FR3008234A1 - METHOD FOR MANUFACTURING BIPOLAR PLATE AND BIPOLAR PLATE FOR ELECTROCHEMICAL CELL - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une plaque bipolaire au moyen duquel une plaque bipolaire conçue de façon stable mécaniquement et chimiquement peut être fabriquée de façon économique, lequel procédé de fabrication d'une plaque bipolaire comprend les étapes suivantes : préparation d'un substrat ; application d'une couche sur le substrat par un procédé d'injection de plasma ; et scellement de la couche.The invention relates to a method of manufacturing a bipolar plate by means of which a bipolar plate mechanically and chemically stable form can be manufactured economically, which method of manufacturing a bipolar plate comprises the following steps: a substrate; applying a layer to the substrate by a plasma injection method; and sealing the layer.
Description
PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PLAQUE BIPOLAIRE ET PLAQUE BIPOLAIRE POUR UNE CELLULE ELECTROCHIMIQUE La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une plaque bipolaire. Les plaques bipolaires sont utilisées par exemple dans des cellules électrochimiques, en particulier dans des piles à combustible et des cellules électrolytiques, et servent de préférence à l'établissement d'un contact entre les cellules et à la répartition de gaz de fonctionnement. L'objet de la présente invention consiste à proposer un procédé de mise à disposition d'une plaque bipolaire, au moyen duquel une plaque bipolaire conçue de façon stable mécaniquement et chimiquement peut être fabriquée de façon 10 économique. Cet objet est réalisé selon l'invention par un procédé de fabrication d'une plaque bipolaire, dans lequel le procédé comprend les étapes suivantes : préparation d'un substrat ; application d'une couche sur le substrat par un procédé d'injection de 15 plasma ; scellement de la couche. Comme, dans le procédé selon l'invention, un substrat est doté d'une couche, le matériau du substrat peut être un substrat économique qui peut être protégé lors du fonctionnement de la cellule électrochimique, au moyen de la couche. 20 Dans un mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu que, sur le substrat, une couche soit appliquée, qui comprend du titane (Ti), du nitrite de titane (TiN), du nitrite de tantale (TaN), de l'oxyde de sélénium dopé au fluor (Sn02:F), du carbure de tungstène (WC) et/ou de l'or (Au) ou est constituée d'un ou plusieurs de ces matériaux. 25 En particulier, en remplissant au moins partiellement des pores de la couche avec un matériau de remplissage, un scellement de la couche et/ou du substrat peut être obtenu. Dans un mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu que les pores de la couche soient remplis au moins partiellement d'un matériau polymère, en 30 particulier d'un matériau polymère à deux composants, et/ou d'un matériau céramique, ou le matériau de remplissage comprend un matériau polymère et/ou un matériau céramique. Le matériau polymère est de préférence un matériau polymère résistant à la corrosion.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a bipolar plate. Bipolar plates are used, for example, in electrochemical cells, particularly in fuel cells and electrolytic cells, and are preferably used for establishing contact between the cells and the operating gas distribution. The object of the present invention is to provide a method of providing a bipolar plate, by means of which a bipolar plate mechanically and chemically stable designed can be economically manufactured. This object is achieved according to the invention by a method of manufacturing a bipolar plate, wherein the method comprises the following steps: preparing a substrate; applying a layer to the substrate by a plasma injection method; sealing of the layer. Since, in the process according to the invention, a substrate is provided with a layer, the substrate material may be an economical substrate which can be protected during operation of the electrochemical cell by means of the layer. In one embodiment of the invention, it can be provided that on the substrate a layer is applied, which comprises titanium (Ti), titanium nitrite (TiN), tantalum nitrite (TaN), fluorine-doped selenium oxide (SnO2: F), tungsten carbide (WC) and / or gold (Au) or consists of one or more of these materials. In particular, by at least partially filling pores of the layer with a filler material, sealing of the layer and / or the substrate can be achieved. In one embodiment of the invention, it may be provided that the pores of the layer are at least partially filled with a polymeric material, in particular a two-component polymeric material, and / or a material ceramic, or the filler material comprises a polymeric material and / or a ceramic material. The polymeric material is preferably a corrosion resistant polymeric material.
Il peut être avantageux de soumettre la plaque bipolaire à une pression négative après l'application de la couche sur le substrat et après le remplissage au moins partiel des pores de la couche avec le matériau de remplissage. En particulier, il peut être prévu que la plaque bipolaire soit traitée dans un procédé sous vide.It may be advantageous to subject the bipolar plate to a negative pressure after applying the layer to the substrate and after at least partially filling the pores of the layer with the filler material. In particular, it may be provided that the bipolar plate is processed in a vacuum process.
