thereby applied in a plasma spraying process, in particular by melting titanium powder by means of a plasma and applying bringing the at least partially melted titanium powder onto the substrate 114.
  • a treatment of the substrate 114 in a sandblasting process may be provided in advance.
  • the layer 116 is dense. Nevertheless, pores 124 may be present through which operating fluids needed to operate the electrochemical device 100 may reach the substrate 114. This can lead to corrosion of the substrate 114.
  • the layer 116 and / or the substrate 114 is therefore preferably sealed.
  • a filling material 128 is provided, with which the pores 124 of the layer 116 are filled at least partially, in particular completely.
  • a cavity 130 formed by the pores 124 of the layer 116 is thus preferably filled in the layer 116.
  • an inner surface 132 of the layer 116 surrounding the pores 124 is at least partially, preferably completely, coated with the filler material 128.
  • the still free, not covered by the layer 116 surface 118 of the substrate 114 is preferably coated with the filler 128.
  • the filling material 128 forms in particular a seal 134 of the surface 118 of the substrate 114 in order to protect it from corrosion.
  • the filling material 128 is preferably an electrically non-conductive material, for example a polymer material or ceramic material.
  • a coating of an outer surface 136 of the layer 116 facing the substrate 114 with the filling material 128 must be avoided or at least removed before the use of the bipolar plate 108.
  • the outer surface 136 facing away from the substrate 114 forms a contact surface 138 for contacting further components 110 and ensures good electrical contact.
  • the filler 128 is introduced into the pores 124 of the layer 116 as a two-component polymeric material.
  • the filler material 128 is preferably a material of very low viscosity so that the filler material 128 may spread through the pores 124 to the surface 118 of the substrate 114.
  • the filling material 128, for example, by evacuation, freed of unwanted air bubbles.
  • This curing can be done automatically by suitable choice of material of the filling material 128.
  • the filling material 128 is a mixture of a resin and a corresponding hardener.
  • the filling material 128 is then solidified in particular by crosslinking the resin.
  • the outer surface 136 of the layer 116 is still covered with filling material 128. As a result, the electrical contact with the other components 110 can be greatly impaired.
  • the filler 128 is thus preferably removed before the bipolar plate 108 is used.
  • the bipolar plate 108 is for this purpose, for example, processed in a sand blast process to remove the filler material 128 from the outer surface 136 of the layer 116.
  • the substrate 114 is protected by means of the filling material 128. Due to the exposed outer surface 136 of the layer 116, a good electrical contact with the other components 110 of the electrochemical device 100 is ensured.
  • electrochemical devices 100 In other embodiments (not shown) of electrochemical devices 100, one or more of the features and / or advantages described above may be combined. Furthermore, it can be provided in further embodiments that the applied in a plasma spraying process layer 116 is provided on its surface 136 with an additional layer, in particular contact layer.
  • Fig. 3 is a diagram for demonstrating the function of the described bipolar plate 108.
  • This diagram according to FIG. 3 shows a corrosion test of the substrate 116 provided with the layer 116 in a simulated environment of an anode of a PEM electrolysis cell.
  • a constant current density of 10 ⁇ / cm 2 is measured for 24 hours.
  • the bipolar plate 108 was polarized at a constant potential of 2 V with respect to the standard hydrogen electrode (SHE, Standard Hydrogen Electrode).
  • SHE Standard Hydrogen Electrode
  • Oxygen saturation 0.5 M (1 N) H 2 S0 4 (pH 0) at 80 ° C.

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Abstract

Um ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte bereitzustellen, mittels welchem eine mechanisch und chemisch stabil ausgebildete Bipolarplatte kostengünstig herstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Substrats; Applizieren einer Schicht auf das Substrat in einem Plasmaspritzverfahren; und Versiegeln der Schicht.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte.
