DE10038538A1

DE10038538A1 - Electrochemical cell

Info

Publication number: DE10038538A1
Application number: DE10038538A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hoeller; Uwe Kueter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2000-08-08
Publication date: 2002-02-28
Also published as: WO2002013286A3; AU2001289550A1; WO2002013286A2

Abstract

Die Brennstoffzelle weist eine Polymerelektrolytmembran sowie zwei daran zu beiden Seiten angeordnete Gasdiffusionselektroden auf, die von elektrisch leitfähigen Endplatten abgeschlossen sind. Die Endplatten sind im Spritzguss hergestellt und bestehen aus einem thermoplastischen Grundwerkstoff sowie einem die Leitfähigkeit erhöhenden nichtmetallischen Stoff, beispielsweise Kohlenstoff. Zur weiteren Erhöhung der Leitfähigkeit sind Metallfasern eingegliedert.The fuel cell has a polymer electrolyte membrane and two gas diffusion electrodes arranged thereon on both sides, which are closed off by electrically conductive end plates. The end plates are injection molded and consist of a thermoplastic base material and a non-metallic material that increases conductivity, for example carbon. Metal fibers are incorporated to further increase the conductivity.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brenn stoffzelle, gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The invention relates to an electrochemical cell, in particular a burner fabric cell, according to the features specified in the preamble of claim 1.

Elektrochemische Zellen sind beispielsweise Elektrolysezellen oder Brennstoff zellen. Eine bekannte Bauart solcher Zellen arbeitet mit einer gasdichten und ionendurchlässigen Polymerelektrolytmembran, an der einerseits eine Anode und andererseits eine Kathode anliegt. Solche Anoden oder Kathoden sind üblicherweise als Gasdiffusionselektroden ausgebildet, so wie sie beispielhaft in DE 195 44 323 A1 beschrieben sind. Durch eine Gasdiffusionselektrode gelangt Gas flächig zu der Membran, wobei die Elektrode katalytisch beschichtet ist, wodurch die gewünschte katalytische Oxidation des Brennstoffs erfolgt. Die Gasdiffusionselektroden sind üblicherweise durch eine elektrisch leitfähige Platte abgestützt, über welche die Kontaktierung erfolgt. Hierbei handelt es sich entweder um eine Endplatte oder, wenn mehrere Brennstoffzellen zu einem Stack hintereinandergeschaltet sind, um eine bipolare Platte, welche zu beiden Seiten Gasdiffusionselektroden abstützt. Über diese Platten erfolgt üblicher weise auch die Gaszufuhr zu den Gasdiffusionselektroden, wozu entsprechende Kanäle in den Platten vorgesehen sind. Ein solcher Aufbau ist auch bei Elek trolysezellen zu finden, insbesondere bei reversibel betreibbaren Brennstoff zellen.Electrochemical cells are, for example, electrolysis cells or fuel cells. A known type of such cells works with a gas-tight and ion-permeable polymer electrolyte membrane, on the one hand an anode and on the other hand there is a cathode. Such anodes or cathodes are Usually designed as gas diffusion electrodes, as exemplified in DE 195 44 323 A1 are described. Passed through a gas diffusion electrode Flat gas to the membrane, the electrode being catalytically coated, whereby the desired catalytic oxidation of the fuel takes place. The Gas diffusion electrodes are usually by an electrically conductive Supported plate, via which the contact is made. This is it either around an end plate or when multiple fuel cells into one Stack are connected in series to a bipolar plate, which is to both Side gas diffusion electrodes supported. These plates are more common also the gas supply to the gas diffusion electrodes, for which purpose Channels are provided in the plates. Such a structure is also at Elek to find trolysis cells, especially in the case of reversible fuel cells.

