DE102004009869B4 - Kontaktplatte für Brennstoffzellen, Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel sowie Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte - Google Patents

Kontaktplatte für Brennstoffzellen, Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel sowie Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte Download PDF

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Abstract

Kontaktplatte für Brennstoffzellen mit einer zusammenhängenden aktiven Fläche auf zumindest einer zum Anliegen an einer Diffusionslage, einer Brennstoffzellenelektrode oder einer Elektrolytmembran bestimmten Seite der Kontaktplatte, wobei die Kontaktplatte auf Basis eines Plattenkörpers (1) aus passivierendem, korrosionsbeständigem Metall gefertigt ist und wobei die aktive Fläche aus einer Kontaktfläche, die vollflächig eine Beschichtung aus einem elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Material aufweist, und aus Vertiefungen besteht, so dass die Vertiefungen eine Kanalstruktur bilden, wobei ferner die Beschichtung (4) zumindest in Bodenbereichen (5) der Vertiefungen (3) ausgespart ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) aus Kohlenstoff und einem thermoplastischen oder duroplastischen Bindemittel zum Auftragen in flüssiger Form besteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kontaktplatte für Brennstoffzellen mit einer aktiven Fläche, die eine Beschichtung aufweist, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer solchen Kontaktplatte sowie Verfahren zur Herstellung derartiger Kontaktplatten.
  • Bei einer gattungsgemäßen Kontaktplatte kann es sich um eine Bipolar- oder Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel oder auch um eine Monopolarplatte für eine einzelne Brennstoffzelle oder in einer Ebene angeordnete Brennstoffzellen handeln. Solche Kontaktplatten haben mehrere Funktionen. Sie dienen einerseits zur Gewährleistung einer elektrisch leitenden Verbindung zu einer angrenzenden Schicht, bei der es sich um eine Gasdiffusionslage, eine Elektrode, eine Elektrolytmembran oder eine weitere Brennstoffzelle handeln kann, andererseits zum Zu- und/oder Abtransport von Reaktanden und/oder Reaktionsprodukten, wozu eine Kanalstruktur vorgesehen ist, und ferner auch zum Abtransport von Reaktionswärme. Insbesondere für mobile Anwendungen kann eine Herstellung von Kontaktplatten aus Metall erwünscht sein, weil die verglichen mit anderen Werkstoffen größere mechanische Stabilität von Metall eine kompaktere Bauweise von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln möglich macht.
  • Ein Problem ergibt sich dabei jedoch dadurch, dass unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten in Frage kommende Metalle, die hinreichend korrosionsbeständig sind, um den in Brennstoffzellen üblicherweise herrschenden aggressiven Bedingungen standzuhalten, zu Passivierung neigen. So bildet beispielsweise Edelstahl eine Passivschicht aus Chromoxid, wodurch sich erst eine Korrosionsbeständigkeit ergibt. Eine Passivschicht aber führt zu einem erheblich erhöhten elektrischen Kontaktwiderstand, wodurch die Funktion einer Kontaktplatte, eine verlustarme elektrische Verbindung herzustellen, über ein vertretbares Maß beeinträchtigt würde.
  • Es ist bekannt, dieses Problem durch eine Beschichtung von Kontaktplatten zu umgehen. So zeigt beispielsweise die Druckschrift EP 1 107 340 A2 eine gattungsgemäße Kontaktplatte für Brennstoffzellen mit einer aktiven Fläche, die zum Anliegen an einer Dif fusionsschicht bestimmt ist und die neben einer Kontaktfläche Vertiefungen aufweist, so dass die Vertiefungen eine Kanalstruktur bilden, wobei die aktive Fläche eine Beschichtung aus einem leitenden, korrosionsbeständigem Material aufweist. Nach dem genannten Stand der Technik ist dabei nicht nur die zum Anliegen an einer benachbarten Schicht vorgesehene Kontaktfläche, sondern die gesamte aktive Fläche inklusive Vertiefungen beschichtet. Eine solche Ausführung ist durch bislang verwendete Auftragungstechniken für die Beschichtung nahegelegt, bringt jedoch den erheblichen Nachteil mit sich, dass ausgesprochen große Mengen an Beschichtungsmaterial benötigt werden. Da als Beschichtungsmaterial üblicherweise sehr kostbare Stoffe verwendet werden, beispielsweise Gold oder Platin, gehen damit unverhältnismäßig hohe Herstellungskosten einher. Zudem birgt die vollflächige, nicht-selektive Beschichtung der aktiven Fläche die Gefahr, dass sich durch eine Anhäufung des Beschichtungsmaterials in den Bodenbereichen der Vertiefungen/Kanalstrukturen die Strömungseigenschaften der Kontaktplatten maßgeblich ändern. Eine vergleichbare Kontaktplatte mit einer nur partiell aufgetragenen, aber ebenfalls aus sehr teuren Materialien bestehenden Beschichtung ist in der Druckschrift DE 195 32 791 A1 gezeigt.
  • Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Kontaktplatte zu entwickeln, die die genannten Nachteile vermeidet, bei der also auch bei einer Herstellung aus einem passivierenden Material ein geringer elektrischer Kontaktwiderstand an einer Kontaktfläche gewährleistet ist, zugleich aber ein hoher Materialaufwand für eine entsprechende Beschichtung vermieden wird bei einer Einsparung insbesondere teurer Materialien. Der Erfindung liegt fer ner die Aufgabe zugrunde, durch eine Verwendung entsprechender Kontaktplatten kompakte Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapel zur Verfügung zu stellen sowie Verfahren zu entwickeln, mit denen derartige Kontaktplatten mit geringstmöglichem Aufwand hergestellt werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kontaktplatte mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs sowie durch eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
  • Durch eine Ausführung der Kontaktplatte mit einer zusammenhängenden aktiven Fläche auf zumindest einer Seite der Kontaktplatte, wobei die aktive Fläche aus einer Kontaktfläche, die vollflächig eine Beschichtung aus einem leitenden, korrosionsbeständigem Material aufweist, und aus eine Kanalstruktur bildenden Vertiefungen besteht, in einer solchen Weise, dass die Beschichtung zumindest in Bodenbereichen der Vertiefungen ausgespart ist, wird eine gewünschte Einsparung an Beschichtungsmaterial erreicht. Von besonderer Relevanz ist eine solche Ausführung naheliegender Weise insbesondere bei solchen Platten, die auf Basis eines Plattenkörpers aus passivierendem Metall gefertigt sind, also aus einem Material, das einerseits Maßnahmen zur Reduzierung eines Kontaktwider stands an Kontaktflächen erforderlich macht, andererseits aber aufgrund einer hinreichenden Passivität keine lückenlose Beschichtung als Korrosionsschutz erfordert. Besonders vorteilhaft mit Blick auf eine hinreichende Stabilität auch bei kompakter Bauweise sowie für eine möglichst lange, beeinträchtigungsfreie Lebensdauer ist dabei eine Verwendung von Plattenkörpern aus Edelstahl oder Titan.
  • Durch ein Freihalten der Vertiefungen, die in einem typischen Fall einer ebenen Platte also hinter eine durch die Kontaktfläche definierte Ebene zurücktreten, von der Beschichtung zumindest in Bodenbereichen der Vertiefungen erhöht sich der Kontaktwiderstand an der Kontaktfläche nicht, weil die Vertiefungen eine an die Kontaktplatte angrenzende Schicht ohnehin nicht berühren. Eine Beschichtung wäre dort sogar hinderlich, weil die Vertiefungen die Kanalstruktur bilden und dort zur Optimierung beispielsweise einer Strömung eines Reaktanden oder Reaktionsprodukts Oberflächeneigenschaften gewünscht sein können, die sich unter Umständen nicht mit der Beschichtung vereinbaren lassen, wobei die Beschichtung dort außerdem in unnötiger Weise den Strömungsquerschnitt verringern würde.
  • Eine Beschichtung der Kontaktfläche soll im Sinne der vorliegenden Schrift auch dann noch als vollflächig bezeichnet werden, wenn sie Poren mit einer Größe von bis zu 150 μm aufweist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Beschichtung primär zur Reduzierung des Kon taktwiderstands und nicht als Korrosionsschutz dienen muss.