Bipolarplatten finden beispielsweise in elektrochemischen Zellen, insbesondere in Brennstoffzellen und Elektrolysezellen, Verwendung und dienen vorzugsweise der Zellkontaktierung sowie der Verteilung von Betriebsgasen .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte bereitzustellen, mittels welchem eine mechanisch und chemisch stabil ausgebildete Bipolarplatte kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gelöst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Bereitstellen eines Substrats;
Applizieren einer Schicht auf das Substrat in einem Plasmaspritzverfahren; Versiegeln der Schicht.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Substrat mit einer Schicht versehen wird, kann das Material des Substrats ein kostengünstiges Substrat sein, welches im Betrieb der elektrochemischen Zelle mittels der Schicht geschützt werden kann.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf das Substrat eine Schicht appliziert wird, welche Titan (Ti), Titannitrit (TiN), Tantalnitrit (TaN), mit Fluor dotiertes Selenoxid (Sn02: F), Wolframcarbid (WC) und/oder Gold (Au) umfasst oder aus einem oder mehreren dieser Materialien gebildet ist. Insbesondere durch ein zumindest teilweises Auffüllen von Poren der Schicht mit einem Füllmaterial kann eine Versiegelung der Schicht und/oder des Substrats erzielt werden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Poren der Schicht zumindest teilweise mit einem Polymermaterial, insbesondere mit einem Zwei-Komponenten-Polymermaterial, und/oder einem Keramikmaterial gefüllt werden.
Das Polymermaterial ist vorzugsweise ein korrosionsbeständiges Polymermaterial.
Günstig kann es sein, wenn die Bipolarplatte nach dem Applizieren der Schicht auf das Substrat und nach dem zumindest teilweisen Füllen der Poren der Schicht mit dem Füllmaterial einem Unterdruck ausgesetzt wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte in einem Vakuumverfahren bearbeitet wird .
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Füllmaterial entlüftet wird, insbesondere um Gaseinschlüsse aus dem Füllmaterial zu entfernen.
Vorzugsweise wird das Füllmaterial in flüssiger Form in die Poren der Schicht eigebracht.
Das Füllmaterial härtet vorzugsweise nach dem Einbringen in die Poren aus.
Vorzugsweise wird die Bipolarplatte einem Unterdruck ausgesetzt, insbesondere um unerwünschte Gaseinschlüsse aus dem Füllmaterial zu entfernen, bevor das Füllmaterial aushärtet. Alternativ oder ergänzend zu einem anschließenden Füllen der Poren mittels des Füllmaterials kann vorgesehen sein, dass Füllmaterial in einem Plasmaspritzverfahren appliziert wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Füllmaterial in einem Plasmaspritzverfahren auf das Substrat und/oder auf die Schicht appliziert wird.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn Füllmaterial in einem Plasmaspritzverfahren während des Applizierens der Schicht, insbesondere gemeinsam mit dem Applizieren der Schicht, appliziert wird .
Die beim Applizieren der Schicht entstehenden Poren werden mittels des gleichzeitig applizieren Füllmaterials vorzugsweise umgehend geschlossen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine dem Substrat abgewandte Seite der Schicht nach dem zumindest teilweisen Füllen der Poren der Schicht von dem Füllmaterial befreit wird.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine dem Substrat abgewandte Seite der Schicht nach dem zumindest teilweisen Füllen der Poren der Schicht in einem Sandstrahl-Verfahren und/oder in einem Schleifverfahren von dem Füllmaterial befreit wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine dem Substrat abgewandte Oberfläche der Schicht nach dem zumindest teilweisen Füllen der Poren der Schicht von dem Füllmaterial befreit wird, beispielsweise durch ein Reinigungsverfahren oder ein Oberflächenbearbeitungsverfahren (beispielsweise Sandstrahl-Verfahren und/oder Schleifverfahren).
Das Substrat wird vorzugsweise aus einem Stahlmaterial gebildet oder ist aus einem Stahlmaterial gebildet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Substrat aus einem Stahlblech gebildet wird oder gebildet ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das
Substrat aus einem Edelstahlmaterial, insbesondere aus einem Edelstahlblech, gebildet wird oder gebildet ist.
