DE102004039115A1 - Bipolarplatte für PEM Brennstoffzelle bzw. PEM Elektrolyseur - Google Patents

Bipolarplatte für PEM Brennstoffzelle bzw. PEM Elektrolyseur Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt eine neue Form einer Bipolarplatte dar, wie sie sowohl in PEM-Brennstoffzellen als auch in PEM-Elektrolyseuren zur Anwendung kommen kann. Die Form der Bipolarplatte ist konisch, wobei die Grundflächen des Konus aus beliebigen n-Ecken oder Kreisen bestehen kann und die Mantelflächen gerade, nach innen, nach außen oder nach innen und nach außen gewölbt sein können. Die Strömungskanäle können gerade oder schraubenförmig entlang der Mantelfläche in beliebiger Anzahl und Querschnittsform angeordnet sein. Die elektrische Zu- und Ableitung erfolgt über die Bipolarplatte selbst oder alternativ über metallische Zu- oder Ableitungen. Durch die erfindungsgemäße Grundform der Bipolarplatte, Form der Kanäle und Form der Zu/Ableitungen kann der Wirkungsgrad von PEM-Brennstoffzellen und PEM-Elektrolyseuren auf Grund des besseren Stoffumsatzes wesentlich gesteigert werden.

Description

  • Bipolarplatten für PEMFC- oder DMFC- Stacks als auch für PEM Elektrolyseure werden bislang üblicherweise entweder aus Metall, aus Graphit oder aus einer mehr oder weniger homogenen Mischung eines kohlenstoffhältigen Kompositmaterials gefertigt. Hauptaufgaben der Bipolarplatten sind die Ableitung (bzw. Zuleitung) des elektrischen Stromes, die Abieitung der entstehenden Reaktionswärme, die Versorgung der Reaktionszone mit den Reaktanden und der Abtransport der entstehenden Reaktionsprodukte. Die wichtigsten Anforderungen an die Bipolarplatte sind:
    • • gute elektrische Leitfähigkeit
    • • Gasdichtheit
    • • hohe mechanische und chemische Stabilität
    • • gute mechanische Bearbeitbarkeit: Fräsen; Drehen; Alternativ die Möglichkeit die Bipolarplatte durch eine Art Prägung in die gewünschte Form zu bringen
    • • gute Wärmeleitfähigkeit für den raschen Abtransport der während des Betriebes entstehende Wärme
    • • möglichst geringe Reibungsverluste in den Strömungskanälen
  • Für die Erzielung einer hohen Leistung ist die Gestaltung der Bipolarplatte von großer Bedeutung. Hierbei sind eine gleichmäßige Versorgung der Reaktionszonen mit den Reaktionsmedien und eine möglichst gute elektrische Kontaktierung mit den angrenzenden Gasdiffusionsschichten wichtig. Des Weiteren sollte der Druckverlust beim Durchströmen der Strömungskanäle möglichst gering sein. In der Literatur bestehen mannigfaltige konstruktive Lösungen dieser Aufgabe (Hoogers 2003). Die gängigste Lösung besteht im Fräsen paralleler Kanäle mit rechteckigem Querschnitt, entweder in gleicher Richtung oder rechtwinkelig zueinander. Dabei strömen die Reaktanden im Wesentlichen von einer Kante der Bipolarplatte zur anderen. Eine mögliche konstruktive Optimierungsaufgabe besteht darin die Kanal- bzw. Stegbreiten derart auszulegen, dass einerseits die Gasversorgung und andererseits auch die elektrische Kontaktierung der anliegenden Gasdiffusionsmedien gewährleistet ist. Eine Möglichkeit dies zu erreichen ist die Gase nicht planar sondern radial über die Platte strömen zu lassen. Diese Lösung bietet zwar gewisse Vorteile aber im Hinblick auf den Transport der Reaktanden und den Abtransport des Reaktionswassers konnte durch diese Maßnahmen kein Durchbruch erzielt werden. Bei allen bisherigen Optimierungsversuchen konnte in der Frage des Reaktionswasserabtransportes keine entscheidende Verbesserung erreicht werden.
  • Zur Lösung der beschriebenen Problematik wird erfindungsgemäß eine Form und Oberflächenstruktur vorgeschlagen, die sowohl eine gute Reaktandenversorgung der angrenzenden Gasdiffusionsstrukaur (typischerweise ein Kohlenstoffvlies) als auch ein verbesserter Abtransport des entstehenden Reaktionswassers und eine verbesserte Kontaktierung im Vergleich zum heutigen Stand der Technik bietet.
    •
  • Der Stand der Technik zur Wasserelektrolyse geht z.B. aus DE 196 07 235 C1 hervor. Die Geometrie der verwendeten Bauteile ist zwar kreisförmig jedoch planar, und nicht wie in dieser Erfindung vorgestellt konusförmig. Weiterer Stand der Technik zur Optimierung des Stofftransportes in Bipolarplatten für Brennstoffzellen geht aus DE 100 17 058 A1 hervor. Hier wird eine verbesserte Struktur von PEM Bipolarplatten für den Einsatz in PEMFC- oder DMFC- Stacks beschrieben. Dabei werden anstelle von Strömungskanälen eine Vielzahl kleiner, rechteckförmiger Flächenstücke mittels verschiedener mechanischer oder chemischer Verfahren aus dem Vollmaterial der Bipolarplatte erzeugt. Die zum Einsatz kommenden Bipolarplatten sind zwar kreisförmig, besitzen jedoch ebenfalls eine planare Geometrie und nicht wie in der vorliegenden Erfindung vorgestellte konusförmige Geometrie.
