DE10159008A1

DE10159008A1 - Bipolarplatte, Pressvorrichtung sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen

Info

Publication number: DE10159008A1
Application number: DE10159008A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Kehr; Volker Banhardt; Guenter Rinn
Original assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Current assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-12
Also published as: WO2003047016A2; AU2002358566A1; WO2003047016A3; AU2002358566A8; EP1470604A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, die aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff und einem Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.-% bis 95 Gew.-% besteht, wobei die Bipolarplatte zumindest bereichsweise eine Struktur wie offene oder geschlossene Kanäle zum Führen bzw. Durchströmen eines Fluids aufweist. Um ein Versperren der Kanäle durch z. B. Flüssigkeitstropfen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass der strukturierte Bereich (22) der Bipolarplatte (12, 14) zumindest abschnittsweise hydrophob ausgebildet oder mit einer hydrophoben Schicht versehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, die aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff und einem Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.-% bis 95 Gew.-% besteht, wobei die Bipolarplatte zumindest bereichsweise eine Struktur wie offene oder geschlossene Kanäle zum Führen bzw. Durchströmen eines Fluids aufweist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Pressvorrichtung zum Formen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle bestehend aus einem wärmeaushärtbaren oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff- Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.-% bis 95 Gew.-%, wobei eine den Kunststoff und den Kohlenstoff-Füllstoff enthaltende Ausgangsmischung in eine Pressform eingefüllt und sodann mit einem Pressstempel der eine Struktur wie offene oder geschlossene Kanäle aufweisenden Bipolarplatte geformt wird.

In Brennstoffzellen kann chemische Energie mit hohem Wirkungsgrad direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. Das Grundprinzip wird durch eine räumliche Trennung von Reaktionspartnern wie Wasserstoff oder Methan einerseits und Sauerstoff bzw. Luft andererseits durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten wie Polymerelektrolytmembran verwirktlicht, die auf beiden Seiten mit porösen Elektroden - der Anode und der Kathode - in Kontakt steht. Auf diese Weise kann eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff nicht explosionsartig als Knallgasreaktion ablaufen, sondern so kontrolliert durchgeführt werden, dass ein Elektronenaustausch zwischen den Reaktionspartnern über einen äußeren Stromkreis erfolgt und somit die elektrische Energie liefert.

Die Elektroden bestehen häufig aus einer mit einem Katalysator versehener Rußschicht, die auf der Membran aufgebracht ist, wobei als Katalysatoren vorzugsweise Platin aber auch andere geeignete Edelmetalle wie Palladium verwendet werden.

Die Zufuhr der Reaktionspartner zu den Elektroden kann über Bipolarplatten erfolgen, die aus einem wärmeaushärtbaren Kunststoff mit Kohlenstofffüllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.-% bis 95 Gew.-% bestehen. In die den Elektroden zugewandten Flächen der Bipolarplatten sind Kanäle eingelassen, entlang der die Reaktionspartner strömen. Wird als Reaktionsgas Wasserstoff der Anode der Brennstoffzelle zugeführt, so werden in der Katalysatorschicht der Anode Kationen gebildet und gleichzeitig Elektronen an die elektronenleitende Anode abgegeben. Als Oxidationsmittel wird Sauerstoff oder Luft der Kathodenseite der Zelle zugeführt. Durch Aufnahme der durch die ionenleitfähige Membran diffundierten Wasserstoffionen (Protonen) und der durch den Außenstromkreis von der Anode zur Kathode fließenden Elektronen wird das Reaktionsgas Sauerstoff reduziert. Diese Reaktion läuft in der Katalysatorschicht der Kathode ab, die mit der Membran kontaktiert ist. Als Reaktionsprodukt entsteht Wasser. Die Reaktionsenthalpie wird in Form von elektrischer Energie und Wärme frei.

Damit die Reaktionspartner im hinreichenden Umfang mit der jeweiligen Elektrode bzw. dem in dieser vorhandenen Katalysator in Kontakt gelangen, wird zwischen der jeweiligen Elektrode und der Bipolarplatte eine Diffussionsschicht angeordnet. Somit wird die Elektrode durch die zwischen den Kanälen der Bipolarplatte vorhandenen Stege oder Wandungen nicht abgedeckt, wodurch andernfalls der Wirkungsgrad beeinträchtigt werden könnte.