Diese bipolaren Platten bzw. Endplatten haben also mehrere Aufgaben zu erfüllen. Sie müssen gasdicht sein, sie müssen gut leitend sein und sollen darüber hinaus kostengünstig in der Herstellung sein, da solche Brennstoffzellen üblicherweise zu einem Stack in Reihe geschaltet werden, in dem eine Vielzahl solcher Platten benötigt wird. Wegen der auf der Plattenoberfläche bzw. -ober flächen vorgesehenen Kanäle kommt als Herstellungsverfahren derzeit nur das Spritzgießen in Frage, da eine spanabhebende Bearbeitung einer solchen Platte unverhältnismäßig teuer wäre. Wegen der Leitfähigkeitsanforderungen sind diese Platten jedoch nach wie vor aufwändig in der Herstellung. Dem Kunststoff wird zum Erhalt einer guten Leitfähigkeit ein hoher Kohlenstoffanteil bei gemengt. Das sonst zur Leitfähigkeitssteigerung bekannte Beimengen von Metallpulver ist für diesen Anwendungszweck nicht geeignet, da dann die Oberflächen der Platten aufgrund der mit ihnen in Kontakt kommenden Medien oxidieren können, wodurch der Übergangswiderstand unzulässig steigt. Das Beimengen von Edelmetallen in entsprechender Konzentration kommt aus Kostengründen nicht in Betracht.These bipolar plates or end plates therefore have several tasks fulfill. They have to be gastight, they have to be good conductors and they should be above them also be inexpensive to manufacture because such fuel cells usually connected in series to a stack in which a variety such plates is needed. Because of the on the surface or top of the plate provided channels currently comes only as the manufacturing process Injection molding in question since machining such a plate would be disproportionately expensive. Because of the conductivity requirements however, these plates are still complex to manufacture. The plastic will maintain a high carbon content to maintain good conductivity mixed. The admixture of otherwise known for increasing conductivity Metal powder is not suitable for this application, because then the Surfaces of the plates due to the media that come into contact with them can oxidize, which increases the contact resistance inadmissible. The Mixing precious metals in appropriate concentration comes from Cost considerations not considered.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gat tungsgemäße elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, so auszubilden, dass sie in großen Stückzahlen kostengünstig herstellbar ist, insbesondere die elektrisch leitfähigen bipolaren Platten bzw. die elektrisch leitfähigen Endplatten.Against this background, the invention has for its object a gat According electrochemical cell, in particular a fuel cell, so to train them to be inexpensive to manufacture in large quantities, especially the electrically conductive bipolar plates or the electrically conductive end plates.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung angegeben.This object is achieved according to the invention by those specified in claim 1 Features solved. Advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims and the description below.

