DE102013213015A1 - Method for producing a bipolar plate and bipolar plate for an electrochemical cell - Google Patents

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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.In order to provide a method for producing a bipolar plate by means of which a mechanically and chemically stably formed bipolar plate can be produced inexpensively, it is proposed that the method for producing a bipolar plate comprises: providing a substrate; Applying a layer to the substrate in a plasma spraying process; and sealing the layer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte.The present invention relates to a method for producing a bipolar plate.

Bipolarplatten finden beispielsweise in elektrochemischen Zellen, insbesondere in Brennstoffzellen und Elektrolysezellen, Verwendung und dienen vorzugsweise der Zellkontaktierung sowie der Verteilung von Betriebsgasen.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.

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.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.

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.This object is achieved according to the invention by a method for producing a bipolar plate, the method comprising: providing a substrate; Applying a layer to the substrate in a plasma spraying process; Sealing the layer.

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.Since a substrate is provided with a layer in the method according to the invention, 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.

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 (SnO2:F), Wolframcarbid (WC) und/oder Gold (Au) umfasst oder aus einem oder mehreren dieser Materialien gebildet ist.In one embodiment of the invention can be provided that a layer is applied to the substrate, which titanium (Ti), titanium nitrite (TiN), tantalum nitride (TaN), fluorine-doped selenium oxide (SnO 2 : F), tungsten carbide (WC) and or gold (Au) or is formed from one or more of these materials.

Insbesondere durch ein zumindest teilweises Auffüllen von Poren der Schicht mit einem Füllmaterial kann eine Versiegelung der Schicht und/oder des Substrats erzielt werden.In particular, by at least partial filling of pores of the layer with a filling material, a sealing of the layer and / or the substrate can be achieved.

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.In one embodiment of the invention it can be provided that 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.

Das Polymermaterial ist vorzugsweise ein korrosionsbeständiges Polymermaterial.The polymeric material is preferably a corrosion resistant polymeric material.

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.It may be favorable if the 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.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte in einem Vakuumverfahren bearbeitet wird. In particular, it can be provided that the bipolar plate is processed in a vacuum process.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Füllmaterial entlüftet wird, insbesondere um Gaseinschlüsse aus dem Füllmaterial zu entfernen.For example, it can be provided that the filling material is vented, in particular in order to remove gas inclusions from the filling material.

Vorzugsweise wird das Füllmaterial in flüssiger Form in die Poren der Schicht eigebracht.Preferably, the filler material is incorporated into the pores of the layer in liquid form.

Das Füllmaterial härtet vorzugsweise nach dem Einbringen in die Poren aus.The filler preferably cures after being introduced into the pores.

Vorzugsweise wird die Bipolarplatte einem Unterdruck ausgesetzt, insbesondere um unerwünschte Gaseinschlüsse aus dem Füllmaterial zu entfernen, bevor das Füllmaterial aushärtet.Preferably, 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.

Alternativ oder ergänzend zu einem anschließenden Füllen der Poren mittels des Füllmaterials kann vorgesehen sein, dass Füllmaterial in einem Plasmaspritzverfahren appliziert wird.Alternatively or in addition to a subsequent filling of the pores by means of the filling material, it may be provided that filling material is applied in a plasma spraying process.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Füllmaterial in einem Plasmaspritzverfahren auf das Substrat und/oder auf die Schicht appliziert wird.In particular, it may be provided that filling material is applied to the substrate and / or to the layer in a plasma spraying process.

Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn Füllmaterial in einem Plasmaspritzverfahren während des Applizierens der Schicht, insbesondere gemeinsam mit dem Applizieren der Schicht, appliziert wird.It may be particularly advantageous if filling material is applied in a plasma spraying process during the application of the layer, in particular together with the application of the layer.

Die beim Applizieren der Schicht entstehenden Poren werden mittels des gleichzeitig applizieren Füllmaterials vorzugsweise umgehend geschlossen.The pores produced during application of the layer are preferably closed immediately by means of the filling material which is applied simultaneously.

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.In one embodiment of the invention, it may be provided that 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.

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.For example, it can be provided that 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.

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).In particular, it can be provided that 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).