Par exemple, il peut être prévu que le matériau de remplissage soit aéré et/ou dégazé, en particulier pour éliminer les inclusions de gaz du matériau de remplissage. De préférence, le matériau de remplissage est inséré sous forme liquide dans les pores de la couche, appliquée précédemment. Le matériau de remplissage est durci de préférence après l'insertion dans les pores. De préférence, la plaque bipolaire est soumise à une pression négative, en particulier pour éliminer les inclusions de gaz indésirables du matériau de remplissage, avant que le matériau de remplissage ne durcisse. En variante ou en plus d'un remplissage consécutif des pores au moyen du matériau de remplissage, il peut être prévu que du matériau de remplissage soit appliqué par un procédé d'injection de plasma. En particulier, il peut être prévu que du matériau de remplissage soit appliqué par un procédé d'injection de plasma, sur le substrat et/ou sur la couche. Il peut être particulièrement avantageux que du matériau de remplissage soit appliqué par un procédé d'injection de plasma pendant l'application de la couche, en particulier conjointement à l'application de la couche. Les pores qui sont formés lors de l'application de la couche sont fermés, de préférence complètement, au moyen du matériau de remplissage appliqué de façon concomitante.For example, it may be provided that the filler material is aerated and / or degassed, in particular to remove gas inclusions from the filler material. Preferably, the filling material is inserted in liquid form into the pores of the previously applied layer. The filler material is preferably cured after insertion into the pores. Preferably, the bipolar plate is subjected to a negative pressure, particularly to remove undesired gas inclusions from the filler material, before the filler material hardens. Alternatively or in addition to subsequent filling of the pores with the filler material, it may be provided that filler material is applied by a plasma injection method. In particular, it may be provided that filler material is applied by a plasma injection method, on the substrate and / or on the layer. It may be particularly advantageous if filler material is applied by a plasma injection method during the application of the layer, particularly in conjunction with the application of the layer. The pores which are formed during the application of the layer are closed, preferably completely, by means of the concomitantly applied filling material.
Dans un mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu qu'un côté de la couche détourné du substrat soit libéré du matériau de remplissage après le remplissage au moins partiel des pores de la couche.In one embodiment of the invention, it may be provided that one side of the layer diverted from the substrate is released from the filler material after at least partial filling of the pores of the layer.
Par exemple, il peut être prévu qu'un côté de la couche détourné du substrat soit libéré du matériau de remplissage après le remplissage au moins partiel des pores de la couche par un procédé de sablage, à jet de sable, et/ou par un procédé de meulage.For example, it may be provided that one side of the layer diverted from the substrate is released from the filler material after at least partial filling of the pores of the layer by sandblasting, sandblasting, and / or grinding process.
En particulier, il peut être prévu qu'une surface de la couche détournée du substrat soit libérée du matériau de remplissage après le remplissage au moins partiel des pores de la couche, par exemple par un procédé de nettoyage ou par un procédé de traitement de surface (par exemple, procédé de sablage à jet de sable et/ou procédé de meulage).In particular, it can be provided that a surface of the layer diverted from the substrate is released from the filling material after the at least partial filling of the pores of the layer, for example by a cleaning process or by a surface treatment process (For example, sandblasting process and / or grinding process).
Le substrat est de préférence constitué d'un matériau d'acier ou réalisé à partir d'un tel matériau. En particulier, il peut être prévu que le substrat soit constitué d'une tôle d'acier ou réalisé à partir d'une telle tôle. Dans un mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu que le substrat soit constitué d'un matériau d'acier inoxydable, en particulier d'une tôle d'acier inoxydable, ou réalisé à partir d'un tel matériau ou d'une telle tôle. Il peut être avantageux que le substrat soit doté d'un côté ou des deux côtés de plusieurs canaux d'écoulement, en particulier avant que la couche ne soit appliquée par le procédé d'injection de plasma.The substrate is preferably made of or made of a steel material. In particular, it can be provided that the substrate is made of a steel sheet or made from such a sheet. In one embodiment of the invention, it can be provided that the substrate is made of a stainless steel material, in particular a stainless steel sheet, or made from such a material or material. such a sheet. It may be advantageous for the substrate to have one or both sides of a plurality of flow channels, particularly before the layer is applied by the plasma injection method.