Gemäß der Erfindung ist somit vorgesehen, bei einer einzelnen Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle die Endplatten bzw. bei einem Stack von Zellen die bipolaren Platten und die Endplatten aus Kunststoff als Spritzgussteile herzu stellen und dabei zur Erhöhung der Leitfähigkeit einerseits dem Kunststoff einen nichtmetallischen leitfähigen Stoff und andererseits Metallfasern zuzumischen. Diese die Leitfähigkeit erhöhenden Komponenten haben den Effekt, dass durch den nichtmetallischen Stoff, beispielsweise auf Kohlenstoffbasis, eine Grund leitfähigkeit des Werkstoffes geschaffen wird, die jedoch nicht so hoch wie bei Platten bekannter Art aus Spritzguss sein muss, wodurch die Herstellung deut lich vereinfacht und verbilligt wird. Diese Grundleitfähigkeit dient im Wesentli chen dazu, den Übergangswiderstand an der Oberfläche gering zu halten und die kurzen Brücken innerhalb des Werkstoffes zwischen den Metallfasern zu bilden. Die eigentliche Leitfähigkeit hingegen wird durch die im Kunststoff eingeglie derten Metallfasern gewährleistet. Da die Metallfasern innerhalb des Werk stoffes durch den Werkstoff selbst geschützt sind, besteht die Gefahr einer Oxidation nur im Bereich der Oberfläche. Der Übergangswiderstand im Bereich der Oberfläche der Platte wird jedoch nicht entscheidend durch die Metallfasern, sondern durch den die Leitfähigkeit erhöhenden nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere Kohlenstoff, bestimmt, der insoweit unempfindlich ist. Durch die Metallfasern wird also eine gute Leitfähigkeit innerhalb des Werkstoffes sicher gestellt, wohingegen der nichtmetallische Werkstoff für einen kleinen Über gangswiderstand und die Leitung zwischen den Metallfasern sorgt. Es kann somit bei vergleichsweise geringem Anteil von Zusatzwerkstoff (nicht metalli scher leitender Stoff sowie Metallfasern) eine hohe Leitfähigkeit im Kunststoff erzielt werden, ohne die sonst bei hoher Leitfähigkeit auftretenden Festigkeits probleme im Werkstoff oder Herstellungsprobleme zu induzieren.The invention thus provides for a single fuel cell or the end plates of an electrolytic cell or, in the case of a stack of cells, the bipolar plates and the end plates made of plastic as injection molded parts provide and to increase the conductivity on the one hand the plastic one non-metallic conductive substance and on the other hand to mix metal fibers. These components that increase the conductivity have the effect that the non-metallic substance, for example based on carbon, a reason conductivity of the material is created, but not as high as in Plates of known type must be injection molded, which indicates the manufacture is simplified and cheaper. This basic conductivity essentially serves Chen to keep the contact resistance on the surface low and the to form short bridges within the material between the metal fibers. The actual conductivity, however, is embedded in the plastic guaranteed metal fibers. Because the metal fibers inside the factory are protected by the material itself, there is a risk of Oxidation only in the area of the surface. The contact resistance in the area the surface of the plate, however, is not critical by the metal fibers, but by the non-metallic material which increases the conductivity, in particular carbon, which is insensitive to this extent. Through the Metal fibers thus ensure good conductivity within the material posed, whereas the non-metallic material for a small over resistance and the line between the metal fibers. It can thus with a comparatively low proportion of filler material (not metallic sher conductive material and metal fibers) a high conductivity in the plastic can be achieved without the strength that would otherwise occur with high conductivity to induce problems in the material or manufacturing problems.

Die Metallfasern brauchen nicht aus einem Edelmetall zu sein, sollten jedoch bevorzugt aus Edelstahl, Titan oder einer Legierung daraus bestehen, um auch im Oberflächenbereich weitgehend unempfindlich gegen Oxidation zu sein. Darüber hinaus ist diese Eigenschaft auch von Vorteil bei Verwendung einer Vielzahl von Kunststoffen, die nicht vollständig diffusionsdicht sind, so dass bei Langzeiteinwirkungen auch eine Oxidation innerhalb des Werkstoffes eintreten könnte.The metal fibers need not be made of a noble metal, but should preferably made of stainless steel, titanium or an alloy thereof, too to be largely insensitive to oxidation in the surface area. In addition, this property is also advantageous when using a Variety of plastics that are not completely diffusion-proof, so that Long-term effects also lead to oxidation within the material could.

