WO2024115026A1 - Bipolarplatte, verfahren zum herstellen einer bipolarplatte, zelle sowie elektrochemischer energiewandler - Google Patents

Bipolarplatte, verfahren zum herstellen einer bipolarplatte, zelle sowie elektrochemischer energiewandler Download PDF

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Bernhard Mandl
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Bipolar plate method for producing a bipolar plate, cell and electrochemical energy converter
  • the invention relates to a bipolar plate having the features of independent patent claim 1, a method having the features of independent patent claim 6, a cell having the features of independent patent claim 9 and an electrochemical energy converter having the features of independent patent claim 12.
  • porous transport layers are used on both the anode side and the cathode side to distribute the media from the bipolar plate to the electrolyte present.
  • these are made of porous materials, so that the flow path of the medium through them often cannot be determined precisely.
  • they are complex to manufacture and expensive due to the materials. Due to the porosity, the surface to be coated with a catalyst often cannot be precisely determined or completely coated. In addition, due to the porous structure, the contact with a component coated with a catalyst cannot be precisely determined. This has a negative effect on how the system works.
  • the invention claims a bipolar plate having the features of independent claim 1, a method having the features of independent claim 6, a cell having the features of independent claim 9 and an electrochemical energy converter having the features of independent claim 12.
  • a bipolar plate for a cell of an electrochemical energy converter, with a first flow structure and with a second flow structure adjacent to the first flow structure, wherein the first and the second flow structure are arranged on one side of the bipolar plate, wherein the first flow structure is designed to distribute a medium along a first longitudinal direction of the bipolar plate and wherein the second flow structure is designed to distribute the medium coming from the first flow structure in a second longitudinal direction and/or a transverse direction of the bipolar plate.
  • the chemical reactions carried out in an electrochemical energy converter will take place along the first, but above all along the second flow structure.
  • the medium is guided or distributed to the electrolyte by distribution in the second longitudinal direction and the transverse direction. Due to this structural design, the porous transport layer, i.e. the gas diffusion layer, can be dispensed with when this bipolar plate is used in a cell. This saves installation space in particular, but also money and time when assembling a cell of an electrochemical energy converter.
  • a bipolar plate according to the invention can be a separator plate, but also an end plate of a cell.
  • This simplified structure allows the bipolar plate, or in particular the first flow structure and the second flow structure, to be adapted depending on the shape and/or type of electrolyte.
  • the electrolyte and the second flow structure are in contact with each other.
  • the bipolar plate is suitable for use as a cathode and/or anode.
  • the bipolar plate functions particularly well when it is made of a metal, in particular titanium and/or nickel and/or precious metals and/or stainless steel (e.g. 1.4404) and/or a metal with a chemically stable protective layer and/or electrically conductive plastics and/or electrically conductive ceramics.
  • a metal in particular titanium and/or nickel and/or precious metals and/or stainless steel (e.g. 1.4404) and/or a metal with a chemically stable protective layer and/or electrically conductive plastics and/or electrically conductive ceramics.
  • first flow structure and the second flow structure are manufactured in one piece, in particular monolithically.
  • a one-piece bipolar plate is easy to handle and allows precise coordination of the first flow structure and the second flow structure.
  • the first flow structure and the second flow structure can be connected to one another during the manufacturing process.
  • the bipolar plate is preferably manufactured monolithically.
  • the first flow structure has a first number of channels and/or grooves and/or elevations and/or pores for distributing the medium in the first longitudinal direction and that the second flow structure has a second number of channels and/or grooves and/or elevations and/or pores for distributing the medium in the second longitudinal direction and/or the transverse direction.
  • the type of the first flow structure and the second flow structure determines the speed of the medium when it flows through them.
  • the first and second flow structures are to be arranged in such a way that the medium has to change direction when moving from the first flow structure to the second flow structure.
  • the channels and/or grooves and/or elevations and/or pores of the respective flow structure can therefore be combined with one another as desired. Equipping the first and second flow structures with channels and/or grooves and/or elevations and/or pores creates a flow of the medium through the bipolar plate in such a way that a porous transport layer is no longer necessary.
  • the second flow structure is arranged at an angle of 10° to 170°, preferably 30° to 150°, more preferably 45° to 135°, to the first flow structure.
  • the flow structures run straight, wavy or obliquely in relation to a surface.
  • the second flow structure can have a wave-shaped course of channels and/or grooves and run obliquely over a surface spanned by the first flow structure.
  • the ratio of the first number to the second number is 1:1 to 5, preferably 1:1.5 to 4.4, more preferably 1:1.75 to 4.
  • first number of the first flow structure differs from the second number of the second flow structure. It is particularly advantageous if the first number of the first flow structure is lower than the second number of the second flow structure. The higher the second number of the second flow structure, the more edges are in contact with the electrolyte when assembled, so that the reaction is optimized because it can be carried out in an optimized manner at these edges. It would also be conceivable if the second number of the second flow structure resulted from a bifurcation of the first number of the first flow structure. It is conceivable that there are further bifurcations, i.e. branches, within the second flow structure in order to ensure a broad distribution of the medium.
  • the second flow structure has a catalyst layer on a side facing away from the first flow structure.
  • the catalyst layer leads to an improved reaction within a cell in an electrochemical energy converter.