Le substrat, de préférence sous forme de plaque, est traité à cette fin, de préférence mécaniquement, en particulier par fraisage et/ou par formage, avant que la couche ne soit appliquée. Il peut être prévu que la surface du substrat soit rugosifiée, en particulier par un procédé de sablage à jet de sable et/ou par un procédé de meulage. La surface du substrat est de préférence rugosifiée avant que la couche ne soit appliquée. La couche est appliquée de préférence d'un côté sur la surface du substrat de sorte que, par exemple, toutes les surfaces d'appui, par lesquelles la plaque bipolaire peut être appliquée sur d'autres composants pour l'établissement d'un contact électrique, et/ou les surfaces des canaux d'écoulement soient revêtues.The substrate, preferably in the form of a plate, is treated for this purpose, preferably mechanically, in particular by milling and / or forming, before the layer is applied. It can be provided that the surface of the substrate is roughened, in particular by a sandblasting process and / or by a grinding process. The surface of the substrate is preferably roughened before the layer is applied. The layer is preferably applied on one side to the surface of the substrate so that, for example, all the bearing surfaces through which the bipolar plate can be applied to other components for establishing contact electric, and / or the surfaces of the flow channels are coated.
Il peut être prévu qu'un matériau en poudre, en particulier de la poudre de titane, soit fondu sous vide au moyen d'un plasma et soit appliqué sur le substrat. De cette façon, une couche présentant une densité supérieure et un bon contact électrique avec le substrat peut être constituée.It can be provided that powdered material, in particular titanium powder, is melted under vacuum by means of a plasma and is applied to the substrate. In this way, a layer having a higher density and good electrical contact with the substrate can be formed.
Il peut être avantageux qu'un côté détourné du substrat, en particulier une surface, de la couche soit doté d'une couche mince. En particulier, il peut être prévu que la couche mince soit une couche de contact pour l'optimisation de l'établissement du contact électrique.It may be advantageous that a side diverted from the substrate, particularly a surface, of the layer is provided with a thin layer. In particular, it can be provided that the thin layer is a contact layer for optimizing the establishment of the electrical contact.
La présente invention concerne en outre une plaque bipolaire pour une cellule électrochimique. L'objet de l'invention consiste, à cet égard, à préparer une plaque bipolaire pour une cellule électrochimique qui est conçue de façon stable mécaniquement et chimiquement et peut être fabriquée de façon économique.The present invention further relates to a bipolar plate for an electrochemical cell. The object of the invention is, in this regard, to prepare a bipolar plate for an electrochemical cell which is stably designed mechanically and chemically and can be manufactured economically.
L'objet à la base de la présente invention est réalisé par une plaque bipolaire pour une cellule électrochimique qui comprend un substrat qui est doté d'une couche scellée appliquée par un procédé d'injection de plasma. La plaque bipolaire selon l'invention présente de préférence des caractéristiques et/ou avantages uniques ou multiples décrits en rapport avec le procédé selon l'invention. En particulier, il peut être prévu que la couche et/ou le substrat soit scellé au moyen du matériau de remplissage de sorte que le substrat n'entre de préférence pas en contact, lors du fonctionnement de la cellule électrochimique, avec les fluides de fonctionnement de la cellule électrochimique.The object of the present invention is realized by a bipolar plate for an electrochemical cell which comprises a substrate which is provided with a sealed layer applied by a plasma injection method. The bipolar plate according to the invention preferably has single or multiple characteristics and / or advantages described in connection with the method according to the invention. In particular, it can be provided that the layer and / or the substrate is sealed by means of the filler material so that the substrate preferably does not come into contact, during operation of the electrochemical cell, with the operating fluids. of the electrochemical cell.
Il peut être avantageux que la plaque bipolaire comprenne un substrat qui est doté d'un côté ou des deux côtés de canaux d'écoulement. Il peut être avantageux que le substrat soit recouvert d'un côté ou des deux côtés essentiellement complètement par la couche. La plaque bipolaire selon l'invention est particulièrement appropriée pour l'utilisation dans une cellule électrochimique. La présente invention concerne donc également une cellule électrochimique qui comprend au moins une plaque bipolaire selon l'invention. La cellule électrochimique est constituée en particulier comme une cellule électrolytique ou comme une pile à combustible.It may be advantageous for the bipolar plate to include a substrate that has one or both sides of flow channels. It may be advantageous for the substrate to be covered on one or both sides substantially completely by the layer. The bipolar plate according to the invention is particularly suitable for use in an electrochemical cell. The present invention therefore also relates to an electrochemical cell which comprises at least one bipolar plate according to the invention. The electrochemical cell is constituted in particular as an electrolytic cell or as a fuel cell.