Schon ein vergleichsweise geringer Metallfaseranteil bewirkt eine gute Leit fähigkeit des Kunststoffs. Der Anteil der Metallfasern wird vorzugsweise zwischen 1 und 15 Gewichtsprozenten, vorzugsweise im Bereich von etwa 7 bis 8% bezogen auf das Gesamtgewicht des Spritzgussbauteils, liegen. Dabei haben bei geeigneter Wahl von Durchmesser und Länge die Metallfasern noch die positive Eigenschaft, dass sie die Festigkeitseigenschaften des Grundwerkstoffes verbessern, insbesondere im Hinblick auf Zug- und Biegefestigkeit. Da die Metallfasern gegenüber dem Kunststoff verhältnismäßig schwer sind, entspre chen die vorstehend angegebenen Gewichtsprozente in der Regel Volumen prozenten von unter 3%. Dieser geringe Metallfaseranteil führt dazu, dass die damit versehenen Kunststoffe, insbesondere Thermoplaste, gut zu verarbeiten sind und in der Regel keine besonderen Vorkehrungen bei der Verarbeitung des Werkstoffes zu treffen sind.Even a comparatively low metal fiber content leads to good conduct ability of the plastic. The proportion of metal fibers is preferred between 1 and 15 percent by weight, preferably in the range of about 7 to 8% based on the total weight of the injection molded component. Have along with a suitable choice of diameter and length, the metal fibers still positive property that it has the strength properties of the base material improve, especially with regard to tensile and bending strength. Since the Metal fibers are relatively heavy compared to the plastic, correspond Chen the weight percentages given above usually volume percentages below 3%. This low metal fiber content means that the plastics provided with it, in particular thermoplastics, are easy to process are and usually no special precautions when processing the Material to be taken.

Nach dem Stand der Technik werden thermoplastische Kunststoffe, beispiels weise Polyamid, mit bis zu 40% Kohlenstoff angereichert, um eine Leitfähig keit des Kunststoffs zu erreichen. Die damit erzielbare Leitfähigkeit stellt aber immer noch einen Kompromiss zwischen wirtschaftlicher Herstellung und den technischen Anforderungen im Hinblick auf die Leitfähigkeit dar. Würde man dem Kunststoff mehr Kohlenstoff zur Erhöhung der Leitfähigkeit hinzufügen, so wäre dieser nicht mehr spritzfähig, was die Fertigungskosten erheblich erhöhen würde. Gemäß der Erfindung ist daher vorgesehen, die Grundleitfähigkeit des Kunststoffes durch Beimengen eines die Leitfähigkeit erhöhenden nichtmetalli schen Stoffes, typischerweise auf Kohlenstoffbasis, zu bewirken, beispielsweise durch Beimengen von Ruß oder Grafit, wie dies auch nach dem Stand der Technik erfolgt. Eine ganz erhebliche Leitfähigkeitssteigerung wird jedoch gemäß der Erfindung durch die zusätzlich dem Kunststoff beigemengten Metall fasern erreicht. Es wird ein Teil der Kohlenstoffbeimengung durch die Metall fasern ersetzt, wodurch die Leitfähigkeit ganz erheblich gesteigert werden kann. Dabei wird der Werkstoff jedoch so konditioniert, dass die Spritzfähigkeit voll erhalten bleibt. According to the prior art, thermoplastics, for example wise polyamide, enriched with up to 40% carbon to make it conductive speed of the plastic. The conductivity that can be achieved with this, however still a compromise between economical production and technical requirements in terms of conductivity. Would you add more carbon to the plastic to increase conductivity, so this would no longer be sprayable, which would significantly increase manufacturing costs would. According to the invention it is therefore provided that the basic conductivity of the Plastic by adding a non-metallic material that increases conductivity rule, typically based on carbon, for example by adding carbon black or graphite, as is also the case with the Technology is done. A very significant increase in conductivity will, however according to the invention by the metal additionally added to the plastic fibers reached. It becomes part of the carbon admixture through the metal fibers replaced, which can significantly increase the conductivity. However, the material is conditioned so that the sprayability is full preserved.

Es werden bevorzugt Metallfasern eingesetzt, die einen mittleren Durchmesser von 8 µm bei einer Länge von etwa 5 mm haben. Diese Metallfasern werden bevorzugt kunststoffummantelt dem eigentlichen Spritzgusswerkstoff, z. B. einem Polyamid, zugegeben. Die intensive Durchmischung erfolgt innerhalb des Extruders, wobei die Kunststoffummantelung der Metallfasern aufschmilzt und sich in dem übrigen Kunststoff verteilt.Metal fibers with an average diameter are preferably used of 8 µm with a length of about 5 mm. These metal fibers will be preferably plastic-coated the actual injection molding material, e.g. B. a polyamide. The intensive mixing takes place within the Extruders, whereby the plastic coating of the metal fibers melts and is distributed in the rest of the plastic.