Das Substrat wird vorzugsweise aus einem Stahlmaterial gebildet oder ist aus einem Stahlmaterial gebildet. The substrate is preferably formed of a steel material or is formed of a steel material.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Substrat aus einem Stahlblech gebildet wird oder gebildet ist.In particular, it can be provided that the substrate is formed from a steel sheet or is formed.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Substrat aus einem Edelstahlmaterial, insbesondere aus einem Edelstahlblech, gebildet wird oder gebildet ist.In one embodiment of the invention can be provided that the substrate is formed or formed of a stainless steel material, in particular of a stainless steel sheet.

Günstig kann es sein, wenn das Substrat einseitig oder beidseitig mit mehreren Strömungskanälen versehen wird, insbesondere bevor die Schicht in dem Plasmaspritzverfahren appliziert wird.It may be favorable if 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.

Das, vorzugsweise plattenförmige, Substrat wird hierzu vorzugsweise maschinell bearbeitet, insbesondere durch Fräsen und/oder Umformen, bevor die Schicht appliziert wird.The, preferably plate-shaped, substrate is preferably machined for this purpose, in particular by milling and / or forming, before the layer is applied.

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.It can be provided that 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.

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.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.

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.It can be provided that a powder material, in particular titanium powder, is melted in a vacuum by means of a plasma and applied to the substrate. In this way, a layer with high density and good electrical contact to the substrate can be formed.

Vorteilhaft kann es sein, wenn eine dem Substrat abgewandte Seite, insbesondere Oberfläche, der Schicht mit einer Dünnschicht versehen wird.It may be advantageous if a side facing away from the substrate, in particular the surface, of the layer is provided with a thin layer.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Dünnschicht eine Kontaktierungsschicht zur Optimierung der elektrischen Kontaktierung ist.In particular, it can be provided that the thin film is a contacting layer for optimizing the electrical contacting.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle.The present invention further relates to a bipolar plate for an electrochemical cell.

Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle bereitzustellen, welche mechanisch und chemisch stabil ausgebildet und kostengünstig herstellbar ist.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.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle gelöst, welche ein Substrat umfasst, das mit einer in einem Plasmaspritzverfahren applizierten versiegelten Schicht versehen ist.The object underlying the present invention is achieved by a bipolar plate for an electrochemical cell which comprises a substrate which is provided with a sealed layer applied in a plasma spraying process.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.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.

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.In particular, it can be provided that 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.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die Bipolarplatte ein Substrat umfasst, welches einseitig oder beidseitig mit Strömungskanälen versehen ist.It may be advantageous if the bipolar plate comprises a substrate which is provided on one or both sides with flow channels.

Günstig kann es sein, wenn das Substrat einseitig oder beidseitig im Wesentlichen vollständig mit der Schicht bedeckt ist.It may be favorable if the substrate is covered on one side or on both sides substantially completely with the layer.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle. The bipolar plate according to the invention is particularly suitable for use in an electrochemical cell.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine elektrochemische Zelle, welche mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst.The present invention therefore also relates to an electrochemical cell which comprises at least one bipolar plate according to the invention.

Die elektrochemische Zelle ist insbesondere als eine Elektrolysezelle oder als eine Brennstoffzelle ausgebildet.The electrochemical cell is designed in particular as an electrolysis cell or as a fuel cell.

Vorzugsweise ist die gesamte im Betrieb der elektrochemischen Zelle mit Betriebsfluiden der elektrochemischen Zelle in Kontakt kommende Oberfläche des Substrats mit der Schicht und/oder mit dem Füllmaterial versehen.Preferably, 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.

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: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:

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.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 in the production of the layer is preferably about 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. Preferably, the layer is produced in a multi-layer method, that is to say that the layer to be produced overall is produced by applying a plurality of, preferably very thin, layers.

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.The filler material preferably has a very low viscosity. In particular, it can be provided that the filler material is formed by a resin of very low viscosity (ultra low viscosity resin) and a hardener.

Das Füllmaterial ist vorzugsweise nicht leitend ausgebildet, stabil in saurer Umgebung, selbst bei anliegendem hohen Potential von mehr als beispielsweise ungefähr 2 V, und weist eine Zersetzungstemperatur von mindestens ungefähr 80 °C auf.The filler material is preferably non-conductive, stable in an acidic environment even at high potential applied greater than, for example, about 2 V, and has a decomposition temperature of at least about 80 ° C.