Günstig kann es sein, wenn das Substrat einseitig oder beidseitig mit mehreren Strömungskanälen versehen wird, insbesondere bevor die Schicht in dem Plasmaspritzverfahren appliziert wird.
Das, vorzugsweise plattenförmige, Substrat wird hierzu vorzugsweise maschinell bearbeitet, insbesondere durch Fräsen und/oder Umformen, bevor die Schicht appliziert wird .
Es kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Substrats aufgeraut wird, insbesondere in einem Sandstrahl-Verfahren und/oder in einem Schleifverfahren. Die Oberfläche des Substrats wird vorzugsweise aufgeraut, bevor die Schicht appliziert wird .
Die Schicht wird vorzugsweise einseitig auf die Oberfläche des Substrats appliziert, so dass beispielsweise sämtliche Anlageflächen, mit welchen die Bipolarplatte an weiteren Bauteilen zur elektrischen Kontaktierung anlegbar ist, und/oder die Oberflächen der Strömungskanäle beschichtet sind.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Pulvermaterial, insbesondere Titanpulver, in einem Vakuum mittels eines Plasmas aufgeschmolzen und auf das Substrat appliziert wird . Auf diese Weise kann eine Schicht mit hoher Dichte und gutem elektrischen Kontakt zum Substrat gebildet werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn eine dem Substrat abgewandte Seite, insbesondere Oberfläche, der Schicht mit einer Dünnschicht versehen wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Dünnschicht eine Kontaktie- rungsschicht zur Optimierung der elektrischen Kontaktierung ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle bereitzustellen, welche mechanisch und chemisch stabil ausgebildet und kostengünstig herstellbar ist.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle gelöst, welche ein Substrat um- fasst, das mit einer in einem Plasmaspritzverfahren applizierten versiegelten Schicht versehen ist.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Schicht und/oder das Substrat mittels des Füllmaterials versiegelt ist, so dass das Substrat im Betrieb der elektrochemischen Zelle vorzugweise nicht mit den Betriebsfluiden der elektrochemischen Zelle in Kontakt kommt.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Bipolarplatte ein Substrat umfasst, welches einseitig oder beidseitig mit Strömungskanälen versehen ist.
Günstig kann es sein, wenn das Substrat einseitig oder beidseitig im Wesentlichen vollständig mit der Schicht bedeckt ist.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle. Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine elektrochemische Zelle, welche mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst.
Die elektrochemische Zelle ist insbesondere als eine Elektrolysezelle oder als eine Brennstoffzelle ausgebildet.
Vorzugsweise ist die gesamte im Betrieb der elektrochemischen Zelle mit Be- triebsfluiden der elektrochemischen Zelle in Kontakt kommende Oberfläche des Substrats mit der Schicht und/oder mit dem Füllmaterial versehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, die erfindungsgemäße Bipolarplatte und/oder die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle können vorzugsweise ferner einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen :
Eine besonders dichte Schicht, insbesondere Titanschicht, kann insbesondere dann erhältlich sein, wenn diese in einem Plasmaspritzverfahren appliziert wird, wobei eine Pulverzuführrate beispielsweise ungefähr 11,66 g/min beträgt. Eine Plasmaenthalpie beträgt vorzugsweise ungefähr 21,27 MJkg"1. Der im Bereich des insbesondere plattenförmigen Substrats vorherrschende Druck bei der Herstellung der Schicht beträgt vorzugsweise ungefähr 50 mbar.
Vorzugsweise wird die Schicht in einem Mehrschichtverfahren hergestellt, das heißt, dass die insgesamt herzustellende Schicht durch Applizieren mehrerer, vorzugsweise sehr dünner, Schichten hergestellt wird.
Das Füllmaterial weist vorzugsweise eine sehr niedrige Viskosität auf. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Füllmaterial durch ein Harz mit sehr niedriger Viskosität (ultra low viscosity resin) und einen Härter gebildet wird.
Das Füllmaterial ist vorzugsweise nicht leitend ausgebildet, stabil in saurer Umgebung, selbst bei anliegendem hohen Potential von mehr als beispiels- weise ungefähr 2 V, und weist eine Zersetzungstemperatur von mindestens ungefähr 80 °C auf.