Bevorzugt wird auch der nichtmetallische Stoff in Faserform zugefügt, beispiels weise in Form von Kohlefasern mit einem mittleren Durchmesser von 12 µm bei einer Länge von etwa 6 mm. Auch die Kohlefasern werden dem Granulat vor dem Extrusionsvorgang zusammen mit den Metallfasern zugemischt, wobei auch hier innerhalb des Extruders eine intensive Durchmischung stattfindet, die allerdings dazu führt, dass die Kohlefasern brechen und dann eine durchschnitt liche Länge von etwa 100 µm aufweisen. Der Gesamtanteil von Kohlefasern und Metallfasern sollte 40 Gewichtsprozent nicht überschreiten, um die Spritz fähigkeit des Materials zu gewährleisten.The non-metallic substance in fiber form is also preferably added, for example wise in the form of carbon fibers with an average diameter of 12 microns at a length of about 6 mm. The carbon fibers are also in front of the granulate the extrusion process mixed with the metal fibers, wherein Here, too, there is intensive mixing within the extruder however, it causes the carbon fibers to break and then an average Liche length of about 100 microns. The total proportion of carbon fibers and metal fiber should not exceed 40 weight percent to make the spray to ensure the ability of the material.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to one in the drawing Exemplary embodiment explained. Show it:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Brennstoffzelle und Fig. 1 shows the schematic structure of a fuel cell and

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Endplatte einer solchen Brennstoffzelle. Fig. 2 shows a section through an end plate of such a fuel cell.

Der Aufbau der Brennstoffzelle entspricht im Wesentlichen dem aus DE 195 44 323 A1 bekannten. Die in Fig. 1 in Explosionsdarstellung schematisch dar gestellte Brennstoffzelle besteht aus einer Endplatte 1, einer Gasdiffusionselek trode 2, einer gasdichten und ionendurchlässigen Polymerelektrolytmembran 3, einer weiteren Gasdiffusionselektrode 4 sowie einer zweiten Endplatte 5, die über jeweils dichtende Rahmenteile und (nicht dargestellte) mechanische Be festigungen fest und dicht miteinander verbunden sind. In den Endplatten 1 und 5 sind mäanderförmig geführte Kanäle vorgesehen, die zur Gasdiffusionsmem bran hin offen sind. Über die Endplatten 1 und 5, die leitend an den Gasdiffu sionselektroden 2 bzw. 4 anliegen, werden die Reaktionsgase, beispielsweise Wasserstoff durch die Endplatte 5 und Sauerstoff durch die Endplatte 1, zu geführt. Das Gas gelangt über die zur Gasdiffusionselektrode offenen Kanäle in diese hinein und reagiert mit den dort aufgebrachten Katalysatoren in Form einer katalytischen Verbrennung. Die dabei entstehende elektrische Energie kann über die Endplatten 1 und 5 abgenommen werden.The structure of the fuel cell essentially corresponds to that known from DE 195 44 323 A1. The fuel cell shown schematically in FIG. 1 in an exploded view consists of an end plate 1 , a gas diffusion electrode 2 , a gas-tight and ion-permeable polymer electrolyte membrane 3 , a further gas diffusion electrode 4 and a second end plate 5 , which have respective sealing frame parts and (not shown) mechanical Be fastenings are firmly and tightly connected. In the end plates 1 and 5 meandering channels are provided, which are open to the gas diffusion membrane. Via the end plates 1 and 5 , which are in conductive contact with the gas diffusion electrodes 2 and 4 , the reaction gases, for example hydrogen through the end plate 5 and oxygen through the end plate 1 , are supplied. The gas passes into the channels open to the gas diffusion electrode and reacts with the catalysts applied there in the form of catalytic combustion. The resulting electrical energy can be removed via the end plates 1 and 5 .