De préférence, la surface totale du substrat, venant en contact lors du fonctionnement de la cellule électrochimique avec des fluides de fonctionnement de la cellule électrochimique, est dotée de la couche et/ou du matériau de remplissage.Preferably, the total surface of the substrate, coming into contact during operation of the electrochemical cell with operating fluids of the electrochemical cell, is provided with the layer and / or the filler material.
Le procédé de fabrication d'une plaque bipolaire selon l'invention, la plaque bipolaire selon l'invention et/ou la cellule électrochimique selon l'invention peuvent de préférence présenter en outre un(e) ou plusieurs des caractéristiques et/ou avantages décrits ci-après : une couche particulièrement dense, en particulier une couche de titane, peut être obtenue en particulier lorsque celle-ci est appliquée par un procédé d'injection de plasma, dans lequel un débit d'alimentation de poudre est par exemple d'environ 11,66 g/min. Une enthalpie de plasma est de préférence d'environ 21,27 MJ1(g-1. La pression qui règne dans la région du substrat en particulier sous forme de plaque lors de la fabrication de la couche est de préférence d'environ 50 mbar. De préférence, la couche est fabriquée par un procédé à couches multiples, ce qui signifie que la couche totale à fabriquer est fabriquée par application de plusieurs couches de préférence très fines. Le matériau de remplissage présente de préférence une viscosité très faible.The method for manufacturing a bipolar plate according to the invention, 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 characteristics and / or advantages described. hereinafter: a particularly dense layer, in particular a titanium layer, can be obtained, in particular when the latter is applied by a plasma injection method, in which a powder feed rate is, for example, about 11.66 g / min. Plasma enthalpy is preferably about 21.27 MJ (g-1) .The pressure in the substrate region, particularly in the form of a plate during manufacture of the layer, is preferably about 50 mbar. Preferably, the layer is manufactured by a multilayer process, which means that the total layer to be manufactured is made by applying several layers, preferably very thin, and the filler preferably has a very low viscosity.
En particulier, on peut prévoir que le matériau de remplissage soit formé par une résine présentant une très faible viscosité (ultra low viscosity resin) et un durcisseur. Le matériau de remplissage est de préférence conçu de façon à être non conducteur, stable dans un environnement acide, même à un potentiel élevé supérieur par exemple à environ 2 V, et présente une température de décomposition d'au moins 20 environ 80 °C. La poudre utilisée pour la fabrication de la couche présente de préférence une granulométrie d'au moins environ 45 !am. Dans une couche formée en tant que couche de titane, la proportion en poids de titane par rapport à la plaque bipolaire totale est de préférence au plus d'environ 25 5 % en poids, en particulier au plus d'environ 3 % en poids, en particulier avec une épaisseur totale de la plaque bipolaire d'environ 1 mm. Une cellule électrochimique formée en tant que cellule électrolytique est appropriée en particulier pour la préparation d'hydrogène hautement pur, en particulier en utilisant des énergies renouvelables, par exemple l'énergie solaire, 30 l'énergie éolienne ou l'énergie thermique. La cellule électrochimique est en particulier une cellule électrochimique comportant une membrane polymère-électrolyte (PEM).In particular, it can be provided that the filling material is formed by a resin having a very low viscosity (ultra low viscosity resin) and a hardener. The filler material is preferably designed to be nonconductive, stable in an acidic environment, even at a high potential greater than, for example, about 2 V, and has a decomposition temperature of at least about 80 ° C. The powder used for the manufacture of the layer preferably has a particle size of at least about 45 μm. In a layer formed as a titanium layer, the weight ratio of titanium to the total bipolar plate is preferably at most about 5% by weight, in particular at most about 3% by weight, in particular with a total thickness of the bipolar plate of about 1 mm. An electrochemical cell formed as an electrolytic cell is particularly suitable for the preparation of highly pure hydrogen, in particular using renewable energies, for example solar energy, wind energy or thermal energy. The electrochemical cell is in particular an electrochemical cell comprising a polymer-electrolyte membrane (PEM).