  • Die beschriebene, erfindungsgemäß ausgeführte aktive Fläche muss dabei nicht notwendigerweise die einzige aktive Fläche der Kontaktplatte sein. Zur Erzielung einer vorteilhaften Wirkung genügt es, wenn eine von mehreren aktiven Flächen oder Bereichen in beschriebener Art gestalt ist. Vorzuziehen sind aber solche Kontaktplatten, bei denen alle aktiven Bereiche entsprechende Merkmale aufweisen, insbesondere z. B. Bipolarplatten mit einer entsprechenden Gestaltung zweier Seiten.
  • Aus dem bislang Gesagten ergibt sich, dass eine erfindungsgemäße Kontaktplatte dann besonders vorteilhaft ausgeführt ist, wenn sich die Beschichtung ausschließlich über die Kontaktfläche bzw. die Kontaktflächen erstreckt, wenn die Vertiefungen also vollständig ausgespart sind.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Beschichtung zusätzlich einen Randbereich der entsprechenden Seite der Kontaktplatte außerhalb der aktiven Fläche frei lässt, die dort also dann nicht beschichtet ist. Dieser Randbereich muss üblicherweise abgedichtet werden, insbesondere gegen ein Austreten von Reaktionsprodukten und/oder Reaktanden zwischen der Kontaktplatte und einer angrenzenden Schicht. Eine solche Abdichtung wird erleichtert, wenn der Randbereich nicht beschichtet ist. Eine in den Randbereich fortgesetzte Beschichtung dagegen wäre aufgrund der dar aus resultierenden Oberflächeneigenschaften hinderlich für das Anbringen/Fixieren einer Dichtung.
  • Kriterien für eine geeignete Auswahl von Beschichtungsmaterialien für die Beschichtung sind elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie eine gute Haftfähigkeit zur sicheren Verbindung mit einem Plattenkörper und nicht zuletzt eine möglichst preisgünstige Verfügbarkeit. Von Vorteil mit Blick auf diese Kriterien sind insbesondere die hier vorgeschlagenen Beschichtungsmaterialien, die Kohlenstoff enthalten, vorzugsweise in Form von Graphit. Je nach Auftragungsart kann eine Dispersion oder Suspension mit Partikeln solcher Materialien zur Erhöhung der Leitfähigkeit bei gleichzeitig guter Haftfähigkeit als Beschichtungsmaterial zum Einsatz kommen. Diese Dispersionen enthalten vorteilhafterweise ein Bindemittel auf Basis eines thermo- oder duroplastischen Polymers (z. B. Polyurethan, Polyacryl, Polyester, Phenolharze etc.), das beim Trocknen der Schicht aufschmilzt bzw. vernetzt und so die Partikel untereinander bzw. die Beschichtung mit dem Plattenkörper verbindet.
  • Um eine zufriedenstellende Reduzierung des Kontaktwi derstands bei andererseits möglichst geringem Materialaufwand zu erreichen, ist die Beschichtung im Fall einer Beschichtung mit Graphit vorzugsweise mit einer Schichtdicke von zwischen 5 μm und 200 μm, besonders vorzugsweise zwischen 10 μm und 100 μm auszuführen. Ferner empfiehlt es sich zur Erzielung einer möglichst effektiven Verbesserung der leitenden Verbindung mit nicht zu großem Aufwand, die Beschichtung mit Flächendichte von zwischen 0,32 g/m2 und 80 g/m2 besonders vorzugsweise zwischen 0,8 g/m2 und 8 g/m2 aufzubringen. Kontaktplatten beschriebener Art können durch eine Verwendung metallischer Plattenkörper ausgesprochen kompakt und damit platz- und gewichtsgarend ausgeführt werden. In dieser Hinsicht vorteilhaft und immer noch hinreichend stabil sind entsprechende Kontaktplatten mit einer Materialdicke zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, wobei besonders gute Ergebnisse mit Kontaktplatten einer Materialdicke zwischen 0,07 mm und 0,2 mm erzielt werden.