  • the amount of catalyst material can be determined in advance. Furthermore, catalyst material can be saved by specifying the area to be coated, which in turn reduces costs.
  • the catalyst material of the catalyst layer can contain a platinum metal or an alloyed platinum metal or a platinum metal alloyed with less noble metals.
  • the elements of groups 8 to 10 of the 5th period (the "light platinum metals”: ruthenium, rhodium, palladium) and the elements of groups 8 to 10 of the 6th period (the "heavy platinum metals”: osmium, iridium, platinum) are referred to as platinum metals or platinoids.
  • the catalyst layer can have a layer thickness of less than 100 pm, preferably less than 1000 nm, more preferably less than 100 nm.
  • a method according to the invention for producing a bipolar plate as described above for a cell of an electrochemical energy converter comprising the following steps:
  • the bipolar plate can be any type of the bipolar plate.
  • the bipolar plate can be any type of the bipolar plate.
  • the bipolar plate can be any type of the bipolar plate.
  • bipolar plate to be manufactured depending on the requirements of its structural design.
  • the production can therefore be adapted to the structural design, the material and/or the desired costs.
  • the bipolar plate can then be cleaned by sputtering, in particular ion beam sputtering, or reactive ion etching or chemical cleaning or pickling or a chemical bath or a chemical bath with ultrasound.
  • a catalyst layer is applied to a side of the second flow structure facing away from the first flow structure.
  • the catalyst layer leads to an improved reaction within a cell in an electrochemical energy converter.
  • the amount of catalyst material can be determined in advance. Furthermore, catalyst material can be saved by specifying the area to be coated, which in turn reduces costs.
  • the catalyst material of the catalyst layer can contain a platinum metal or an alloyed platinum metal or a platinum metal alloyed with less noble metals or a platinum group metal doped with one or more elements of the periodic table of elements.
  • the elements of groups 8 to 10 of the 5th period (the "light platinum metals”: ruthenium, rhodium, palladium) and the elements of groups 8 to 10 of the 6th period (the “heavy platinum metals”: osmium, iridium, platinum) are referred to as platinum metals or platinoids.
  • the catalyst layer it is optionally possible for the catalyst layer to be applied to the second side of the second flow structure by means of physical vapor deposition, chemical vapor deposition, atomic layer deposition, spray coating, electrochemical coating or plasma spray coating.
  • the invention discloses an energy converter having an anode side, wherein the anode side has a first bipolar plate as described above and/or manufactured as above, and with a cathode side, wherein the cathode side has a second bipolar plate as described above and/or manufactured as above, and with an electrolyte, wherein the electrolyte is arranged between the second flow structure of the first bipolar plate and the second flow structure of the second bipolar plate
  • the electrolyte is arranged between the second flow structure of the first bipolar plate and the second flow structure of the second bipolar plate in such a way that the reactants can move back and forth between the anode side and the cathode side when the cell is in operation.
  • the electrolyte can be, for example, a proton exchange membrane (PEM) or an anion exchange membrane (AEM).
  • the cells or bipolar plates do not have a porous transport layer, the cells are reduced in their dimensions and still have a high level of energy efficiency.
  • the second flow structure has a first catalyst layer on a side facing away from the first flow structure of the first bipolar plate and the second flow structure has a second catalyst layer on a side facing away from the first flow structure of the second bipolar plate, wherein the electrolyte is arranged between the first catalyst layer and the second catalyst layer.
  • the catalyst layer leads to an improved reaction within a cell in an electrochemical energy converter.
  • the material of the first catalyst layer and the second catalyst layer is the same or different.
  • the catalyst material of the catalyst layer a platinum metal or an alloyed platinum metal or a platinum metal alloyed with less noble metals or a platinum group metal doped with one or more elements of the periodic table of elements.
  • the elements of groups 8 to 10 of the 5th period (the "light platinum metals”: ruthenium, rhodium, palladium) and the elements of groups 8 to 10 of the 6th period (the "heavy platinum metals”: osmium, iridium, platinum) are referred to as platinum metals or platinoids.
  • the invention relates to an electrochemical energy converter according to the invention having a plurality of cells as described above.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a bipolar plate according to the invention
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a bipolar plate according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of a method for producing a bipolar plate according to the invention
  • Figure 4 is a schematic representation of a cell for an electrochemical energy converter with a bipolar plate according to the invention
  • Figure 5 is a schematic representation of an electrochemical energy converter.
  • Fig. 1 and Fig. 2 show a bipolar plate 10 for a cell 11 of an electrochemical energy converter 12.
  • the bipolar plate 10 is equipped with a first flow structure 13 and with a second flow structure 14 adjacent to the first flow structure 13.
  • the first flow structure 13 and the second flow structure 14 are arranged on one side of the bipolar plate 10.
  • the first flow structure 13 is designed to distribute a medium along a first longitudinal direction X1 of the bipolar plate 10
  • the second flow structure 14 is designed to distribute the medium coming from the first flow structure 13 in a second longitudinal direction X2 and/or a transverse direction Y of the bipolar plate 10.
  • the first flow structure 13 and the second flow structure 14 are one-piece. This means that the first flow structure 13 and the second flow structure 14 were connected to one another in the manufacturing process, as shown in Fig. 1, or they were manufactured monolithically, as shown in Fig. 2.