Das zur Herstellung der Schicht verwendete Pulver weist vorzugsweise eine Korngröße von mindestens ungefähr 45 pm auf.
Bei einer als Titanschicht ausgebildeten Schicht beträgt der Massenanteil von Titan an der gesamten Bipolarplatte vorzugsweise höchstens ungefähr 5 Massen-%, insbesondere höchstens ungefähr 3 Massen-%, insbesondere bei einer Gesamtdicke der Bipolarplatte von ungefähr 1 mm.
Eine als Elektrolysezelle ausgebildete elektrochemische Zelle eignet sich insbesondere zur Bereitstellung von hochreinem Wasserstoff, insbesondere durch Nutzung von erneuerbaren Energien, beispielsweise Solarenergie, Windenergie oder thermische Energie.
Die elektrochemische Zelle ist insbesondere eine elektrochemische Zelle mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM).
Die in einem Plasmaspritzverfahren auf das Substrat applizierte Schicht kann ihrerseits mit einer weiteren Schicht versehen werden.
Die weitere Schicht, insbesondere eine Dünnschicht, kann beispielsweise in einem Magnetron-Sputtering-Verfahren, in einem Physical-Vapor-Deposition- Verfahren und/oder in einem Chemical-Vapor-Deposition-Verfahren appliziert werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass auch die weitere Schicht in einem Plasmaspritzverfahren appliziert wird.
Eine weitere Schicht wird vorzugsweise nach einer Bearbeitung einer dem Substrat abgewandten Oberfläche der in einem Plasmaspritzverfahren applizierten Schicht appliziert. Beispielsweise wird eine weitere Schicht auf die in einem Plasmaspritzverfahren applizierte Schicht appliziert, nachdem die dem Substrat abgewandte Oberfläche der in einem Plasmaspritzverfahren applizierten Schicht in einem Sandstrahl-Verfahren und/oder in einem Polierverfahren bearbeitet wurde.
Insbesondere kann als weitere Schicht eine Goldschicht vorgesehen sein.
Die weitere Schicht ist insbesondere ein dünner Film eines korrosionsbeständigen Materials, welches eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Die in einem Plasmaspritzverfahren applizierte Schicht und/oder die weitere Schicht ist vorzugsweise aus Titannitrit, Tantalnitrit ,Carbid, Titan, Tantal, elektrisch leitfähigem Keramikmaterial, Gold, Platin, Iridium, mit Fluor dotiertem Selenoxid (Sn02: F), mit Bor dotiertem Siliciumcarbid (SiC: B), dotiertem oder durch Ionenimplantation leitfähigem Titanoxid (Ti02), Diamant und/oder graphitischem Kohlenstoff, beispielsweise dichten Schichten aus Graphit oder Graphen, gebildet.
Günstig kann es sein, wenn die Schicht, insbesondere die weitere Schicht, beispielsweise die Dünnschicht, selbstheilend ausgebildet ist, insbesondere um die elektrischen Eigenschaften zu optimieren. Insbesondere kann auf diese Weise vorzugsweise verhindert werden, dass Eisenionen aus dem Substrat zur Vergiftung der elektrochemischen Zelle beitragen.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen :
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher eine Bipolarplatte zwischen zwei weiteren Bauteilen der elektrochemischen Vorrichtung angeordnet ist; Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs II in Fig . 1, wobei die
Bipolarplatte ein Substrat, eine in einem Plasmaspritzverfahren applizierte Schicht und ein Füllmaterial umfasst; und
Fig. 3 ein Diagramm zur Demonstration der Funktion der Bipolarplatte aus Fig. 2.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten elektrochemischen Vorrichtung ist beispielsweise als eine Elektrolysevorrichtung 102 ausgebildet und umfasst als solche mehrere, beispielsweise als Elektrolysezellen 104 ausgebildete, elektrochemische Zellen 106.
