DE10143659A1

DE10143659A1 - Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel mit Luft- oder Sauerstoffversorgung

Info

Publication number: DE10143659A1
Application number: DE10143659A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schubert; Rolf Schicke
Original assignee: PSFU PROFILSCHLEIF FERTIGUNGS
Current assignee: PSFU PROFILSCHLEIF FERTIGUNGS
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: DE10143659B4

Abstract

Bipolarplatten für PEMFC- oder DMFC-Stacks werden bislang üblicherweise entweder aus Metall, aus Graphit oder aus einer mehr oder weniger homogenen Mischung eines kohlenstoffhaltigen Komposits hergestellt, wobei die Gaszu- bzw. -abführungskanäle i. a. durch Fräsen gefertigt werden. Neben der vergleichsweise langen Bearbeitungszeit zur Herstellung einer Bipolarplatte wirkt sich diese Fertigungstechnik auch nachteilig bzgl. der Standzeit der Bearbeitungswerkzeuge aus. Beides führt zu vergleichsweise hohen Fertigungskosten. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Fertigungstechnik einer Bipolarplatte besteht dagegen aus der Technik des Profilschleifens, wobei einerseits eine wesentlich kürzere Bearbeitungszeit pro Werkstück erzielt wird; andererseits erlaubt diese Technik im Gegensatz zum üblichen Fräsen auch die Herstellung wesentlich schmalerer Gaskanäle, was zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Gaszufuhr bzw. -abfuhr sehr vorteilhaft ist. DOLLAR A Bipolarplatte für den Einsatz in PEMFC- oder DMFC-Stacks.

Description

Brennstoffzellenstapel enthalten i. a. als eine der wesentlichen Komponenten sogenannte Bipolarplatten (5) zur Versorgung der Anoden und Kathoden mit den Reaktionsgasen (i. a. Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft), Ableitung des Reaktionsproduktes (i. a. Wasser), Ableitung der überschüssigen Reaktionsgase als auch zur elektrischen Verbindung (Reihenschaltung) der einzelnen Zellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels. Fig. 1 zeigt in schematischer Weise weitere wesentliche Komponenten eines PEM-Brennstoffzellenstacks: eine protonenleitende Membran (1) für die von der Anoden- zur Kathodenseite wandernden Protonen (6), katalytisch aktive Schichten (2), Gasdiffusionsschichten (3), die gleichzeitig der Verteilung der Reaktionsgase auf beiden Seiten der Membran sowie der elektronischen Kontaktierung der katalytisch aktiven Schichten dienen, sowie Stromableiter (4). Durch Hintereinanderschaltung der einzelnen Zellen addieren sich die Einzelzellspannungen; zur Erzielung technisch interessanter Klemmenspannungen über den gesamten Stack ist für viele Anwendungsfälle eine größere Anzahl von Bipolarplatten innerhalb eines Stacks nötig (typische Werte liegen im Bereich von ca. 100 Platten), so daß sowohl der Materialauswahl als auch der geometrischen Gestaltung sowohl im Hinblick auf die Material- und Fertigungskosten als auch bzgl. der erzielbaren Performance des Stacks eine wesentliche Bedeutung zukommt.
Häufig eingesetzte Materialien für Bipolarplatten sind verschiedene Metalle (z. B. Edelstahl, oberflächenveredelter Stahl, Aluminium), galvanisch beschichtete Materialien sowie Graphit bzw. seit kurzem auch graphithaltige Komposite mit einem Polymer als Binder. In diese Materialien, die zunächst in der Regel als ebene Platten mit Dicken im Bereich zwischen ca. 2 mm und 6 mm vorliegen, werden i. a. Gaskanäle unterschiedlicher Struktur bezüglich der geometrischen Linienführung entlang der Oberfläche der Bipolarplatte eingefräst, wohingegen die Kanalquerschnittsflächen beim derzeitigen Stand der Technik rechteckförmig sind.
Nachteile des derzeitigen Entwicklungsstandes sind:

- die Art der Materialbearbeitung (Fräsen dünner Kanäle) ist kostenaufwendig; aus diesem Grund werden von verschiedenen Forschungsgruppen und Unternehmen alternative Fertigungstechniken untersucht, insbesondere im Bereich der graphitischen Komposite (Prägetechniken, Spritztechnik). Die letztgenannten Fertigungsverfahren sind jedoch noch nicht zur Marktreife entwickelt;
- die mechanischen Eigenschaften graphithaltiger Komposite oder reinen Graphits (Neigung zum Abbrechen, insbesondere an Kanten und Ecken) sind gegenüber Metallen, wie Stahl oder Aluminium, von Nachtei;
- die gegenüber Metallen geringere, elektrische Leitfähigkeit der graphithaltigen Materialien.

Um die genannten Vorteile metallischer Materialien für die Anfertigung von Bipolarplatten nutzen zu können, wird für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte das Verfahren des Profilschleifens eingesetzt, welches gegenüber dem Stand der Technik (Fräsen) bzgl. der Herstellung metallischer Bipolarplatten u. a. folgende Vorteile aufweist:

- das Verfahren ist wesentlich kostengünstiger;
- die Präzision der hier insbesondere bedeutsamen Kanalstrukturen ist vergleichbar oder besser bzgl. der einzuhaltenden Maße, insbesondere in lateraler Richtung;
- mit dem Verfahren des Profilschleifens können Strukturen in Dimensionen gefertigt werden, die der üblichen Frästechnik nicht oder nur schwierig zugänglich sind (beispielsweise Kanal- bzw. Stegbreiten unterhalb von ca. 400 Mikrometern);
- ohne besonderen Aufwand, d. h., lediglich durch Auswahl des entsprechenden Bearbeitungswerkzeugs, sind nichtrechteckförmige Kanalquerschnittsflächen zu realisieren, was dazu führt, daß die Dicke der Bipolarplatte reduziert werden kann ohne Reduzierung der Kanalquerschnittsfläche, d. h., Kostenreduktion sowie kompaktere Stackbauweise sind möglich (vgl. Fig. 2c).

Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte besteht aus den vorgenannten Gründen daher aus Metall, vorteilhafterweise Aluminium, welches nach der mechanischen Bearbeitung mit einem Nickelüberzug u. a. als Korrosionsschutz versehen wird. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte wird mit dem Verfahren des Profilschleifens hergestellt, wobei insbesondere die Eigenart des Verfahrens, parallele Kanäle auch unterschiedlicher Querschnittsgeometrie in einem Arbeitsgang fertigen zu können, von Vorteil ist.
Ein weiterer Vorzug ergibt sich aus den speziellen Anforderungen bei Betrieb der Brennstoffzelle mit Umgebungsluft ohne zusätzliche Kompression ("selbstatmend"), wo einseitig durchgehende Kanäle von einer Kante des Werkstücks zur gegenüberliegenden von Vorteil sind. Aber auch für den Fall, daß die Kanäle in Bearbeitungsrichtung vor den Kanten des Werkstücks enden sollen, läßt sich das kostengünstige Verfahren des Profilschleifens bei Wahl entsprechend kleiner Radien des Bearbeitungswerkzeugs sowie einer entsprechenden Verfahreinrichtung des Werkzeugs senkrecht zur Werkstückoberfläche vorteilhaft einsetzen. Durch Verwendung von Profilschleifwerkzeugen, die im Querschnitt halbkreisförmige, trapezförmige, annähernd dreieckförmige oder andere Vertiefungen in die Werkstückoberfläche einbringen (siehe Abb. 2), kann darüberhinaus bei entsprechender Gestaltung der Bipolarplatte (seitlicher Versatz der Kanäle auf Ober- und Unterseite um je eine halbe Kanalbreite, parallel verlaufende Vertiefungen) eine im Gegensatz zur Realisierung von Vertiefungen mit rechteckigen oder quadratischen Querschnittsflächen besonders kompakte Form der Bipolarplatte erzielt werden, so daß eine gegenüber dem Stand der Technik verkürzte Bauweise eines PEMFC-Stacks bei vergleichbarer Leistung resultiert.