  • the first flow structure 13 of the bipolar plate 10 has a first number 15 of channels 16.
  • the second flow structure 14 of the bipolar plate 10 has a second number 20 of grooves 17.
  • Grooves 17 are significantly narrower in hydraulic cross-section than channels 16 and can have lower side walls.
  • the first flow structure 13 has a first number 15 of grooves 17 and the second flow structure 14 has elevations 18 which run obliquely, i.e. at an angle between 45° and 135° to the first flow structure 13.
  • Both the arrangements of the structures of the first flow structure 13 and second flow structure 14 according to the first embodiment Fig. 1 and the arrangements of the structures of the first flow structure 13 and second flow structure 14 according to the second embodiment Fig. 2 serve to distribute the medium in the second longitudinal direction X2 and/or the transverse direction Y.
  • the ratio of the first number 15 to the second number 20 is 1:1 to 5, preferably 1:1.5 to 4.4, more preferably 1:1.75 to 4.
  • the second flow structure 14 has a catalyst layer 21 on a side facing away from the first flow structure 13.
  • this catalyst layer 21 is a platinum metal and in Fig. 2, the catalyst layer 21 is an alloyed platinum metal.
  • a catalyst layer 21 is applied 140 to a side of the second flow structure 14 facing away from the first flow structure 13.
  • the catalyst layer 21 can be applied 140 to the second side of the second flow structure 14 by means of physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), spray coating, electrochemical coating or plasma spray coating.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • spray coating electrochemical coating or plasma spray coating.
  • the catalyst layer 21 was applied by means of physical vapor deposition PVD and in the embodiment according to Fig. 2, the catalyst layer 21 was applied by means of spray coating.
  • Fig. 4 shows a cell 11 for an electrochemical energy converter 12.
  • the cell 11 has an anode side 22, wherein the anode side 22 has a first bipolar plate 10, for example according to one of Fig. 1 or 2 and/or produced according to a method 100 according to Fig.
  • cathode side 23 wherein the cathode side 23 has a first bipolar plate 10, for example according to one of Fig. 1 or 2 and/or produced according to a method 100 according to Fig. 3, and with an electrolyte 24, wherein the electrolyte 24 is arranged between the second flow structure 14 of the first bipolar plate 10 and the second flow structure 14 of the second bipolar plate 10.
  • the second flow structure 14 has a first catalyst layer 21 on a side facing away from the first flow structure 13 of the first bipolar plate 10, and the second flow structure 14 has a second catalyst layer 21 on a side facing away from the first flow structure 13 of the second bipolar plate 10, wherein the electrolyte 24 is arranged between the first catalyst layer 21 and the second catalyst layer 21.
  • the materials of the first catalyst layer 21 and the second catalyst layer 21 are the same. However, it is conceivable that the materials of the first and second catalyst layers 21 are different.
  • the material of the catalyst layer 21 can be selected depending on the location of the material, i.e. whether it is used on the anode side 22 or the cathode side 23.
  • Fig. 5 shows an electrochemical energy converter 12 with a plurality of cells 11 according to Fig. 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (10) für eine Zelle (11) eines elektrochemischen Energiewandlers (12), mit einer ersten Strömungsstruktur (13) und mit einer zu der ersten Strömungsstruktur (13) benachbarten zweiten Strömungsstruktur (14), wobei die erste und die zweite Strömungsstruktur (14) auf einer Seite der Bipolarplatte (10) angeordnet sind, wobei die erste Strömungsstruktur (13) ausgelegt ist, ein Medium entlang einer ersten Längsrichtung (X1) der Bipolarplatte (10) zu verteilen und, wobei die zweite Strömungsstruktur (14) ausgelegt ist, das von der ersten Strömungsstruktur (13) kommende Medium in einer zweiten Längsrichtung (X2) und/oder einer Querrichtung (Y) der Bipolarplatte (10) zu verteilen.

Description

Beschreibung
Bipolarplatte, Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte, Zelle sowie elektrochemischer Energiewandler
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 , ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 6, eine Zelle mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 sowie einen elektrochemischen Energiewandler mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12.
In den derzeit bekannten Zellen für Elektrolyseure oder Brennstoffzellen werden sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite poröse Transportschichten eingesetzt, um die Medien von der Bipolarplatte zu dem jeweils vorliegenden Elektrolyt zu verteilen. Diese bestehen, wie der Name schon sagt, aus porösen Materialien, sodass der Strömungsweg des Mediums durch diese oftmals nicht genau bestimmt werden kann. Ferner sind diese in ihrer Herstellung aufwendig und aufgrund der Materialien preisintensiv. Aufgrund der Porosität lässt sich oftmals die mit einem Katalysator zu beschichtende Oberfläche nicht genau bestimmen und auch nicht vollständig beschichten. Zusätzlich ist aufgrund der porösen Struktur der Kontakt zu einem mit einem Katalysator beschichteten Bauteil ist aufgrund nicht genau bestimmbar. Dies wirkt sich negativ auf die Funktionsweise aus.