Eine elektrochemische Zelle 106 umfasst vorzugsweise eine Bipolarplatte 108, mittels welcher weitere Bauteile 110 der elektrochemischen Zelle 106 oder benachbarter elektrochemischer Zellen 106 elektrisch miteinander kontaktiert werden.
Die Bipolarplatte 108 ist hierzu insbesondere aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialen gebildet.
Die Bipolarplatte 108 umfasst Strömungskanäle 112, mittels welchen im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 verwendete Betriebsfluide, insbesondere Betriebsgase, innerhalb einer jeden elektrochemischen Zelle 106 gleichmäßig verteilt, zugeführt und/oder abgeführt werden können.
Wie insbesondere Fig . 2 zu entnehmen ist, umfasst die Bipolarplatte 108 ein Substrat 114. Das Substrat 114 ist insbesondere plattenförmig ausgebildet und durch eine Bearbeitung desselben mit den Strömungskanälen 112 versehen.
Das Substrat 114 ist beispielsweise aus einem Edelstahlmaterial, insbesondere aus einem Edelstahlblech 122, gebildet.
Die Bipolarplatte 108 umfasst ferner eine auf dem Substrat 114 angeordnete Schicht 116.
Die Schicht 116 ist insbesondere eine Titanschicht und vorzugsweise in einem Plasmaspritzverfahren auf eine Oberfläche 118 des Substrats 114 applizierbar.
Die Schicht 116 ist insbesondere dicht ausgebildet, das heißt, dass die Schicht 116 eine geringe Porosität aufweist.
Poren 124 der Schicht 116 sind mittels eines Füllmaterials 128 gefüllt.
Die Bipolarplatte 108 der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100 kann beispielsweise wie folgt hergestellt werden :
Zunächst wird das Substrat 114, insbesondere ein Edelstahlblech 122, beispielsweise durch Umformen desselben, in eine gewünschte Form gebracht.
Die Bipolarplatte 108 kann hierzu beispielsweise zickzackförmig ausgebildet werden, so dass Strömungskanäle 112 gebildet werden, wenn die Bipolarplatte 108 zu beiden Seiten mit weiteren Bauteilen 110 bedeckt wird.
In einem nächsten Schritt wird das aus dem Edelstahlblech 122 gebildete Substrat 114 der Bipolarplatte 108 mit der Schicht 116 versehen.
Die Schicht 116 wird dabei in einem Plasmaspritzverfahren appliziert, insbesondere durch Aufschmelzen von Titanpulver mittels eines Plasmas und Auf- bringen des zumindest teilweise geschmolzenen Titanpulvers auf das Substrat 114.
Zur Optimierung einer Haftung der Schicht 116 auf dem Substrat 114 kann vorbereitend eine Behandlung des Substrats 114 in einem Sandstrahl-Verfahren vorgesehen sein.
Die Schicht 116 ist dicht ausgebildet. Dennoch können Poren 124 vorhanden sein, durch welche im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 benötigte Betriebsfluide zu dem Substrat 114 gelangen. Dies kann zu einer Korrosion des Substrats 114 führen.
Die Schicht 116 und/oder das Substrat 114 wird daher vorzugsweise versiegelt.
Zur Versiegelung ist insbesondere ein Füllmaterial 128 vorgesehen, mit welchem die Poren 124 der Schicht 116 zumindest teilweise, insbesondere vollständig, gefüllt werden.
Mittels des Füllmaterials 128 ist somit vorzugsweise ein durch die Poren 124 der Schicht 116 gebildeter Hohlraum 130 in der Schicht 116 aufgefüllt.
Insbesondere ist eine innere Oberfläche 132 der Schicht 116, welche die Poren 124 umgibt, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, mit dem Füllmaterial 128 beschichtet.
Auch die noch freie, nicht von der Schicht 116 bedeckte Oberfläche 118 des Substrats 114 ist vorzugsweise mit dem Füllmaterial 128 beschichtet.
Das Füllmaterial 128 bildet dabei insbesondere eine Versiegelung 134 der Oberfläche 118 des Substrats 114, um dieses vor Korrosion zu schützen. Das Füllmaterial 128 ist vorzugsweise ein elektrisch nicht leitendes Material, beispielsweise ein Polymermaterial oder Keramikmaterial.