Das zur Herstellung der Schicht verwendete Pulver weist vorzugsweise eine Korngröße von mindestens ungefähr 45 µm auf.The powder used to make the layer preferably has a grain size of at least about 45 μm.

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.In a layer formed as a titanium layer, 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.

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.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.

Die elektrochemische Zelle ist insbesondere eine elektrochemische Zelle mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM).The electrochemical cell is in particular an electrochemical cell with a polymer electrolyte membrane (PEM).

Die in einem Plasmaspritzverfahren auf das Substrat applizierte Schicht kann ihrerseits mit einer weiteren Schicht versehen werden.The layer applied to the substrate in a plasma spraying process can in turn be provided with a further layer.

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.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.

Eine weitere Schicht wird vorzugsweise nach einer Bearbeitung einer dem Substrat abgewandten Oberfläche der in einem Plasmaspritzverfahren applizierten Schicht appliziert.A further layer is preferably applied after processing of a surface facing away from the substrate of the applied in a plasma spraying layer.

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.By way of example, 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.

Insbesondere kann als weitere Schicht eine Goldschicht vorgesehen sein.In particular, a gold layer can be provided as a further layer.

Die weitere Schicht ist insbesondere ein dünner Film eines korrosionsbeständigen Materials, welches eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.The further layer is in particular a thin film of a corrosion-resistant material which has a high electrical conductivity.

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 (SnO2:F), mit Bor dotiertem Siliciumcarbid (SiC:B), dotiertem oder durch Ionenimplantation leitfähigem Titanoxid (TiO2), Diamant und/oder graphitischem Kohlenstoff, beispielsweise dichten Schichten aus Graphit oder Graphen, gebildet.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 (TiO 2 ), diamond and / or graphitic carbon, such as dense layers of graphite or graphene formed.

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.It may be favorable if the layer, in particular the further layer, for example the thin layer, is self-healing, in particular in order to optimize the electrical properties. In particular, it can be preferably prevented in this way that iron ions from the substrate contribute to the poisoning of the electrochemical cell.

Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further preferred features and / or advantages of the invention are the subject of the following description and the drawings of exemplary embodiments.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

1 eine schematische Schnittdarstellung einer elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher eine Bipolarplatte zwischen zwei weiteren Bauteilen der elektrochemischen Vorrichtung angeordnet ist; 1 a schematic sectional view of an electrochemical device in which a bipolar plate is disposed between two other components of the electrochemical device;

2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs II in 1, wobei die Bipolarplatte ein Substrat, eine in einem Plasmaspritzverfahren applizierte Schicht und ein Füllmaterial umfasst; und 2 an enlarged view of the area II in 1 wherein the bipolar plate comprises a substrate, a plasma sprayed layer, and a filler material; and

3 ein Diagramm zur Demonstration der Funktion der Bipolarplatte aus 2. 3 a diagram for demonstrating the function of the bipolar plate 2 ,

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference numerals in all figures.

Eine in den 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.One in the 1 and 2 illustrated embodiment of a whole with 100 is referred to as electrochemical device, for example an electrolysis device 102 designed and includes as such several, for example as electrolysis cells 104 trained, electrochemical cells 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.An electrochemical cell 106 preferably comprises a bipolar plate 108 , by means of which other components 110 the electrochemical cell 106 or adjacent electrochemical cells 106 be electrically contacted with each other.

Die Bipolarplatte 108 ist hierzu insbesondere aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialen gebildet.The bipolar plate 108 For this purpose, it is formed in particular from one or more electrically conductive materials.

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.The bipolar plate 108 includes flow channels 112 , by means of which during operation of the electrochemical device 100 used operating fluids, in particular operating gases, within each electrochemical cell 106 evenly distributed, fed and / or can be removed.

Wie insbesondere 2 zu entnehmen ist, umfasst die Bipolarplatte 108 ein Substrat 114.In particular 2 can be seen, includes the bipolar plate 108 a substrate 114 ,

Das Substrat 114 ist insbesondere plattenförmig ausgebildet und durch eine Bearbeitung desselben mit den Strömungskanälen 112 versehen.The substrate 114 is in particular plate-shaped and by a processing of the same with the flow channels 112 Mistake.