Die Erfindung beansprucht eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 6, durch eine Zelle mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 sowie durch einen elektrochemischen Energiewandler mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle und/oder im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandler und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist eine Bipolarplatte für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers, mit einer ersten Strömungsstruktur und mit einer zu der ersten Strömungsstruktur benachbarten zweiten Strömungsstruktur, wobei die erste und die zweite Strömungsstruktur auf einer Seite der Bipolarplatte angeordnet sind, wobei die erste Strömungsstruktur ausgelegt ist, ein Medium entlang einer ersten Längsrichtung der Bipolarplatte zu verteilen und, wobei die zweite Strömungsstruktur ausgelegt ist, das von der ersten Strömungsstruktur kommende Medium in einer zweiten Längsrichtung und/oder einer Querrichtung der Bipolarplatte zu verteilen.
Die in einem elektrochemischen Energiewandler durchgeführten chemischen Reaktionen werden entlang der ersten, aber vor allem entlang der zweiten Strömungsstruktur ablaufen. Dabei wird das Medium durch die Verteilung in die zweite Längsrichtung und die Querrichtung zu dem Elektrolyt geführt bzw. verteilt. Aufgrund dieser konstruktiven Gestaltung kann bei einem Einsatz dieser Bipolarplatte in einer Zelle auf die poröse Transportschicht, d. h., auf den Gas- Diffusion-Layer, verzichtet werden. Dies spart vor allem Bauraum, aber auch Geld und Zeit beim Zusammenbau einer Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers.
Bei der Gestaltung und Anordnung der ersten Strömungsstruktur zu der zweiten Strömungsstruktur, ist es vorteilhaft, wenn diese so ausgelegt und einander zugeordnet sind, dass sich die Richtung des Mediums ändern muss. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn so viele Kanten und/oder Flächen der zweiten Strömungsstruktur wie möglich in Kontakt mit dem Elektrolyt sind. Dies führt zu einer optimalen Reaktion bzw. Bildung der Reaktanden. Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte kann hier eine Separatorplatte, aber auch eine Endplatte einer Zelle sein.
Durch diesen vereinfachten Aufbau kann die Bipolarplatte bzw. vor allem die erste Strömungsstruktur und die zweite Strömungsstruktur in Abhängigkeit der Form und/oder der Art des Elektrolyts angepasst werden. Dabei stehen im Einbauzustand bzw. in einer zusammengebauten Zelle der Elektrolyt und die zweite Strömungsstruktur miteinander in Kontakt. Die Bipolarplatte eignet sich für den Einsatz als Kathode und/oder Anode.
Eine besonders gute Funktionsweise der Bipolarplatte liegt vor, wenn die Bipolarplatte aus einem Metall, insbesondere Titan und/oder Nickel und/oder Edelmetalle und/oder rostfreier Stahl (z.B. 1.4404) und/oder einem Metall mit einer chemisch stabilen Schutzschicht und/oder elektrisch leitfähigen Kunststoffe und/oder elektrisch leitfähige Keramiken besteht.
Im Rahmen der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass die erste Strömungsstruktur und die zweite Strömungsstruktur einstückig, insbesondere monolithisch hergestellt, sind.
Eine einstückige Bipolarplatte lässt sich einfach handhaben und ermöglicht ein genaues Abstimmen der ersten Strömungsstruktur und der zweiten Strömungsstruktur zueinander.
Dabei können die erste Strömungsstruktur und die zweite Strömungsstruktur im Herstellungsprozess miteinander verbunden werden. Vorzugsweise ist die Bipolarplatte monolithisch gefertigt.
Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass die erste Strömungsstruktur eine erste Anzahl an Kanälen und/oder Rillen und/oder Erhebungen und/oder Poren zur Verteilung des Mediums in der ersten Längsrichtung aufweist und, dass die zweite Strömungsstruktur eine zweite Anzahl an Kanälen und/oder Rillen und/oder Erhebungen und/oder Poren zur Verteilung des Mediums in der zweiten Längsrichtung und/oder der Querrichtung aufweist. Die Art der ersten Strömungsstruktur und der zweiten Strömungsstruktur bestimmt die Geschwindigkeit des Mediums, wenn es durch diese fließt. Dabei sind die erste und die zweite Strömungsstruktur so zueinander anzuordnen, dass das Medium bei dem Übergang von der ersten Strömungsstruktur zu der zweiten Strömungsstruktur seine Richtung ändern muss. Demnach können die Kanäle und/oder Rillen und/oder Erhebungen und/oder Poren der jeweiligen Strömungsstruktur beliebig miteinander kombiniert werden. Das Ausstatten der ersten und zweiten Strömungsstruktur mit Kanälen und/oder Rillen und/oder Erhebungen und/oder Poren erzeugt dabei so eine Strömung des Mediums durch die Bipolarplatte, dass eine poröse Transportschicht nicht mehr notwendig ist.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die zweite Strömungsstruktur in einem Winkel von 10° bis 170°, vorzugsweise 30° bis 150°, weiter vorzugsweise 45° bis 135°, zu der ersten Strömungsstruktur angeordnet ist.
Denkbar ist dabei, dass die Strömungsstrukturen gerade, wellig oder schräg in Bezug auf eine Fläche verlaufen. Beispielsweise kann die zweite Strömungsstruktur einen wellenförmigen Verlauf von Kanälen und/oder Rillen aufweisen und schräg über eine über die erste Strömungsstruktur aufgespannten Fläche verlaufen.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Verhältnis der ersten Anzahl zu der zweiten Anzahl 1 :1 bis 5, vorzugsweise 1 :1 ,5 bis 4,4, weiter vorzugsweise 1 :1 ,75 bis 4, ist.
Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn sich die erste Anzahl der ersten Strömungsstruktur von der zweiten Anzahl der zweiten Strömungsstruktur unterscheidet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste Anzahl der ersten Strömungsstruktur geringer ist als die zweite Anzahl der zweiten Strömungsstruktur. Je höher die zweite Anzahl der zweiten Strömungsstruktur ist, desto mehr Kanten sind im zusammengebauten Zustand in Kontakt mit dem Elektrolyt, sodass die Reaktion optimiert ist, da diese an diesen Kanten optimiert durchgeführt werden kann. Denkbar wäre hier auch, wenn sich die zweite Anzahl der zweiten Strömungsstruktur aus einer Bifurkation der ersten Anzahl der ersten Strömungsstruktur ergibt. Dabei ist es denkbar, dass innerhalb der zweiten Strömungsstruktur weitere Bifurkationen, also Verästelungen vorliegen, um eine breite Verteilung des Mediums zu gewährleisten.
Es ist ferner denkbar, dass die zweite Strömungsstruktur auf einer der ersten Strömungsstruktur abgewandten Seite eine Katalysatorschicht aufweist.
Die Katalysatorschicht führt zu einer verbesserten Reaktion innerhalb einer Zelle in einem elektrochemischen Energiewandler.
Durch den gerichteten Auftrag des Katalysatormaterials als Katalysatorschicht auf eine vorhersehbare Fläche lässt sich die Menge des Katalysatormaterials bereits vorherbestimmen. Ferner kann durch die vorgegebene zu beschichtende Fläche Katalysatormaterial gespart werden, wodurch wiederum Kosten reduziert werden.
Da die Menge an Katalysatormaterial reduziert und deren Auftrag optimiert werden kann, ist es denkbar reinere Materialien und dünnere Schichten als Katalysatorschicht zu verwenden. Die Nutzung reinerer Materialien wirkt sich positiv auf die Effizienz und Funktionsweise des gesamten elektrochemischen Energiewandlers aus. Dabei kann das Katalysatormaterial der Katalysatorschicht ein Platinmetall oder ein legiertes Platinmetall oder ein mit unedleren Metallen legiertes Platinmetall aufweisen. Als Platinmetalle oder Platinoide werden die Elemente der Gruppen 8 bis 10 der 5. Periode (die „leichten Platinmetalle“: Ruthenium, Rhodium, Palladium) und die Elemente der Gruppen 8 bis 10 der 6. Periode (die „schweren Platinmetalle“: Osmium, Iridium, Platin) bezeichnet.
Die Katalysatorschicht kann eine Schichtdicke kleiner als 100pm, vorzugsweise kleiner als 1000 nm, weiter vorzugsweise kleiner als 100nm, aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Katalysatorschicht einstückig und fest an der zweiten Strömungsstruktur ist. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer wie oben beschriebenen Bipolarplatte für eine Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers beansprucht, aufweisend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines Grundmaterials der Bipolarplatte,
- Erzeugen der ersten Strömungsstruktur aus dem Grundmaterial, und
- Erzeugen der zweiten Strömungsstruktur benachbart zu der ersten Strömungsstruktur, wobei die zweite Strömungsstruktur mit der ersten Strömungsstruktur verbunden ist/wird.
Beispielsweise kann die Bipolarplatte durch
- Laserfräsen der gesamten Bipolarplatte oder einzelnen Elemente, insbesondere der ersten und zweiten Strömungsstruktur, und/oder
- Umformen des Grundmaterials der Bipolarplatte und/oder
- 3D Druck und/oder
- Sintern und/oder
- Gießen und/oder
- Verschweißen oder Verkleben einzelner Elemente, beispielsweise der ersten und zweiten Strömungsstruktur, und/oder
Prägen und/oder Ziehen vom Ausgangsmaterial entweder in der vorgefertigten Außengeometrie oder aber im Rollverfahren von einer Blechrolle und/oderhergestellt werden.
Dies ermöglicht eine Herstellung der Bipolarplatte in Abhängigkeit der Anforderungen an deren konstruktive Gestaltung. Die Herstellung kann also an den konstruktiven Aufbau, das Material und/oder die gewünschten Kosten angepasst werden.
Anschließend kann die Bipolarplatte mittels Sputtern, insbesondere lonenstrahlsputtern, oder reaktives lonenätzen oder chemisches Reinigen oder Beizen oder einem chemischen Bad oder einem chemischen Bad mit Ultraschall gereinigt werden.
Auch ist es denkbar, dass auf einer der ersten Strömungsstruktur abgewandten Seite der zweiten Strömungsstruktur eine Katalysatorschicht aufgebracht wird. Die Katalysatorschicht führt zu einer verbesserten Reaktion innerhalb einer Zelle in einem elektrochemischen Energiewandler.
Durch den gerichteten Auftrag des Katalysatormaterials als Katalysatorschicht auf eine vorhersehbare Fläche lässt sich die Menge des Katalysatormaterials bereits vorherbestimmen. Ferner kann durch die vorgegebene zu beschichtende Fläche Katalysatormaterial gespart werden, wodurch wiederum Kosten reduziert werden.