Zur zuverlässigen Kontaktierung der benachbarten Bauteile 110 der elektrochemischen Vorrichtung 100 muss eine Beschichtung einer dem Substrat 114 abgewandten äußeren Oberfläche 136 der Schicht 116 mit dem Füllmaterial 128 vermieden oder zumindest vor der Verwendung der Bipolarplatte 108 entfernt werden.
Die dem Substrat 114 abgewandte äußere Oberfläche 136 bildet eine Anlagefläche 138 zur Anlage weiterer Bauteile 110 und gewährleistet eine gute elektrische Kontaktierung.
Das Füllmaterial 128 wird beispielsweise als ein Zwei-Komponenten-Polymermaterial in die Poren 124 der Schicht 116 eingebracht.
Das Füllmaterial 128 ist vorzugsweise ein Material mit sehr geringer Viskosität, so dass sich das Füllmaterial 128 durch die Poren 124 hindurch bis auf die Oberfläche 118 des Substrats 114 ausbreiten kann.
In einem nächsten Schritt wird das Füllmaterial 128, beispielsweise durch Evakuieren, von unerwünschten Lufteinschlüssen befreit.
Schließlich wird das Füllmaterial 128 ausgehärtet.
Dieses Aushärten kann automatisch durch geeignete Materialwahl des Füllmaterials 128 erfolgen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Füllmaterial 128 eine Mischung aus einem Harz und einem entsprechenden Härter ist. Das Füllmaterial 128 wird dann insbesondere durch Vernetzen des Harzes verfestigt. Nach der Applikation des Füllmaterials 128 ist die äußere Oberfläche 136 der Schicht 116 noch mit Füllmaterial 128 bedeckt. Hierdurch kann die elektrische Kontaktierung mit den weiteren Bauteilen 110 stark beeinträchtigt sein.
Das Füllmaterial 128 wird folglich vorzugsweise entfernt, bevor die Bipolarplatte 108 zum Einsatz kommt.
Die Bipolarplatte 108 wird hierzu beispielsweise in einem Sandstrahl-Verfahren bearbeitet, um das Füllmaterial 128 von der äußeren Oberfläche 136 der Schicht 116 zu entfernen.
In dem fertiggestellten Zustand ist insbesondere das Substrat 114 mittels des Füllmaterials 128 geschützt. Aufgrund der freiliegenden äußeren Oberfläche 136 der Schicht 116 ist eine gute elektrische Kontaktierung mit den weiteren Bauteilen 110 der elektrochemischen Vorrichtung 100 gewährleistet.
Bei weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsformen von elektrochemischen Vorrichtungen 100 können einzelne oder mehrere der vorstehend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile miteinander kombiniert werden. Ferner kann bei weiteren Ausführungsformen vorgesehen sein, dass die in einem Plasmaspritzverfahren applizierte Schicht 116 auf ihrer Oberfläche 136 mit einer zusätzlichen Schicht, insbesondere Kontaktschicht, versehen wird .
In Fig . 3 ist ein Diagramm zur Demonstration der Funktion der beschriebenen Bipolarplatte 108 dargestellt.
Dabei ist die Stromdichte über der Zeit (Acm"2/h) aufgetragen.
Dieses Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt einen Korrosionstest des mit der Schicht 116 versehenen Substrats 114 in einer simulierten Umgebung einer Anode einer PEM-Elektrolysezelle. Dabei wird eine konstante Stromdichte von 10 μΑ/cm2 für 24 Stunden gemessen. Die Bipolarplatte 108 war dabei bei konstantem Potential von 2 V gegenüber der Standardwasserstoffelektrode (SHE, Standard Hydrogen Electrode) polarisiert. Als weitere Prozessparameter waren vorgesehen : Sauerstoffsättigung 0,5 M (1 N) H2S04 (pH = 0) bei 80 °C.