Entsprechende Brennstoffzellen bzw. für diese bestimmte Bipolarplatten sind der DE 195 42 721 A1, DE 91 14 247 U1, DE 26 35 636 C2, WO 96/33520 oder der DE 198 29 142 A1 zu entnehmen.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades werden Bipolarplatten hergestellt, deren Kanaldichte zur Plattenfläche relativ groß ist. Hierdurch bedingt sind die Querschnitte des bzw. der Kanäle relativ gering mit der Folge, dass die Gefahr besteht, dass die Kanäle durch das entstehende Reaktionsprodukt Wasser und somit sich ausbildende Wassertropfen versperrt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Bipolarplatte bzw. ein Verfahren zum Herstellen einer solchen bzw. eine Pressvorrichtung zum Herstellen einer Bipolarplatte derart weiterzubilden, dass sichergestellt ist, dass Flüssigkeitstropfen die Kanäle der Bipolarplatte nicht versperren können.

Erfindungsgemäß wird das Problem bei einer Bipolarplatte der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass strukturierter Bereich der Bipolarplatte zumindest abschnittsweise hydrophob ausgebildet oder mit einer hydrophoben Schicht versehen ist.

Mit anderen Worten wird die Bipolarplatte derart weitergebildet, dass eine Tropfenbildung unterbunden wird. Hierzu wird insbesondere der sogenannte Lotus-Effekt ausgenutzt, der ein Anhaften von Wasser an einer Oberfläche verhindert, also Wasser gut abperlen lässt. Gleichzeitig wird eventuell vorhandener Schmutz mit entfernt.

Der Lotus-Effekt selbst ist an und für sich bekannt. Insoweit wird zum Beispiel auf das DE 201 01 170 U1, die DE 199 41 048 A1, die DE 199 43 299 A1 oder die DE 199 17 366 A1 verwiesen. Beschichtungen, die einen entsprechenden Lotus-Effekt bewirken, sind dabei jedoch ausschließlich für große Flächen wie Außenhaut von Gebäuden, Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen, Maschinen bestimmt und haben die grundsätzliche Aufgabe, die entsprechenden Flächen schmutzabweisend auszubilden.

Erfindungsgemäß ist dagegen vorgesehen, dass die Struktur einer Bipolarplatte ihrerseits mit einer Feinstruktur oder Mikrostruktur versehen ist, also eine Struktur in einer Struktur auszubilden. Die Fein- oder Mikrostruktur wird vorzugsweise durch Erhebungen gebildet, die eine mittlere Höhe H mit 5 nm ≤ H ≤ 1 µm aufweisen. Dabei kann die Feinstruktur durch Prägen, insbesondere beim Ausbilden der Struktur selbst mit ausgebildet sein. Die Feinstruktur kann aber auch durch eine Aufrauhung der Struktur durch vorzugsweise Ätzen oder Strahlung gebildet sein. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Feinstruktur durch Aufbringen eines Pulvers eines Polymers auszubilden, das zum Beispiel durch organische Siliziumverbindungen hydrophobiert ist. Insbesondere weist die Bipolarplatte auf ihrer kathodenseitig verlaufenden Struktur eine entsprechende Fein- oder Mikrostruktur auf.

Die Feinstruktur kann aber auch durch Plasmaabscheidung, Maskentechnik, Siebdruck, lithographisch, durch Plasmaätzen hergestellt sein oder als Slurry aufgebracht werden, also eine Technik zur Anwendung gelangt, die der eines Tintenstrahldruckers entspricht.

Eine Pressvorrichtung umfassend eine Pressform (Gesenk) sowie Pressstempel zur Herstellung einer eine Struktur aufweisenden Bipolarplatte zeichnet sich dadurch aus, dass die Pressform und/oder der Pressstempel eine Geometrie derart aufweist, dass sowohl die Form der Platte als auch eine zumindest bereichsweise Feinstrukturierung dieser ausbildbar ist. Dabei kann die Pressform und/oder der Pressstempel eine durch Erhebungen gebildete Feinstrukturierung aufweisen, wobei die Erhebungen im Mittel eine Höhe H mit 5 nm ≤ H ≤ 1 µm aufweisen.

Ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle bestehend aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.-% bis 95 Gew.-%, wobei eine den Kohlenstoff und und den Kohlenstoff-Füllstoff enthaltende Ausgangsmischung in eine Pressform eingefüllt und sodann mit einem Pressstempel zu der eine Struktur in Form von offenen oder geschlossenen Kanälen aufweisenden Bipolarplatte geformt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass die Struktur zumindest bereichsweise zur Erzielung einer Wasserabweisung feinstrukturiert wird. Insbesondere kann die Feinstruktur durch Plasmaabscheidung, Strahlung, Maskentechnik, Siebdruck, lithographisches Verfahren, Plasmaätzen oder Prägen ausgebildet werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Feinstruktur gleichzeitig beim Formen der Platte gebildet wird.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Brennstoffzelle,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Bipolarplatte und
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Presswerkzeuges.
In Fig. 1 ist rein prinzipiell und in auseinandergezogener Darstellung ein Ausschnitt einer Brennstoffzelle dargestellt, wobei eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 10 zwischen zwei Bipolarplatte 12, 14 angeordnet ist. Die Bipolarplatten können aus einem oder mehreren Abschnitten 16, 18 bestehen.
Unabhängig hiervon sollten die Bipolarplatten 12, 14 aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff (Duroplast bzw. Thermoplast) mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.-% bis 95 Gew.-% bestehen. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Techniken verwiesen. Auch weisen die Bipolarplatten 12, 14 zumindest auf der der Membran-Elektroden-Anordnung 10 zugewandten Fläche 20 eine Struktur in Form von vorzugsweise mäanderförmig verlaufenden Kanäle 22 auf, die gegebenenfalls in Sektionen unterteilt sind. Durch die Kanäle 22 strömen sodann Reaktanden - anodenseitig Wasserstoff oder Methan und kathodenseitig Luft oder Sauerstoff.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 10 umfasst eine für Kationen permeable Membran 24, entlang deren Flächen eine Rußschicht mit einem Edelmetallkatalysator wie Platin oder Palladium als Anode 26 bzw. Kathode 28 angeordnet sind. Anode 26 und Kathode 28 sind ihrerseits von jeweils einer Gasdiffusionsschicht 30, 32 abgedeckt, die bei zusammengesetzter Einheit bestehend aus den Bipolarplatten 12, 14 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10 die Kanäle 22 der Bipolarplatten 12, 14 vollständig abdecken, gleichzeitig jedoch die Möglichkeit bieten, dass die in den Kanälen 22 strömenden Reaktanden sich über die gesamten Elektrodenflächen verteilen können, damit die gewünschte chemische Reaktion mit hohem Wirkungsgrad ablaufen kann.
Da - abweichend von der Prinzipdarstellung in Fig. 1 - die Kanaldichte pro Bipolarfläche relativ groß sein sollte, weisen die Kanäle 22 einen kleinen Querschnitt mit der Folge auf, dass in den kathodenseitig verlaufenden Kanälen 22 durch die ablaufende chemische Reaktion entstehendes Wasser bzw. Wassertropfen ein Versperren der Kanäle 22 bewirken können. Um dies zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest die Kanäle 22 in ihren Flanken 34, 36 und/oder ihrer Bodenfläche 38 eine Fein- oder Mikrostruktur aufweisen, durch die die Wandungen 34, 36, 38 der Kanäle 22 hydrophob werden. Dabei kann die Feinstruktur in den Wandungen 34, 36, 38 selbst ausgebildet oder durch Auftragen einer Beschichtung hergestellt werden.
So kann zum Beispiel auf die Kanalwandungen 34, 36, 38 ein Pulver aufgebracht werden, das durch organische Siliziumverbindungen hydrophobiert wird.
Aber auch die Möglichkeit des Auftragens eines Plasmapolymerfilms, Aufrauen dieses durch Ätzen führt zu dem gleichen Ergebnis, wobei jedoch sicherzustellen ist, dass die aufgebrachten Schichten bzw. Filme die ablaufenden chemischen Prozesse zwischen den Reaktanden nicht stören.
Aber auch durch Plasmaabscheidung, Strahlung, Maskentechnik Siebdruck, lithographische Verfahren oder Plasmaätzen ist die Ausbildung der gewünschten Feinstruktur möglich.
Dabei wird die Feinstruktur im eigentlichen Sinne durch Erhebungen und zwischen diesen verlaufenden Tälern gebildet, wobei die Erhebungen eine mittlere Höhe H mit 5 nm ≤ H ≤ 1 µm aufweisen sollten. Der Abstand zwischen den einzelnen Erhebungen sollte im Mittel 10 nm bis 5 µm betragen.
Insbesondere ist jedoch vorgesehen, dass beim Pressen bzw. Formen der jeweiligen Bipolarplatte 18, 20 die Feinstruktur mit ausgebildet wird. So ist in Fig. 3 eine Pressvorrichtung 40 bestehend aus einem Gesenk oder Pressform 42 und einen in dessen Innenraum 44 verstellbaren Pressstempel 46 dargestellt. Das Gesenk 42 weist eine strukturierte Bodenfläche 48 auf, die der Negativform einer herzustellenden Bipolarplatte entspricht. Dabei weisen die Bereiche der Struktur, die bei der fertigen Bipolarplatte die Kanäle 22 begrenzen sollen, eine Mikrostruktur auf, die der Negativform der herzustellenden Fein-Mikrostruktur der fertigen Bipolarplatte entspricht.
Wie der vergrößerte Ausschnitt in Fig. 3 verdeutlicht, weisen die entsprechenden Bereiche eine durch spitze Erhebungen und Täler gebildete Oberflächengeometrie auf, die bei der fertigen Bipolarplatte die gewünschten hydrophoben Eigenschaften sich erstellt.