Da die Menge an Katalysatormaterial reduziert und deren Auftrag optimiert werden kann, ist es denkbar reinere Materialien und dünnere Schichten als Katalysatorschicht zu verwenden. Die Nutzung reinerer Materialien wirkt sich positiv auf die Effizienz und Funktionsweise des gesamten elektrochemischen Energiewandlers aus. Dabei kann das Katalysatormaterial der Katalysatorschicht ein Platinmetall oder ein legiertes Platinmetall oder ein mit unedleren Metallen legiertes Platinmetall oder ein mit einem oder mehreren Elementen des Periodensystems der Elemente dotiertes Platingruppenmetall aufweisen. Als Platinmetalle oder Platinoide werden die Elemente der Gruppen 8 bis 10 der 5. Periode (die „leichten Platinmetalle“: Ruthenium, Rhodium, Palladium) und die Elemente der Gruppen 8 bis 10 der 6. Periode (die „schweren Platinmetalle“: Osmium, Iridium, Platin) bezeichnet.
Im Rahmen der Erfindung ist es optional möglich, dass die Katalysatorschicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung, Atomlagenabscheidung, Sprühbeschichtung, elektrochemische Beschichtung oder Plasmasprühbeschichtung auf die zweite Seite der zweiten Strömungsstruktur aufgebracht wird.
Dies ermöglicht einen genauen Auftrag der Katalysatorschicht, sodass die Menge auch dadurch reduziert werden kann.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung offenbart die Erfindung einen Energiewandler, mit einer Anodenseite, wobei die Anodenseite eine erste wie oben beschriebene und/oder wie oben hergestellte Bipolarplatte aufweist, und mit einer Kathodenseite, wobei die Kathodenseite eine zweite wie oben beschriebene und/oder wie oben hergestellte Bipolarplatte aufweist, und mit einem Elektrolyt, wobei der Elektrolyt zwischen der zweiten Strömungsstruktur der ersten Bipolarplatte und der zweiten Strömungsstruktur der zweiten Bipolarplatte so angeordnet ist
Demnach ist der Elektrolyt so zwischen der zweiten Strömungsstruktur der ersten Bipolarplatte und der zweiten Strömungsstruktur der zweiten Bipolarplatte angeordnet, dass sich im Betrieb der Zelle die Reaktanden zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite hin- und herbewegen können. Bei dem Elektrolyt kann es sich beispielsweise um eine Protonenaustauschmembran (PEM) oder eine Anionenaustauschmembran (AEM) handeln.
Da bei den Zellen bzw. bei den Bipolarplatten auf die poröse Transportschicht verzichtet wird, sind die Zellen in ihren Abmessungen reduziert und weisen trotzdem eine hohe Energieeffizienz auf.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die zweite Strömungsstruktur auf einer der ersten Strömungsstruktur der ersten Bipolarplatte abgewandten Seite eine erste Katalysatorschicht aufweist und die zweite Strömungsstruktur auf einer der ersten Strömungsstruktur der zweiten Bipolarplatte abgewandten Seite eine zweite Katalysatorschicht aufweist, wobei der Elektrolyt zwischen der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht angeordnet ist.
Die Katalysatorschicht führt zu einer verbesserten Reaktion innerhalb einer Zelle in einem elektrochemischen Energiewandler.
In Bezug auf die vorliegende Erfindung ist es vorstellbar, dass das Material der ersten Katalysatorschicht und der zweiten Katalysatorschicht gleich oder unterschiedlich ist.
Dabei können aufgrund der geringeren Dicke und des direkten Auftrags der Katalysatorschicht auf die zweite Strömungsstruktur reinere Materialien verwendet werden. Dabei kann das Katalysatormaterial der Katalysatorschicht ein Platinmetall oder ein legiertes Platinmetall oder ein mit unedleren Metallen legiertes Platinmetall oder ein mit einem oder mehreren Elementen des Periodensystems der Elemente dotiertes Platingruppenmetall aufweisen. Als Platinmetalle oder Platinoide werden die Elemente der Gruppen 8 bis 10 der 5. Periode (die „leichten Platinmetalle“: Ruthenium, Rhodium, Palladium) und die Elemente der Gruppen 8 bis 10 der 6. Periode (die „schweren Platinmetalle“: Osmium, Iridium, Platin) bezeichnet.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung betrifft die Erfindung einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandler mit einer Vielzahl von Zellen, wie sie oben beschrieben wurden.
Dies führt zu einem effizienten elektrochemischen Energiewandler.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist die Erfindung in den folgenden Figuren gezeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Zelle für einen elektrochemischen Energiewandler mit einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, Figur 5 eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Energiewandlers.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist eine Bipolarplatte 10 für eine Zelle 11 eines elektrochemischen Energiewandlers 12 dargestellt. Dabei ist die Bipolarplatte 10 mit einer ersten Strömungsstruktur 13 und mit einer zu der ersten Strömungsstruktur 13 benachbarten zweiten Strömungsstruktur 14 ausgestattet. Dabei sind die erste Strömungsstruktur 13 und die zweite Strömungsstruktur 14 auf einer Seite der Bipolarplatte 10 angeordnet. Die erste Strömungsstruktur 13 ist ausgelegt, ein Medium entlang einer ersten Längsrichtung X1 der Bipolarplatte 10 zu verteilen und, die zweite Strömungsstruktur 14 ist ausgelegt, das von der ersten Strömungsstruktur 13 kommende Medium in einer zweiten Längsrichtung X2 und/oder einer Querrichtung Y der Bipolarplatte 10 zu verteilen.