Das Substrat 114 ist beispielsweise aus einem Edelstahlmaterial, insbesondere aus einem Edelstahlblech 122, gebildet.The substrate 114 is for example made of a stainless steel material, in particular of a stainless steel sheet 122 , educated.

Die Bipolarplatte 108 umfasst ferner eine auf dem Substrat 114 angeordnete Schicht 116.The bipolar plate 108 further includes one on the substrate 114 arranged layer 116 ,

Die Schicht 116 ist insbesondere eine Titanschicht und vorzugsweise in einem Plasmaspritzverfahren auf eine Oberfläche 118 des Substrats 114 applizierbar.The layer 116 is in particular a titanium layer and preferably in a plasma spraying process on a surface 118 of the substrate 114 to apply.

Die Schicht 116 ist insbesondere dicht ausgebildet, das heißt, dass die Schicht 116 eine geringe Porosität aufweist.The layer 116 is particularly dense, that is, that the layer 116 has a low porosity.

Poren 124 der Schicht 116 sind mittels eines Füllmaterials 128 gefüllt.pore 124 the layer 116 are by means of a filling material 128 filled.

Die Bipolarplatte 108 der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100 kann beispielsweise wie folgt hergestellt werden:The bipolar plate 108 in the 1 and 2 illustrated embodiment of the electrochemical device 100 can be prepared, for example, as follows:

Zunächst wird das Substrat 114, insbesondere ein Edelstahlblech 122, beispielsweise durch Umformen desselben, in eine gewünschte Form gebracht.First, the substrate 114 , in particular a stainless steel sheet 122 , For example, by forming the same, brought into a desired shape.

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.The bipolar plate 108 For this purpose, for example, be formed zigzag, so that flow channels 112 be formed when the bipolar plate 108 on both sides with other components 110 is covered.

In einem nächsten Schritt wird das aus dem Edelstahlblech 122 gebildete Substrat 114 der Bipolarplatte 108 mit der Schicht 116 versehen.In a next step, this is made of stainless steel 122 formed substrate 114 the bipolar plate 108 with the layer 116 Mistake.

Die Schicht 116 wird dabei in einem Plasmaspritzverfahren appliziert, insbesondere durch Aufschmelzen von Titanpulver mittels eines Plasmas und Aufbringen des zumindest teilweise geschmolzenen Titanpulvers auf das Substrat 114.The layer 116 is applied in a plasma spraying process, in particular by melting titanium powder by means of a plasma and applying the at least partially melted titanium powder to the substrate 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.To optimize adhesion of the layer 116 on the substrate 114 may be preparing a treatment of the substrate 114 be provided in a sandblast process.

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.The layer 116 is dense. Nevertheless, pores can 124 be present, by which during operation of the electrochemical device 100 required operating fluids to the substrate 114 reach. This can lead to corrosion of the substrate 114 to lead.

Die Schicht 116 und/oder das Substrat 114 wird daher vorzugsweise versiegelt.The layer 116 and / or the substrate 114 is therefore preferably sealed.

Zur Versiegelung ist insbesondere ein Füllmaterial 128 vorgesehen, mit welchem die Poren 124 der Schicht 116 zumindest teilweise, insbesondere vollständig, gefüllt werden.For sealing is in particular a filler 128 provided with which the pores 124 the layer 116 be filled at least partially, in particular completely.

Mittels des Füllmaterials 128 ist somit vorzugsweise ein durch die Poren 124 der Schicht 116 gebildeter Hohlraum 130 in der Schicht 116 aufgefüllt.By means of the filling material 128 is thus preferably through the pores 124 the layer 116 formed cavity 130 in the layer 116 refilled.

Insbesondere ist eine innere Oberfläche 132 der Schicht 116, welche die Poren 124 umgibt, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, mit dem Füllmaterial 128 beschichtet.In particular, there is an inner surface 132 the layer 116 which the pores 124 surrounds, at least partially, preferably completely, with the filler material 128 coated.

Auch die noch freie, nicht von der Schicht 116 bedeckte Oberfläche 118 des Substrats 114 ist vorzugsweise mit dem Füllmaterial 128 beschichtet.Even the free ones, not the shift 116 covered surface 118 of the substrate 114 is preferably with the filler material 128 coated.