In Fig. 2 ist der einleitend beschriebene Aufbau dieser Endplatten schematisch dargestellt. Dabei ist mit 6 ein thermoplastischer Grundwerkstoff, hier ein Polyamid, dargestellt, dem vor dem Exarusionsvorgang Kohlefasern 7 sowie Metallfasern 8 beigemengt worden sind. Wie insbesondere die vergrößert dargestellte Einzelheit der Figur verdeutlicht, liegen die vergleichsweise langen Metallfasern räumlich verteilt in dem Kunststoff angeordnet und bilden ein dreidimensionales Gebilde mit netzartiger Struktur. Die mehrere Millimeter langen Metallfasern überbrücken dabei die großen Entfernungen im Werkstoff, wodurch eine gute Leitfähigkeit erzielt wird. Im Bereich der Oberfläche und zwischen den Metallfasern 8 bilden die in wesentlich größerer Anzahl vorhande nen Kohlefasern 7 leitende Brücken. Insbesondere im Oberflächenbereich, wo die Metallfasern korrodieren könnten, dienen die Kohlefasern 7 dazu, einen möglichst geringen Übergangswiderstand bei Kontaktierung von der Oberfläche her zu erreichen. Die Endplatten 1 und 5 sind in Spritzguss gefertigt, wobei dem als Granulat vorliegenden Grundwerkstoff, einem Polyamid, 30 Gewichts prozent Kohlefasern und 10 Gewichtsprozent kunststoffummantelte Edelstahl metallfasern beigemengt worden sind, die innerhalb der Extruderschnecke intensiv miteinander vermengt worden sind, wobei die Kunststoffummantelung der Metallfasern 8 aufgeschmolzen und somit ein Gefüge ähnlich dem in Fig. 2 dargestellten entstanden ist.In Fig. 2 the structure of these end plates described above is shown schematically. 6 shows a thermoplastic base material, here a polyamide, to which carbon fibers 7 and metal fibers 8 have been added before the extrusion process. As the detail of the figure shown enlarged shows in particular, the comparatively long metal fibers are arranged spatially distributed in the plastic and form a three-dimensional structure with a net-like structure. The metal fibers, which are several millimeters long, bridge the large distances in the material, which ensures good conductivity. In the area of the surface and between the metal fibers 8 , the substantially larger number of existing carbon fibers 7 form conductive bridges. In particular in the surface area where the metal fibers could corrode, the carbon fibers 7 serve to achieve the lowest possible contact resistance when contacting from the surface. The end plates 1 and 5 are made by injection molding, metal fibers being added to the base material, which is in the form of granules, a polyamide, 30 percent by weight carbon fibers and 10 percent by weight plastic-coated stainless steel, which have been mixed intensively within the extruder screw, the plastic coating of the metal fibers 8 melted and thus a structure similar to that shown in Fig. 2 has arisen.

Claims

1. Electrochemical cell, in particular fuel cell, with a poly merelectrolyte membrane ( 3 ) and with at least one electrically conductive bipolar plate ( 1 , 5 ) or electrically conductive end plate, which is made by injection molding and essentially made of plastic ( 6 ) and one which is conductive speed increasing non-metallic substance ( 7 ), characterized in that to further increase the conductivity metal fibers ( 8 ) are incorporated into the plastic.

2. Electrochemical cell according to claim 1, characterized in that the metal fibers ( 8 ) consist of stainless steel, titanium or an alloy thereof.

3. Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fibers ( 8 ) have a share of 1% to 15%, preferably of about 7 to 8% of the total weight of the respective injection molded component.

4. Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fibers ( 8 ) have an average length of 2 to 10 mm.

5. Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fibers ( 8 ) have an average diameter of 6 to 20 µm.

6. Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the plastic is a thermoplastic, preferably a polyamide ( 6 ) and the conductivity-increasing non-metallic substance is carbon in the form of carbon black or graphite.

7. Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon is formed in the form of carbon fibers ( 7 ).