Bei den Bipolarplatten 10 gemäß der Fig. 1 und Fig. 2 sind die erste Strömungsstruktur 13 und die zweite Strömungsstruktur 14 einstückig. Das heißt die erste Strömungsstruktur 13 und die zweite Strömungsstruktur 14 wurden im Herstellungsprozess miteinander verbunden, wie in Fig. 1 dargestellt, oder sie wurden monolithisch hergestellt, wie in Fig. 2 dargestellt.
In Fig.1 weist die erste Strömungsstruktur 13 der Bipolarplatte 10 eine erste Anzahl 15 an Kanälen 16 auf. Die zweite Strömungsstruktur 14 der Bipolarplatte 10 weist eine zweite Anzahl 20 an Rillen 17 auf. Rillen 17 sind dabei wesentlich schmaler im hydraulischen Querschnitt als Kanäle 16 und können niedrigere Seitenwände aufweisen.
In Fig. 2 weist die erste Strömungsstruktur 13 eine erste Anzahl 15 an Rillen 17 auf und die zweite Strömungsstruktur 14 weist Erhebungen 18 auf, welche schräg, also in einem Winkel zwischen 45° bis 135° zu der ersten Strömungsstruktur 13 verlaufen.
Sowohl die Anordnungen der Strukturen der ersten Strömungsstruktur 13 und zweiten Strömungsstruktur 14 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiels Fig. 1 als auch die Anordnungen der Strukturen der ersten Strömungsstruktur 13 und zweiten Strömungsstruktur 14 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel Fig. 2 dienen der Verteilung des Mediums in der zweiten Längsrichtung X2 und/oder der Querrichtung Y.
Dabei ist sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 das Verhältnis der ersten Anzahl 15 zu der zweiten Anzahl 20 1 :1 bis 5, vorzugsweise 1 :1 ,5 bis 4,4, weiter vorzugsweise 1 :1 ,75 bis 4.
Die zweite Strömungsstruktur 14 weist auf einer der ersten Strömungsstruktur 13 abgewandten Seite eine Katalysatorschicht 21 auf. In Fig. 1 ist diese Katalysatorschicht 21 ein Platinmetall und in Fig. 2 ist die Katalysatorschicht 21 ein legiertes Platinmetall.
In Fig. 3 ist ein Verfahren 100 zum Herstellen einer Bipolarplatte 10 für eine Zelle 11 eines elektrochemischen Energiewandlers 12 gemäß der Fig. 1 oder Fig. 2, aufweisend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen 110 eines Grundmaterials der Bipolarplatte 10,
- Erzeugen 120 der ersten Strömungsstruktur 13 aus dem Grundmaterial, und
- Erzeugen 130 der zweiten Strömungsstruktur 14 benachbart zu der ersten Strömungsstruktur 13, wobei die zweite Strömungsstruktur 14 mit der ersten Strömungsstruktur 13 verbunden isl/wird.
Dabei wird in einem zusätzlichen Schritt auf einer der ersten Strömungsstruktur 13 abgewandten Seite der zweiten Strömungsstruktur 14 eine Katalysatorschicht 21 aufgebracht 140.
Die Katalysatorschicht 21 kann mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD), Sprühbeschichtung, elektrochemische Beschichtung oder Plasmasprühbeschichtung auf die zweite Seite der zweiten Strömungsstruktur 14 aufgebracht 140 werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wurde die Katalysatorschicht 21 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung PVD aufgebracht und im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wurde die Katalysatorschicht 21 mittels Sprühbeschichtung aufgebracht. In Fig. 4 ist eine Zelle 11 für einen elektrochemischen Energiewandler 12 dargestellt. Die Zelle 11 weist eine Anodenseite 22, wobei die Anodenseite 22 eine erste Bipolarplatte 10, beispielsweise nach einer der Fig.1 oder 2 und/oder hergestellt nach einem Verfahren 100 gemäß Fig. 3, aufweist, und eine Kathodenseite 23, wobei die Kathodenseite 23 eine erste Bipolarplatte 10, beispielsweise nach einer der Fig. 1 oder 2 und/oder hergestellt nach einem Verfahren 100 gemäß Fig. 3, aufweist, und mit einem Elektrolyt 24, wobei der Elektrolyt 24 zwischen der zweiten Strömungsstruktur 14 der ersten Bipolarplatte 10 und der zweiten Strömungsstruktur 14 der zweiten Bipolarplatte 10 angeordnet ist.
Für ein besseres Verständnis werden in Fig. 4 die Strömungsstrukturen der Bipolarplatten 10 der Zelle 11 nur schematisch dargestellt. Hier können, wie beschrieben, die Strömungsstrukturen wie sie oben beschrieben wurden verwendet und miteinander kombiniert werden.