La couche appliquée sur le substrat par un procédé d'injection de plasma peut de son côté être dotée d'une autre couche. L'autre couche, en particulier une couche mince, peut par exemple être appliquée par un procédé de pulvérisation au magnétron, par un procédé de dépôt physique en phase vapeur et/ou par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur. En outre, il peut être prévu d'appliquer également l'autre couche par un procédé d'injection de plasma. Une autre couche est appliquée de préférence après un traitement d'une surface détournée du substrat de la couche appliquée par un procédé d'injection de 10 plasma. Par exemple, une autre couche est appliquée sur la couche appliquée par un procédé d'injection de plasma, après que la surface, détournée du substrat, de la couche appliquée par un procédé d'injection de plasma a été traitée par un procédé de sablage à jet de sable et/ou dans un procédé de polissage. 15 En particulier, on peut prévoir comme autre couche une couche d'or. L'autre couche est en particulier un film mince d'un matériau résistant à la corrosion qui présente une conductivité électrique élevée. La couche appliquée par un procédé d'injection de plasma et/ou l'autre couche est de préférence constituée de nitrite de titane, nitrite de tantale, carbure, 20 titane, tantale, matériau en céramique électriquement conducteur, or, platine, iridium, oxyde de sélénium dopé au fluor (Sn02:F), carbure de silicium dopé au bore (SiC:B), oxyde de titane dopé ou conducteur par implantation d'ions (TiO2), diamant et/ou carbone graphite, par exemple des couches denses de graphite ou de graphes. Il peut être avantageux que la couche, en particulier l'autre couche, par 25 exemple la couche mince, soit conçue de façon à être auto-réparatrice, en particulier pour optimiser les propriétés électriques. En particulier, on peut empêcher de préférence de cette façon que des ions fer du substrat contribuent à polluer la cellule électrochimique. D'autres caractéristiques préférées et/ou avantages de l'invention sont l'objet 30 de la description suivante et des représentations graphiques des exemples de réalisation.The layer applied to the substrate by a plasma injection method may be provided with another layer. The other layer, in particular a thin layer, may for example be applied by a magnetron sputtering method, by a physical vapor deposition method and / or by a chemical vapor deposition process. In addition, it may be provided to also apply the other layer by a plasma injection method. Another layer is preferably applied after treatment of a surface diverted from the substrate of the applied layer by a plasma injection method. For example, another layer is applied to the layer applied by a plasma injection method, after the surface, diverted from the substrate, of the layer applied by a plasma injection process has been treated by a sanding process. sandblasting and / or in a polishing process. In particular, another layer of gold can be provided as another layer. The other layer is in particular a thin film of a corrosion resistant material which has a high electrical conductivity. The layer applied by a plasma injection method and / or the other layer is preferably composed of titanium nitrite, tantalum nitrite, carbide, titanium, tantalum, electrically conductive ceramic material, gold, platinum, iridium, fluorine-doped selenium oxide (SnO2: F), boron-doped silicon carbide (SiC: B), doped or ion-conducting titanium oxide (TiO2), diamond and / or graphite carbon, for example layers dense graphite or graphs. It may be advantageous for the layer, particularly the other layer, for example the thin layer, to be designed to be self-healing, in particular to optimize the electrical properties. In particular, it is preferable to prevent in this way that iron ions from the substrate contribute to polluting the electrochemical cell. Other preferred features and / or advantages of the invention are the subject of the following description and graphical representations of the exemplary embodiments.
La figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un dispositif électrochimique dans lequel une plaque bipolaire est disposée entre deux autres composants du dispositif électrochimique ; la figure 2 est une représentation agrandie de la zone II de la figure 1, dans laquelle la plaque bipolaire comprend un substrat, une couche appliquée par un procédé d'injection de plasma et un matériau de remplissage ; et la figure 3 est un diagramme mettant en évidence la fonction de la plaque bipolaire de la figure 2. Des éléments identiques ou fonctionnellement équivalents comportent les mêmes références sur toutes les figures. Un mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2 d'un dispositif électrochimique présenté dans son ensemble et portant le numéro 100 est par exemple conçu comme un dispositif électrolytique 102 et comprend en tant que telles plusieurs cellules électrochimiques 106 conçues par exemple comme des cellules électrolytiques 104. Une cellule électrochimique 106 comprend de préférence une plaque bipolaire 108 au moyen de laquelle d'autres composants 110 de la cellule électrochimique 106 ou de cellules électrochimiques 106 voisines peuvent être mises en contact électriquement, les unes avec les autres.Figure 1 is a schematic sectional representation of an electrochemical device in which a bipolar plate is disposed between two other components of the electrochemical device; Fig. 2 is an enlarged representation of zone II of Fig. 1, wherein the bipolar plate comprises a substrate, a layer applied by a plasma injection method and a filler material; and FIG. 3 is a diagram showing the function of the bipolar plate of FIG. 2. Identical or functionally equivalent elements include the same references in all the figures. An embodiment shown in FIGS. 1 and 2 of an electrochemical device presented as a whole and bearing the number 100 is for example designed as an electrolytic device 102 and comprises as such several electrochemical cells 106 designed for example as cells 104. An electrochemical cell 106 preferably comprises a bipolar plate 108 by means of which other components 110 of the electrochemical cell 106 or adjacent electrochemical cells 106 may be electrically contacted with each other.