Aus dem konstanten Verlauf der Stromdichte während der gemessenen 24 Stunden kann auf eine hohe Standfestigkeit der Bipolarplatte 108 und insbesondere auf eine zuverlässige Schutzfunktion der Schicht 116 für das Substrat 114 geschlossen werden.
Bezugszeichenliste
100 elektrochemische Vorrichtung
102 Elektrolysevorrichtung
104 Elektrolysezelle
106 elektrochemische Zelle
108 Bipolarplatte
110 Bauteil
112 Strömungskanal
114 Substrat
116 Schicht
118 Oberfläche
122 Edelstahlblech
124 Pore
126 Oberfläche
128 Füllmaterial
130 Hohlraum
132 innere Oberfläche
134 Versiegelung
136 äußere Oberfläche
138 Anlagefläche

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (108), umfassend :
Bereitstellen eines Substrats (114);
Applizieren einer Schicht (116) auf das Substrat (114) in einem
Plasmaspritzverfahren;
Versiegeln der Schicht (116).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf das
Substrat (114) eine Schicht (116) appliziert wird, welche Titan (Ti), Titannitrit (TiN), Tantalnitrit (TaN), mit Fluor dotiertes Selenoxid
(Sn02: F), Wolframcarbid (WC) und/oder Gold (Au) umfasst oder aus einem oder mehreren dieser Materialien gebildet ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Versiegeln der Schicht (116) Poren (124) der Schicht (116) zumindest teilweise mit einem Füllmaterial (128) aufgefüllt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (128) ein Polymermaterial, insbesondere ein Zwei-Komponenten- Polymermaterial, und/oder ein Keramikmaterial umfasst oder aus einem Polymermaterial und/oder einem Keramikmaterial gebildet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (108) nach dem Applizieren der Schicht (116) auf das Substrat (114) und nach dem zumindest teilweisen Füllen der Poren (124) der Schicht (116) mit dem Füllmaterial (128) einem Unterdruck ausgesetzt wird .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Füllmaterial (128) in flüssiger Form in die Poren (124) der zuvor applizierten Schicht (116) eingebracht wird und nach dem Einbringen aushärtet und/oder dass Füllmaterial (128) in einem Plasmaspritzverfahren, insbesondere während des Applizierens der Schicht (116), appliziert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Substrat (114) abgewandte Seite, insbesondere Oberfläche (126), der Schicht (116) bearbeitet wird, insbesondere nach dem zumindest teilweisen Füllen der Poren (124) der Schicht (116), beispielsweise in einem Sandstrahl-Verfahren und/oder in einem Schleifverfahren, von dem Füllmaterial (128) befreit wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (114) plattenförmig ausgebildet ist und/oder dass das Substrat (114) aus einem Stahlmaterial, beispielsweise aus einem Stahlblech (122), gebildet wird oder gebildet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (114) einseitig oder beidseitig mit mehreren Strömungskanälen (112) versehen wird, insbesondere bevor die Schicht (116) in dem Plasmaspritzverfahren appliziert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (118) des Substrats (114) in einem Sandstrahl- Verfahren und/oder in einem Schleifverfahren aufgeraut wird, insbesondere bevor die Schicht (116) appliziert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Substrat (114) abgewandte Seite, insbesondere Oberfläche (126), der Schicht (116) mit einer Dünnschicht versehen wird.
12. Bipolarplatte (108) für eine elektrochemische Zelle (106), umfassend ein Substrat (114), welches mit einer in einem Plasmaspritzverfahren applizierten versiegelten Schicht (116) versehen ist.
13. Bipolarplatte (108) für eine elektrochemische Zelle (106), nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (108) ein Substrat (114) umfasst, welches einseitig oder beidseitig mit Strömungskanälen (112) versehen ist.
14. Bipolarplatte (108) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (114) einseitig oder beidseitig im Wesentlichen vollständig mit der Schicht (116) bedeckt ist.
15. Elektrochemische Zelle (106), insbesondere Elektrolysezelle (104) oder Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine Bipolarplatte (108) nach einem der Ansprüche 12 bis 14.
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