  • Um eine wirtschaftlich vertretbare Produktion erfindungsgemäßer Kontaktplatten zu ermöglichen, sind Verfahren von Vorteil, die eine Aussparung von Bereichen bei einem Aufbringen der Beschichtung, also eine nur partielle Beschichtung, ohne erhöhten Aufwand erlauben. Dafür bietet sich z. B. ein Aufbringen der Beschichtung durch ein Siebdruck-, Walzendruck- oder Schablonendruckverfahren an, insbesondere bei einer Verwendung von Dispersionen oder Suspensionen als Beschichtungsmaterial. Dadurch, dass vertiefte Bereiche bei einem Auftragen des entsprechenden Beschichtungsmaterials durch Siebdruck oder Walzendruck ohnehin üblicherweise nicht von dem Beschichtungsmaterial erreicht werden, erübrigt sich eine vorherige Maskierung der Vertiefungen oder der Bodenbereiche der Vertiefungen vor der Beschichtung. Ein durch die erfindungsgemäße Ausführung der Kontaktplatte verursachter zusätzlicher Herstellungsaufwand wird dadurch also vermieden. Auch dann, wenn die Beschichtung einen Randbereich der entsprechenden Seite der Kontaktplatte frei lässt, ist dazu eine Maskierung des Randbereichs zwar möglich, aber nicht erforderlich.
  • Eine verbesserte Haftung der Beschichtung auf der Kontaktfläche kann schließlich dadurch erreicht werden, dass die Beschichtung während und/oder nach dem Aufbringen durch ein Erhitzen der Kontaktplatte aufgeschmolzen oder ausgehärtet wird.
  • Kontaktplatten der hier beschriebenen Art eignen sich insbesondere für eine Verwendung in Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln oder auch in anderen elektrochemische Zellen, wobei sie in solchen Zellen oder Verbänden von Zellen nach dem Gesagten Monopolar- oder Bipolarplatten oder Bestandteile solcher Platten bilden können.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der 1a und 1b erläutert. Es zeigt
  • 1a einen Querschnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Kontaktplatte und
  • 1b eine Aufsicht auf eine aus zwei derartigen Kontaktplatten zusammengesetzte Bipolarplatte.
  • Bei der in 1a abgebildeten Kontaktplatte handelt es sich um eine Hälfte einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel. Zu erkennen ist in der 1a ein Plattenkörper 1, der aus Edelstahl gefertigt ist. Entsprechende Ausführungen aus einem anderen passivierenden und/oder korrosionsstabilen Metall sind ebenfalls möglich. In der 1a nach oben orientiert hat die Kontaktplatte eine aktive Fläche, die aus einer Kontaktfläche 2 besteht, sowie aus Vertiefungen 3, welche eine Kanalstruktur bilden, wobei die Kontaktfläche 2 durch diese Vertiefungen 3 unterbrochen ist. Die Kanalstruktur dient dabei zum Zu- und Abtransport von Reaktanden bzw. Reaktionsprodukten für eine an der Kontaktfläche 2 anliegende, hier nicht abgebildete Polymerelektrolytmembran bzw. eine zwischen der Kontaktplatte und der Polymerelektrolytmembran liegende Diffusionslage oder Elektrode.
  • Die Kontaktfläche 2 trägt eine Beschichtung 4, welche die Kontaktfläche 2 vollflächig überzieht, die Vertiefungen 3 aber mit Ausnahme an die Kontaktfläche unmittelbar angrenzender Rand- oder Übergangsbereiche vollständig ausspart. Insbesondere Bodenbereiche 5 der durch die Vertiefungen 3 gebildeten Kanalstruktur sind also von der Beschichtung 4 frei. Der Edelstahl, aus dem der Plattenträger 1 gefertigt ist, bildet dort eine Passivschicht, die ins besondere Chromoxid enthält und den Plattenträger 1 auch dort vor Korrosion schützt, wo die nur partiell beschichtete aktive Fläche keine Beschichtung trägt. Durch die Beschichtung 4 aus elektrisch leitendem, korrosionsbeständigem Material wird ein guter elektrischer Kontakt mit einem geringen Kontaktwiderstand zu einer angrenzenden Schicht, die durch die Polymerelektrolytmembran oder die entsprechende Diffusionslage oder Elektrode gebildet ist, sichergestellt. Ein solcher Kontakt würde bei fehlender Beschichtung 4 durch die Passivschicht vereitelt.
  • Ebenfalls nicht beschichtet, also von der Beschichtung 4 ausgespart, ist ein in der 1b abgebildeter Randbereich 12 der Kontaktplatte außerhalb der aktiven Fläche 11. Das erleichtert eine gute Abdichtung der Kontaktplatte zur angrenzenden Schicht in diesem Randbereich 12.