La plaque bipolaire 108 est formée à cet égard en particulier d'un ou plusieurs matériaux électriquement conducteurs. La plaque bipolaire 108 comprend des canaux d'écoulement 112 au moyen desquels des fluides de fonctionnement utilisés lors du fonctionnement du dispositif électrochimique 100, en particulier, des gaz de fonctionnement, peuvent être répartis, acheminés et/ou évacués uniformément dans chacune des cellules électrochimiques 106. Comme on le voit en particulier sur la figure 2, la plaque bipolaire 108 comprend un substrat 114. Le substrat 114 est conçu en particulier sous forme de plaque et est doté, par un traitement de celui-ci, de canaux d'écoulement 112. Le substrat 114 est constitué par exemple d'un matériau d'acier inoxydable, en particulier d'une tôle d'acier inoxydable 122.The bipolar plate 108 is formed in this respect in particular of one or more electrically conductive materials. The bipolar plate 108 comprises flow channels 112 by means of which operating fluids used in the operation of the electrochemical device 100, in particular operating gases, can be distributed, routed and / or discharged uniformly in each of the electrochemical cells. 106. As seen in particular in FIG. 2, the bipolar plate 108 comprises a substrate 114. The substrate 114 is designed in particular in the form of a plate and is provided, by a treatment thereof, with flow channels 112. The substrate 114 consists for example of a stainless steel material, in particular a stainless steel sheet 122.
La plaque bipolaire 108 comprend en outre une couche 116 disposée sur le substrat 114. La couche 116 est en particulier une couche de titane et peut être appliquée de préférence par un procédé d'injection de plasma sur une surface 118 du substrat 114.The bipolar plate 108 further comprises a layer 116 disposed on the substrate 114. The layer 116 is in particular a titanium layer and can be applied preferably by a plasma injection method on a surface 118 of the substrate 114.
La couche 116 est conçue en particulier de façon dense, ce qui signifie que la couche 116 présente une faible porosité. Les pores 124 de la couche 116 sont remplis d'un matériau de remplissage 128. La plaque bipolaire 108 du mode de réalisation présenté sur les figures 1 et 2 du dispositif électrochimique 100 peut par exemple être fabriquée comme suit : tout d'abord, on donne au substrat 114, en particulier une tôle d'acier inoxydable 122, une forme souhaitée, par exemple par formage. A cet égard, la plaque bipolaire 108 peut être conçue par exemple en forme de zigzag de sorte que des canaux d'écoulement 112 soient constitués lorsque la plaque bipolaire 108 est recouverte des deux côtés avec d'autres composants 110. Dans une étape suivante, le substrat 114 de la plaque bipolaire 108 constitué à partir de la tôle en acier inoxydable 122 est doté de la couche 116. La couche 116 est appliquée par un procédé d'injection de plasma, en particulier par fusion de la poudre de titane au moyen d'un plasma et application de la poudre de titane au moins partiellement fondue sur le substrat 114. Pour l'optimisation d'une adhérence de la couche 116 sur le substrat 114, un traitement préparatoire du substrat 114 peut être prévu dans un procédé de sablage à jet de sable. La couche 116 est conçue de façon dense. Cependant, des pores 124 peuvent être présents, par lesquels, lors du fonctionnement du dispositif électrochimique 100, des fluides de fonctionnement nécessaire peuvent parvenir jusqu'au substrat 114. Ceci peut entraîner une corrosion du substrat 114. La couche 116 et/ou le substrat 114 est donc de préférence scellé. Pour le scellement, il est prévu en particulier un matériau de remplissage 128 avec lequel les pores 124 de la couche 116 sont remplis au moins partiellement, en particulier, complètement. Au moyen du matériau de remplissage 128, de préférence une cavité 130 constituée par les pores 124 de la couche 116 est ainsi remplie dans la couche 116.The layer 116 is designed in particular in a dense manner, which means that the layer 116 has a low porosity. The pores 124 of the layer 116 are filled with a filling material 128. The bipolar plate 108 of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 of the electrochemical device 100 may for example be manufactured as follows: first, gives the substrate 114, particularly a stainless steel sheet 122, a desired shape, for example by forming. In this regard, the bipolar plate 108 may be designed for example zigzag-shaped so that flow channels 112 are formed when the bipolar plate 108 is covered on both sides with other components 110. In a next step, the substrate 114 of the bipolar plate 108 formed from the stainless steel sheet 122 is provided with the layer 116. The layer 116 is applied by a plasma injection method, in particular by melting the titanium powder by means of of a plasma and application of the titanium powder at least partially melted on the substrate 114. For the optimization of an adhesion of the layer 116 to the substrate 114, a preparatory treatment of the substrate 114 can be provided in a method of Sandblasting sandblasting. The layer 116 is densely designed. However, pores 124 may be present, by which, during operation of the electrochemical device 100, necessary operating fluids may reach the substrate 114. This may result in corrosion of the substrate 114. The layer 116 and / or the substrate 114 is therefore preferably sealed. For sealing, there is particularly provided a filling material 128 with which the pores 124 of the layer 116 are filled at least partially, in particular, completely. By means of the filling material 128, preferably a cavity 130 constituted by the pores 124 of the layer 116 is thus filled in the layer 116.
