DE10143659B4

DE10143659B4 - Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel mit Luft- oder Sauerstoffversorgung

Info

Publication number: DE10143659B4
Application number: DE10143659A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schubert; Rolf Dr.-Ing. Schicke
Original assignee: PSFU PROFILSCHLEIF FERTIGUNGS; PSFU PROFILSCHLEIF- FERTIGUNGS- und UMWELTTECHNIK GmbH
Current assignee: PSFU PROFILSCHLEIF FERTIGUNGS; PSFU PROFILSCHLEIF- FERTIGUNGS- und UMWELTTECHNIK GmbH
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: DE10143659A1

Abstract

Bipolarplatte aus Metall oder einem anderen elektrisch leitenden Material für einen Brennstoffzellenstapel, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Platte auf der Ober- oder Unterseite oder beidseitig mit dem Verfahren des Profilschleifens bearbeitet ist, so dass innerhalb eines Teils der Ober- oder Unterseite oder beider Seiten Kanalstrukturen in die Werkstückoberfläche eingebracht sind.

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. 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 Nachteil
– 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 Voreile 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. 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 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.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cell) oder DMFC (direct methanol fuel cell) mit dem schematischen Ausschnitt aus dem Brennstoffzellenstapel, wobei zwei aufeinanderfolgende Einzelzellen gezeigt werden. 2 zeigt Querschnittsprofile möglicher Ausführungsformen von Bipolarplatten, hergestellt nach dem Verfahren des Profilschleifens.
Der Anmelder erklärt, dass nach seinem Wissen der Stand der Technik durch die Druckschrift FR 2 786 027 A1 wiedergegeben wird.

Claims

Bipolarplatte aus Metall oder einem anderen elektrisch leitenden Material für einen Brennstoffzellenstapel, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Platte auf der Ober- oder Unterseite oder beidseitig mit dem Verfahren des Profilschleifens bearbeitet ist, so dass innerhalb eines Teils der Ober- oder Unterseite oder beider Seiten Kanalstrukturen in die Werkstückoberfläche eingebracht sind.
Bipolarplatte nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Teils der Ober- oder Unterseite oder beider Seiten parallel verlaufende Kanalvertiefungen in die Werkstückoberfläche eingebracht sind
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei die durch das Bearbeitungsverfahren des Profilschleifens entstehenden genannten parallelen Kanalvertiefungen nicht notwendigerweise von einer Außenkante des Werkstücks zu einer gegenüberliegenden Außenkante reichen, sondern vielmehr innerhalb der zu bearbeitenden Oberfläche enden, insbesondere eine funktionale Verbindung zwischen zwei gegenüberliegenden Bohrungen oder Ausfräsungen herstellen.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die geometrische Orientierung der auf Ober- und Unterseite durch das Profilschleifen entstehenden parallelen Kanalvertiefungen derart ausgestaltet ist, dass zwischen den Richtungen der Kanalvertiefungen auf Ober- und Unterseite Winkel zwischen einschließlich Null Grad und neunzig Grad bestehen.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen l bis 3, wobei der Winkel zwischen den Richtungen der auf Ober- und Unterseite eingebrachten parallelen Kanalvertiefungen neunzig Grad beträgt.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die Form der ein- oder beidseitig in die Werkstückoberfläche eingebrachten parallelen Kanalvertiefungen im Querschnitt rechteckförmig oder quadratisch ist.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die Form der ein- oder beidseitig in die Werkstückoberfläche eingebrachten parallelen Kanalvertiefungen im Querschnitt weder rechteckförmig noch quadratisch ist, sondern eine beliebige Geometrie aufweist.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die Form der ein- oder beidseitig in die Werkstückoberfläche eingebrachten parallelen Vertiefungen im Querschnitt halbkreisförmig ist.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die Form der ein- oder beidseitig in die Werkstückoberfläche eingebrachten parallelen Kanalvertiefungen im Querschnitt trapezförmig oder annähernd trapezförmig ist.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die Form der ein- oder beidseitig in die Werkstückoberfläche eingebrachten parallelen Kanalvertiefungen im Querschnitt dreieckförmig oder annähernd dreieckförmig ist.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5 und einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Verhältnis der Kanalbreiten zu den Stegbreiten im Falle gleich breiter Kanäle zwischen 0,1 und 0,9 liegt.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5 und einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Breite der in die Werkstückoberfläche eingebrachten Kanalvertiefungen variiert.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 4 und einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Kanalvertiefungen auf beiden Seiten des Werkstücks parallel zueinander verlaufen und jeweils um etwa einen halben Abstand der Vertiefungen gegeneinander versetzt sind.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5 und einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die Querschnittsprofile der Kanalvertiefungen auf beiden Seiten des Werkstücks unterschiedlich sind.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5 und einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Tiefe der Kanäle variiert.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5 und einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Tiefe der Kanäle in Bearbeitungsrichtung variiert.
Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5 und einem der Ansprüche 15 und 16, wobei die Tiefe der Kanäle sowohl in Bearbeitungsrichtung, als auch quer zur Bearbeitungsrichtung variiert.