Für eine verbesserte Funktion weist die zweite Strömungsstruktur 14 auf einer der ersten Strömungsstruktur 13 der ersten Bipolarplatte 10 abgewandten Seite eine erste Katalysatorschicht 21 auf und die zweite Strömungsstruktur 14 auf einer der ersten Strömungsstruktur 13 der zweiten Bipolarplatte 10 abgewandten Seite eine zweite Katalysatorschicht 21 auf, wobei der Elektrolyt 24 zwischen der ersten Katalysatorschicht 21 und der zweiten Katalysatorschicht 21 angeordnet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Materialien der ersten Katalysatorschicht 21 und der zweiten Katalysatorschicht 21 gleich. Denkbar ist es allerdings, dass die Materialien der ersten und zweiten Katalysatorschicht 21 unterschiedlich sind. Das Material der Katalysatorschicht 21 kann dabei in Abhängigkeit des Einsatzortes des Materials, also ob es auf der Anodenseite 22 oder der Kathodenseite 23 zum Einsatz kommt, gewählt werden.
In Fig. 5 ist ein elektrochemischer Energiewandler 12 mit einer Vielzahl von Zellen 11 gemäß Fig. 4 dargestellt.

Claims

Ansprüche
1 . Bipolarplatte (10) für eine Zelle (11) eines elektrochemischen
Energiewandlers (12), mit einer ersten Strömungsstruktur (13) und mit einer zu der ersten Strömungsstruktur (13) benachbarten zweiten Strömungsstruktur (14), wobei die erste und die zweite Strömungsstruktur (14) auf einer Seite der Bipolarplatte (10) angeordnet sind, wobei die erste Strömungsstruktur (13) ausgelegt ist, ein Medium entlang einer ersten Längsrichtung (X1) der Bipolarplatte (10) zu verteilen und, wobei die zweite Strömungsstruktur (14) ausgelegt ist, das von der ersten Strömungsstruktur (13) kommende Medium in einer zweiten Längsrichtung (X2) und/oder einer Querrichtung (Y) der Bipolarplatte (10) zu verteilen.
2. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsstruktur (13) und die zweite Strömungsstruktur (14) einstückig, insbesondere monolithisch hergestellt, sind.
3. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsstruktur (13) eine erste Anzahl (15) an Kanälen (16) und/oder Rillen (17) und/oder Erhebungen (18) und/oder Poren zur Verteilung des Mediums in der ersten Längsrichtung (X1) aufweist und, dass die zweite Strömungsstruktur (14) eine zweite Anzahl (20) an Kanälen (16) und/oder Rillen (17) und/oder Erhebungen (18) und/oder Poren zur Verteilung des Mediums in der zweiten Längsrichtung (X2) und/oder der Querrichtung (Y) aufweist. Bipolarplatte (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der ersten Anzahl (15) zu der zweiten Anzahl (20) 1 :1 bis 5, vorzugsweise 1 :1 ,5 bis 4,4, weiter vorzugsweise 1 :1 ,75 bis 4, ist. Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strömungsstruktur (14) auf einer der ersten Strömungsstruktur (13) abgewandten Seite eine Katalysatorschicht (21) aufweist. Verfahren (100) zum Herstellen einer Bipolarplatte (10) für eine Zelle (11) eines elektrochemischen Energiewandlers (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen (110) eines Grundmaterials der Bipolarplatte (10),
- Erzeugen (120) der ersten Strömungsstruktur (13) aus dem Grundmaterial, und
- Erzeugen (130) der zweiten Strömungsstruktur (14) benachbart zu der ersten Strömungsstruktur (13), wobei die zweite Strömungsstruktur (14) mit der ersten Strömungsstruktur (13) verbunden ist/wird. Verfahren (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der ersten Strömungsstruktur (13) abgewandten Seite der zweiten Strömungsstruktur (14) eine Katalysatorschicht (21) aufgebracht (140) wird. Verfahren (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorschicht (21) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD), Sprühbeschichtung, elektrochemische Beschichtung oder Plasmasprühbeschichtung auf die zweite Seite der zweiten Strömungsstruktur (14) aufgebracht (140) wird. Zelle (11) für einen elektrochemischen Energiewandler, mit einer Anodenseite (22), wobei die Anodenseite (22) eine erste Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder hergestellt nach einem der Ansprüche 6 bis 8 aufweist, und mit einer Kathodenseite (23), wobei die Kathodenseite (23) eine zweite Bipolarplatte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder hergestellt nach einem der Ansprüche 6 bis 8 aufweist, und mit einem Elektrolyt (24), wobei der Elektrolyt (24) zwischen der ersten Strömungsstruktur (13) der ersten Bipolarplatte (10) und der zweiten Strömungsstruktur (14) der zweiten Bipolarplatte (10) angeordnet ist Zelle (11) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strömungsstruktur (14) auf einer der ersten Strömungsstruktur (13) der ersten Bipolarplatte (10) abgewandten Seite eine erste Katalysatorschicht (21) aufweist und die zweite Strömungsstruktur (14) auf einer der ersten Strömungsstruktur (13) der zweiten Bipolarplatte (10) abgewandten Seite eine zweite Katalysatorschicht (21) aufweist, wobei der Elektrolyt (24) zwischen der ersten Katalysatorschicht (21) und der zweiten Katalysatorschicht (21) angeordnet ist. Zelle (11) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Katalysatorschicht (21) und der zweiten Katalysatorschicht (21) gleich oder unterschiedlich ist. Elektrochemischer Energiewandler mit einer Vielzahl von Zellen (11 ) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11.
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