  • Durch das Einprägen einer Kanalstruktur weist die Bipolarplatte des beschriebenen Ausführungsbeispiels eine Gesamtdicke von etwa 1 mm auf, was einer Kanaltiefe von etwa 0,4 mm entspricht. Die Bipolarplatte wird dabei durch zwei entgegengesetzt orientiert aufeinander angeordnete Teile der in 1a abgebildeten Art gebildet. Denkbar sind auch Ausführungen, bei denen zur Erzielung einer größeren Stabilität oder einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit eine zusätzliche Schicht zwischen den beiden Teilen angeordnet ist. Entsprechend dem in 1a abgebildeten Teil der Bipolarplatte kann auch eine Endplatte eines Brenn stoffzellenstapels oder einer Monopolarplatte für eine einzelne Brennstoffzelle oder mehrere nebeneinander angeordnete Brennstoffzellen ausgeführt sein. Die Beschichtung 4 ist mit einer Flächendichte von etwa 10,6 g/m2 aufgetragen.
  • Zur Herstellung der Beschichtung 4 können lateral begrenzbare Beschichtungsverfahren wie beispielsweise Schleudersprühen, eine Verwendung von Schlitzdüsen oder Druckverfahren angewandt werden.
  • Insbesondere ist eine entsprechende Ausführung einer erfindungsgemäßen Kontaktplatte mit einer durch Siebdruck oder Walzendruck aufgebrachten Beschichtung 4 möglich, bei der die Beschichtung 4 durch eine graphithaltige Suspension oder Dispersion gebildet wird. Durch Aufdrucken einer Dispersion oder Suspension, insbesondere durch Siebdruck oder Walzendruck, auf die aktive Fläche der Kontaktplatte kann in einfacher Weise eine selektive Beschichtung ausschließlich der Kontaktfläche 2 erreicht werden, ohne dass eine vorherige Maskierung der Vertiefungen 3 notwendig wäre. Eine verbesserte Haftung der Beschichtung 4 auf der Kontaktfläche 2 wird dabei durch Bindemittel auf der Basis eines thermo- oder duroplastischen Polymers erreicht, das beim Trocknen aufschmilzt bzw. vernetzt.

Claims (10)

  1. Kontaktplatte für Brennstoffzellen mit einer zusammenhängenden aktiven Fläche auf zumindest einer zum Anliegen an einer Diffusionslage, einer Brennstoffzellenelektrode oder einer Elektrolytmembran bestimmten Seite der Kontaktplatte, wobei die Kontaktplatte auf Basis eines Plattenkörpers (1) aus passivierendem, korrosionsbeständigem Metall gefertigt ist und wobei die aktive Fläche aus einer Kontaktfläche, die vollflächig eine Beschichtung aus einem elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Material aufweist, und aus Vertiefungen besteht, so dass die Vertiefungen eine Kanalstruktur bilden, wobei ferner die Beschichtung (4) zumindest in Bodenbereichen (5) der Vertiefungen (3) ausgespart ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) aus Kohlenstoff und einem thermoplastischen oder duroplastischen Bindemittel zum Auftragen in flüssiger Form besteht.
  2. Kontaktplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenkörper (1) aus Edelstahl oder Titan gefertigt ist.
  3. Kontaktplatte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Beschich tung (4) ausschließlich über die Kontaktfläche (2) erstreckt.
  4. Kontaktplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) einen Randbereich (12) der genannten Seite der Kontaktplatte außerhalb der aktiven Fläche (11) frei lässt.
  5. Kontaktplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) Kohlenstoff in Form von Graphit enthält.
  6. Kontaktplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktplatte eine Materialdicke zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,07 mm und 0,2 mm hat.
  7. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstapel enthaltend mindestens eine Kontaktplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Monopolar-, Bipolar- und/oder Endplatte.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) durch ein Siebdruck-, Walzendruck- oder Schablonendruckverfahren aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) von der Be schichtung (4) frei bleiben ohne vorherige Maskierung der Vertiefung (3).
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) während und/oder nach dem Aufbringen durch ein Erhitzen der Kontaktplatte aufgeschmolzen oder ausgehärtet wird.
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