Das Füllmaterial 128 bildet dabei insbesondere eine Versiegelung 134 der Oberfläche 118 des Substrats 114, um dieses vor Korrosion zu schützen.The filling material 128 forms in particular a seal 134 the surface 118 of the substrate 114 to protect it from corrosion.

Das Füllmaterial 128 ist vorzugsweise ein elektrisch nicht leitendes Material, beispielsweise ein Polymermaterial oder Keramikmaterial.The filling material 128 is preferably an electrically non-conductive material, such as a polymeric material or ceramic material.

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.For reliable contacting of neighboring components 110 the electrochemical device 100 must have a coating of a substrate 114 remote outer surface 136 the layer 116 with the filler 128 avoided or at least before using the bipolar plate 108 be removed.

Die dem Substrat 114 abgewandte äußere Oberfläche 136 bildet eine Anlagefläche 138 zur Anlage weiterer Bauteile 110 und gewährleistet eine gute elektrische Kontaktierung.The the substrate 114 remote outer surface 136 forms a contact surface 138 for the installation of further components 110 and ensures a good electrical contact.

Das Füllmaterial 128 wird beispielsweise als ein Zwei-Komponenten-Polymermaterial in die Poren 124 der Schicht 116 eingebracht.The filling material 128 For example, it is incorporated into the pores as a two-component polymeric material 124 the layer 116 brought in.

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.The filling material 128 is preferably a material with very low viscosity, so that the filling material 128 through the pores 124 through to the surface 118 of the substrate 114 can spread.

In einem nächsten Schritt wird das Füllmaterial 128, beispielsweise durch Evakuieren, von unerwünschten Lufteinschlüssen befreit.In a next step, the filler material 128 , For example by evacuation, freed from unwanted air bubbles.

Schließlich wird das Füllmaterial 128 ausgehärtet.Finally, the filler material 128 hardened.

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.This curing can be done automatically by suitable choice of material of the filling material 128 respectively. For example, it can be provided that 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 of the resin.

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.After application of the filling material 128 is the outer surface 136 the layer 116 still with filler 128 covered. As a result, the electrical contact with the other components 110 be severely impaired.

Das Füllmaterial 128 wird folglich vorzugsweise entfernt, bevor die Bipolarplatte 108 zum Einsatz kommt.The filling material 128 is therefore preferably removed before the bipolar plate 108 is used.

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.The bipolar plate 108 For this purpose, for example, processed in a sandblast process to the filler material 128 from the outer surface 136 the layer 116 to remove.

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.In the finished state, in particular, the substrate 114 by means of the filling material 128 protected. Due to the exposed outer surface 136 the layer 116 is a good electrical contact with the other components 110 the electrochemical device 100 guaranteed.

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 further (not shown) embodiments of electrochemical devices 100 For example, 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 on its surface 136 is provided with an additional layer, in particular contact layer.

In 3 ist ein Diagramm zur Demonstration der Funktion der beschriebenen Bipolarplatte 108 dargestellt.In 3 is a diagram for demonstrating the function of the described bipolar plate 108 shown.

Dabei ist die Stromdichte über der Zeit (Acm–2/h) aufgetragen.The current density is plotted over time (Acm -2 / h).

Dieses Diagramm gemäß 3 zeigt einen Korrosionstest des mit der Schicht 116 versehenen Substrats 114 in einer simulierten Umgebung einer Anode einer PEM-Elektrolysezelle.This diagram according to 3 shows a corrosion test of the with the layer 116 provided substrate 114 in a simulated environment of an anode of a PEM electrolysis cell.

Dabei wird eine konstante Stromdichte von 10 µA/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) H2SO4 (pH = 0) bei 80 °C.In this case, a constant current density of 10 μA / cm 2 is measured for 24 hours. The bipolar plate 108 was polarized at a constant potential of 2 V compared to the standard hydrogen electrode (SHE, Standard Hydrogen Electrode). Further process parameters were: Oxygen saturation 0.5 M (1 N) H 2 SO 4 (pH = 0) at 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.From the constant course of the current density during the measured 24 hours can be put on a high stability of the bipolar plate 108 and in particular to a reliable protective function of the layer 116 for the substrate 114 getting closed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
elektrochemische Vorrichtung electrochemical device
102102
Elektrolysevorrichtung electrolyzer
104104
Elektrolysezelle electrolysis cell
106106
elektrochemische Zelle electrochemical cell
108108
Bipolarplatte bipolar
110110
Bauteil component
112112
Strömungskanal flow channel
114114
Substrat substratum
116116
Schicht layer
118118
Oberfläche surface
122122
Edelstahlblech stainless steel sheet
124124
Pore pore
126126
Oberfläche surface
128128
Füllmaterial filling material
130130
Hohlraum cavity
132132
innere Oberfläche inner surface
134134
Versiegelung sealing
136136
äußere Oberfläche outer surface
138138
Anlagefläche contact surface