Claims

1. Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wobei die zur Herstellung verwendete, ebene Platte aus Metall oder einem anderen, elektrisch leitenden Material mindestens auf einer Seite mit dem Verfahren des Profilschleifens bearbeitet wird, so daß innerhalb eines Teils der Oberfläche (einseitig oder beidseitig) parallel verlaufende Vertiefungen in die Werkstückoberfläche eingebracht werden.

2. Eine Bipolarplatte nach Anspruch 1, wobei durch Auswahl und Steuerung des Bearbeitungswerkzeugs beim Profilschleifen, d. h., durch Wahl eines entsprechend kleinen Radius des Werkzeugs sowie einer gesteuerten Bewegung des Werkzeugs senkrecht zur Werkstückoberfläche erreicht wird, daß die durch das Bearbeitungsverfahren des Profilschleifens entstehenden, genannten, parallelen Vertiefungen nicht notwendigerweise von einer Außenkante des Werkstücks zu einer gegenüberliegenden Außenkante reichen, sondern vielmehr innerhalb der zu bearbeitenden Oberfläche enden, insbesondere eine geometrische und funktionale Verbindung zwischen zwei gegenüberliegenden Bohrungen oder Ausfräsungen herstellen.

3. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei die geometrische Orientierung der auf Ober- und Unterseite durch das Profilschleifen entstehenden, parallelen Vertiefungen unterschiedlich ist, d. h., zwischen den Richtungen der Vertiefungen auf Ober- und Unterseite Winkel im Bereich zwischen einschließlich null Grad und neunzig Grad auftreten.

4. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei der Winkel zwischen den Richtungen der auf Ober- und Unterseite angebrachten, parallelen Vertiefungen neunzig Grad beträgt.

5. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Form der ein- oder beidseitig in die Werkstückoberfläche eingebrachten, parallelen Vertiefungen im Querschnitt rechteckförmig oder quadratisch ist.

6. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Form der ein- oder beidseitig in die Werkstückoberfläche eingebrachten, parallelen Vertiefungen im Querschnitt weder rechteckförmig noch quadratisch ist, sondern eine beliebige Geometrie aufweist.

7. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Form der ein- oder beidseitig in die Werkstückoberfläche eingebrachten, parallelen Vertiefungen im Querschnitt halbkreisförmig ist.

8. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Form der ein- oder beidseitig in die Werkstückoberfläche eingebrachten, parallelen Vertiefungen im Querschnitt trapezförmig oder annähernd trapezförmig ist.

9. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Form der ein- oder beidseitig in die Werkstückoberfläche eingebrachten, parallelen Vertiefungen im Querschnitt annähernd dreieckförmig ist.

10. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das Verhältnis des Flächenanteils der Vertiefungen zum Flächenanteil der unbearbeiteten Oberfläche, d. h., das Verhältnis der Kanalbreiten zu den Stegbreiten im Falle gleich breiter Kanäle, zwischen 0,1 und 0,9 liegt.

11. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Breite der in die Werkstückoberfläche eingebrachten Vertiefungen von Vertiefung zu Vertiefung, d. h., quer zur Bearbeitungsrichtung, in beliebiger Weise, d. h., je nach Geometrie der eingesetzten Schleifscheibe, variiert.

12. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Vertiefungen auf beiden Seiten des Werkstücks parallel zueinander verlaufen und jeweils um etwa einen halben Abstand der Vertiefungen gegeneinander versetzt sind (siehe Fig. 2).

13. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Formen der Vertiefungen, d. h., die Querschnittsprofile, auf beiden Seiten des Werkstücks unterschiedlich sind (Fig. 2a).

14. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Maße der Vertiefungen senkrecht zur Werkstückoberfläche quer zur Bearbeitungsrichtung variieren.

15. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Maße der Vertiefungen senkrecht zur Werkstückoberfläche in Bearbeitungsrichtung variieren.

16. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Maße der Vertiefungen senkrecht zur Werkstückoberfläche sowohl in Bearbeitungsrichtung als auch quer zur Bearbeitungsrichtung variieren.