En particulier, une surface intérieure 132 de la couche 116, qui entoure les pores 124, est revêtue au moins partiellement, de préférence complètement avec le matériau de remplissage 128. De même, la surface 118 encore libre, non revêtue par la couche 116, du substrat 114 est de préférence revêtue du matériau de remplissage 128. Le matériau de remplissage 128 constitue en particulier un scellement 134 de la surface 118 du substrat 114 pour protéger celui-ci contre la corrosion. Le matériau de remplissage 128 est de préférence un matériau électriquement non conducteur, par exemple un matériau polymère ou un matériau céramique.In particular, an inner surface 132 of the layer 116, which surrounds the pores 124, is coated at least partially, preferably completely with the filling material 128. Similarly, the surface 118 still free, not coated by the layer 116, substrate 114 is preferably coated with filler material 128. In particular, filler material 128 forms a seal 134 on surface 118 of substrate 114 to protect it against corrosion. The filler material 128 is preferably an electrically nonconductive material, for example a polymeric material or a ceramic material.
Pour une mise en contact fiable des composants voisins 110 du dispositif électrochimique 100, un revêtement d'une surface extérieure 136 de la couche 116, détournée du substrat 114, avec le matériau de remplissage 128 doit être évité ou éliminé au moins avant l'utilisation de la plaque bipolaire 108. La surface 136 extérieure détournée du substrat 114 constitue une surface d'appui 138 pour le placement d'autres composants 110 et assure un bon établissement du contact électrique. Le matériau de remplissage 128 est intégré par exemple en tant que matériau polymère à deux composants dans les pores 124 de la couche 116. Le matériau de remplissage 128 est de préférence un matériau présentant une très faible viscosité, de sorte que le matériau de remplissage 128 puisse se répandre par les pores 124 jusqu'à la surface 118 du substrat 114. Dans une étape suivante, le matériau de remplissage 128 est libéré des inclusions d'air indésirables, par exemple par évacuation. Enfin, le matériau de remplissage 128 est durci.For reliable contacting of adjacent components 110 of the electrochemical device 100, a coating of an outer surface 136 of the layer 116, diverted from the substrate 114, with the filler material 128 must be avoided or eliminated at least before use. The outer surface 136 diverted from the substrate 114 constitutes a bearing surface 138 for the placement of other components 110 and ensures a good establishment of the electrical contact. The filler material 128 is integrated, for example, as a bicomponent polymer material in the pores 124 of the layer 116. The filler material 128 is preferably a material having a very low viscosity, so that the filling material 128 can be spread by the pores 124 to the surface 118 of the substrate 114. In a next step, the filling material 128 is released from undesirable air inclusions, for example by evacuation. Finally, the filling material 128 is cured.
Ce durcissement peut s'effectuer automatiquement par un choix approprié du matériau de remplissage 128. Par exemple, il peut être prévu que le matériau de remplissage 128 soit un mélange d'une résine et d'un durcisseur correspondant. Le matériau de remplissage 128 est ensuite solidifié en particulier par réticulation de la résine.This curing can be carried out automatically by a suitable choice of filling material 128. For example, it can be provided that the filler material 128 is a mixture of a resin and a corresponding hardener. The filling material 128 is then solidified, in particular by crosslinking the resin.
Après l'application du matériau de remplissage 128, la surface extérieure 136 de la couche 116 est encore recouverte du matériau de remplissage 128. Ainsi, l'établissement d'un contact électrique avec les autres composants 110 peut être fortement gêné.After the application of the filler material 128, the outer surface 136 of the layer 116 is further covered with the filler material 128. Thus, establishing electrical contact with the other components 110 can be greatly impeded.