Claims (15)

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). Method for producing a bipolar plate ( 108 ), comprising: providing a substrate ( 114 ); - Apply a layer ( 116 ) on the substrate ( 114 ) in a plasma spraying process; - sealing the layer ( 116 ). 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 (SnO2:F), Wolframcarbid (WC) und/oder Gold (Au) umfasst oder aus einem oder mehreren dieser Materialien gebildet ist.Method according to claim 1, characterized in that on the substrate ( 114 ) a layer ( 116 ) comprising titanium (Ti), titanium nitrite (TiN), tantalum nitrite (TaN), fluorine-doped selenium oxide (SnO 2 : F), tungsten carbide (WC) and / or gold (Au), or one or more of these materials is formed. 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.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that for sealing the layer ( 116 ) Pores ( 124 ) of the layer ( 116 ) at least partially with a filler material ( 128 ). 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.Method according to claim 3, characterized in that the filling material ( 128 ) comprises a polymer material, in particular a two-component polymer material, and / or a ceramic material or is formed from a polymer material and / or a ceramic material. 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.Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that the bipolar plate ( 108 ) after applying the layer ( 116 ) on the substrate ( 114 ) and after the at least partial filling of the pores ( 124 ) of the layer ( 116 ) with the filling material ( 128 ) is exposed to a negative pressure. 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.Method according to one of claims 3 to 5, characterized in that filler material ( 128 ) in liquid form into the pores ( 124 ) of the previously applied layer ( 116 ) is introduced and hardens after introduction and / or that filling material ( 128 ) in a plasma spraying process, in particular during the application of the layer ( 116 ) is applied. 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.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that a the substrate ( 114 ) side facing away, in particular surface ( 126 ), the layer ( 116 ), in particular after the at least partial filling of the pores ( 124 ) of the layer ( 116 ), for example in a sandblasting process and / or in a grinding process, of the filler material ( 128 ) is released. 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.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the substrate ( 114 ) is plate-shaped and / or that the substrate ( 114 ) of a steel material, for example of a steel sheet ( 122 ), is formed or formed. 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.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the substrate ( 114 ) on one or both sides with several flow channels ( 112 ), especially before the layer ( 116 ) is applied in the plasma spraying process. 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.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the surface ( 118 ) of the substrate ( 114 ) is roughened in a sandblasting process and / or in a grinding process, in particular before the layer ( 116 ) is applied. 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.Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that a the substrate ( 114 ) side facing away, in particular surface ( 126 ), the layer ( 116 ) is provided with a thin layer. Bipolarplatte (108) für eine elektrochemische Zelle (106), umfassend ein Substrat (114), welches mit einer in einem Plasmaspritzverfahren applizierten versiegelten Schicht (116) versehen ist. Bipolar plate ( 108 ) for an electrochemical cell ( 106 ) comprising a substrate ( 114 ), which is coated with a sealed layer applied in a plasma spraying process ( 116 ) is provided. 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.Bipolar plate ( 108 ) for an electrochemical cell ( 106 ), according to claim 12, characterized in that the bipolar plate ( 108 ) a substrate ( 114 ), which on one or both sides with flow channels ( 112 ) is provided. 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.Bipolar plate ( 108 ) according to one of claims 12 or 13, characterized in that the substrate ( 114 ) on one or both sides substantially completely with the layer ( 116 ) is covered. Elektrochemische Zelle (106), insbesondere Elektrolysezelle (104) oder Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine Bipolarplatte (108) nach einem der Ansprüche 12 bis 14.Electrochemical cell ( 106 ), in particular electrolysis cell ( 104 ) or fuel cell, comprising at least one bipolar plate ( 108 ) according to any one of claims 12 to 14.
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