Claims

1. Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, die aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff und einem Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.-% bis 95 Gew.-% besteht, wobei die Bipolarplatte zumindest bereichsweise eine Struktur wie offene oder geschlossene Kanäle zum Führen bzw. Durchströmen eines Fluids aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass strukturierter Bereich (22) der Bipolarplatte (12, 14) zumindest abschnittsweise hydrophob ausgebildet oder mit einer hydrophoben Schicht versehen ist.

2. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (22) der Bipolarplatte (12, 14) ihrerseits bereichsweise mit einer Feinstruktur versehen ist.

3. Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Erhebungen gebildet ist, die eine mittlere Höhe H mit 5 nm ≤ H ≤ 1 µm aufweisen.

4. Bipolar nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen einen Abstand A mit vorzugsweise 10 nm ≤ A ≤ 5 µm auf weisen.

5. Bipolarplatte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Prägen gebildet ist.

6. Bipolarplatte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur beim Ausbilden der Struktur (22) der Bipolarplatte (12, 14) ausgebildet ist.

7. Bipolarplatte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur eine Aufrauung der Struktur (22) durch vorzugsweise Ätzen oder Strahlung ist.

8. Bipolarplatte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Aufbringen eines Pulvers aus einem hydrophoben Polymer gebildet ist.

9. Bipolarplatte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur auf kathodenseitig verlaufender Struktur (22) einer Bipolarplatte (12) ausgebildet ist.

10. Bipolarplatte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Plasmaabscheidung, Maskentechnik, Siebdruck, Lithographie oder Plasmaätzen ausgebildet ist.

11. Pressvorrichtung zum Herstellen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle umfassend eine Pressform mit in diese hineinverstellbarem Pressstempel, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressform (42) und/oder der Pressstempel (46) der Pressvorrichtung (40) eine Geometrie derart aufweist, dass sowohl die Form der Bipolarplatte als auch zumindest bereichsweise eine Feinstruktur in dieser ausbildbar ist.

12. Pressvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressform (42) und/oder der Pressstempel (46) eine durch Erhebung gebildete Feinstruktur aufweist, wobei die Erhebungen im Mittel eine Höhe H mit 5 nm ≤ H ≤ 1 µm und/oder im Mittel einen Abstand A mit 10 nm ≤ A ≤ 5 µm aufweisen.

13. Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle bestehend aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff- Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.-% bis 95 Gew.-%, wobei eine den Kunststoff und den Kohlenstoff-Füllstoff enthaltende Ausgangsmischung in eine Pressform eingefüllt und sodann mit einem Pressstempel zu der eine Struktur in Form von offenen oder geschlossenen Kanälen aufweisenden Bipolarplatte geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Struktur der Bipolarplatte mit einer Feinstruktur versehen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Prägen ausgebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Plasmaabscheidung, Strahlung, Maskentechnik, Siebdruck, Lithographie oder durch Plasmaätzen ausgebildet wird.

16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Auftragen einer hydrophobierten Schicht ausgebildet wird.

17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Struktur ein Plasmapolymerfilm aufgetragen und sodann durch Ätzen aufgeraut wird.

18. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetragene Schicht durch organische Siliziumverbindungen hydrophobiert wird.