Le matériau de remplissage 128 est en conséquence, de préférence, éliminé avant d'utiliser la plaque bipolaire 108. A cet égard, la plaque bipolaire 108 est traitée par exemple dans un procédé de sablage à jet de sable, pour éliminer le matériau de remplissage 128 de la surface extérieure 136 de la couche 116. A l'état fini, le substrat 114 est protégé en particulier au moyen du matériau de remplissage 128. Du fait que la surface extérieure 136 de la couche 116 est libérée, un bon établissement du contact électrique avec les autres composants 110 du dispositif électrochimique 100 est assuré.The filling material 128 is therefore preferably removed before using the bipolar plate 108. In this regard, the bipolar plate 108 is treated for example in a sand blasting process, to remove the filling material. 128 of the outer surface 136 of the layer 116. In the finished state, the substrate 114 is protected in particular by means of the filling material 128. Because the outer surface 136 of the layer 116 is released, a good electrical contact with the other components 110 of the electrochemical device 100 is ensured.
Dans d'autres modes de réalisation (non représentés) des dispositifs électrochimiques 100, un(e) ou plusieurs des caractéristiques et/ou avantages décrits précédemment peuvent être combinés. En outre, dans d'autres modes de réalisation, il peut être prévu que la couche 116 appliquée par un procédé d'injection de plasma, soit dotée sur sa surface 136 d'une couche supplémentaire, en particulier d'une couche de contact. Sur la figure 3 est présenté un diagramme mettant en évidence la fonction de la plaque bipolaire 108 décrite. Sur celui-ci figure la densité de courant par rapport au temps (Acm2/h). Ce diagramme selon la figure 3 présente un test de corrosion du substrat 114 20 doté de la couche 116 dans un environnement simulé d'une anode d'une cellule électrolytique PEM. Une densité de courant constante de 10 1.tA/cm2 sur 24 heures est mesurée. La plaque bipolaire 108 était alors polarisée à un potentiel constant de 2 V par rapport à l'électrode à l'hydrogène standard (SHE, Standard Hydrogen Electrode). D'autres 25 paramètres du procédé prévus étaient les suivants : saturation d'oxygène 0,5 M (1 N) H2504 (pH = 0) à 80 °C. A partir de l'évolution constante de la densité de courant pendant les 24 heures de mesure, on peut en déduire une stabilité élevée de la plaque bipolaire 108 et en particulier une fonction protectrice fiable de la couche 116 pour le substrat 30 114. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci- dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.In other embodiments (not shown) of the electrochemical devices 100, one or more of the features and / or advantages described above may be combined. Further, in other embodiments, it may be provided that the layer 116 applied by a plasma injection method is provided on its surface 136 with an additional layer, in particular a contact layer. In Figure 3 is shown a diagram showing the function of the bipolar plate 108 described. On this is the current density versus time (Acm2 / h). This diagram according to FIG. 3 shows a corrosion test of the substrate 114 having the layer 116 in a simulated environment of an anode of a PEM electrolytic cell. A constant current density of 10 1.tA / cm 2 over 24 hours is measured. The bipolar plate 108 was then polarized at a constant potential of 2 V relative to the standard hydrogen electrode (SHE, Standard Hydrogen Electrode). Other expected process parameters were: 0.5 M (1 N) H2504 oxygen saturation (pH = 0) at 80 ° C. From the constant evolution of the current density during the 24 hours of measurement, it can be deduced a high stability of the bipolar plate 108 and in particular a reliable protective function of the layer 116 for the substrate 114. Of course , the invention is not limited to the embodiments described above and shown, from which we can provide other modes and other embodiments, without departing from the scope of the invention.
Liste des références 100 dispositif électrochimique 102 dispositif électrolytique 104 cellule électrolytique 106 cellule électrochimique 108 plaque bipolaire 110 composant 112 canal d'écoulement 114 substrat 116 couche 118 surface 122 tôle d'acier inoxydable 124 pore 126 surface 128 matériau de remplissage 130 cavité 132 surface intérieure 134 scellement 136 surface extérieure 138 surface d'appuiList of references 100 electrochemical device 102 electrolytic device 104 electrolytic cell 106 electrochemical cell 108 bipolar plate 110 component 112 flow channel 114 substrate 116 layer 118 surface 122 sheet of stainless steel 124 pore 126 surface 128 filler 130 cavity 132 interior surface 134 sealing 136 outer surface 138 supporting surface
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