  • Figurenübersicht:
  • 1 Konische Bipolarplatte (1) in Übereinstimmung mit der Erfindung, deren Grundflächen aus einem symmetrischen 8-Eck (n = 8) gebildet werden, dargestellt in Aufriß, Seitenriß und in einem Schnitt entlang der Linie A-A. Die Strömungskanäle (2) laufen entlang der Ober und Unterseite der Mantelflächen. Die Querschnittsform der Kanäle (3) ist rechteckig wie im Schnitt entlang der Linie A-A dargestellt.
  • 2 Schematische Querschnitt von mehreren Bipolarplatten die stackförmig aneinandergereiht sind, mit zwei Detailansichten. Detail X zeigt vergrößert den Kontaktbereich zweier aneinander liegender Bipolarplatten. Detail Z zeigt in einer weiteren Vergrößerung die metallischen Ableitungsdrähte (4) die in die Stege der Bipolarplatten eingearbeitet sind.
  • Die Erfindung betrifft Bipolarplatten für den Einsatz in PEM Brennstoffzellen und PEM Elektrolyseuren. Diese Bipolarplatten bilden, periodisch angeordnet, das Grundgerüst für einen Brennstoffzellenstack bzw. einen Elektrolyseurstack. Die Bipolarplatte wird üblicherweise aus Graphit, einem Graphit-Kompositmaterial oder aus Metall gefertigt. Üblicherweise sind die Bipolarplatten planar ausgeführt und werden in Form einer Filterpressenanordnung wie nach DE 19607235 bekannt, angeordnet. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich grundlegend vom Stand der Technik dadurch, daß die Bipolarplatten eine konische Grundform aufweisen. Die Grundflächen der Konuse können n-Ecke bilden wie in 1 dargestellt oder kreisförmig sein. (Anspruch 1, 2)
  • Durch die konische Form werden bekannte Strömungsprobleme, wie sie in planaren Bipolarplatten auftreten, verhindert. Die flüssigen Reaktanden und Produkte einer Brennstoffzelle oder eines Elektrolyseurs können auf Grund der Form der Bipolarplatten ungehindert, allein durch die Schwerkraft getrieben- oder unterstützt durch relativ kleinen zusätzlichen Druck, zu- oder abfließen. Dies wird wesentlich unterstützt durch eine gekrümmte Mantelfläche, wobei die Mantelfläche nach innen, nach außen oder in beide Richtungen gewölbt sein kann. (Anspruch 3)
  • Die Reaktanden und Produkte welche zumeist flüssig oder gasförmig vorliegen, fließen in geraden oder schraubenförmigen Kanälen entlang der Mantelfläche. (Anspruch 4)
  • Die Anzahl dieser Kanäle kann von einem bis zu 500000 Kanälen reichen. (Anspruch 5)
  • Die Form des Querschnitts richtet sich primär nach strömungstechnischen Kriterien sowie nach der Art der Herstellung. Der Querschnitt dieser Kanäle kann quadratisch, rechteckig, n-eckig, kreisförmig oder elliptisch sein (Anspruch 6), oder eine Schnittfigur aus beliebigen n-Ecken und Kreisen bzw. Ellipsen darstellen (Anspruch 7).
  • Um optimale Strömungsbedingungen innerhalb der Strömungskanäle zu erreichen können die Kanäle so ausgeführt sein, daß sich entlang der Strömungsrichtung ihr Querschnitt nicht ändert (Anspruch 8) vergrößert (Anspruch 9) oder verkleinert (Anspruch 10).
  • Die Bipolarplatten sind üblicherweise homogen aus einem elektrisch leitenden Material wie Graphit, graphitierter Kohle, Metall, Kompositmaterial oder elektrisch leitendem Kunststoff gefertigt (Anspruch 11), und können mittels Drehen, Fräsen, Tiefziehen, Pressen oder Spritzguß hergestellt werden (Anspruch 14). In einer alternativen Konstruktion ist der Grundkörper der Bipolarplatte aus einem nichtleitenden Material (Kunststoff, Keramik o.ä.) (Anspruch 12) und die elektrische Zu- und Ableitung erfolgt über einen metallischen Kontakt (Anspruch 13).
  • Dieser metallische Kontakt kann durch Drähte (Anspruch 17), eine geschlossene metallische Deckschicht auf der gesamten Oberfläche der Bipolarplatte (Anspruch 15), oder durch eine nur die Stege bedeckende metallische Deckschicht (Anspruch 16) erfolgen. Die Herstellung des metallischen Kontakts kann durch mechanische oder chemische Verfahren wie Prägen, aufdampfen, galvanische Abscheidung, Walzen oder verspannen erfolgen (Anspruch 18)
    •
  • Die elektrische Zu- und Ableitung mittels Draht wird an Hand eines Ausführungsbeispiels (2) genauer beschrieben: Dabei erfolgt die elektrische Zu- und Ableitung mit einem Draht (4) [siehe 2 Detail Z], der entlang der Stege der Kanäle der Bipolarplatte gelegt ist (Anspruch 17). Die Form des Drahtes kann dabei beliebig gewählt werden. So kann der Querschnitt des Drahtes quadratisch, kreisförmig, symmetrisch n-eckig oder elliptisch sein (Anspruch 19).
  • Der Querschnitt des Drahtes kann die Form einer beliebigen symmetrischen oder unsymmetrischen Schnittfigur aus beliebigen symmetrischen oder unsymmetrische n Ecken(Anspruch 20), oder als beliebige Schnittfigur dieser n-Ecke mit beliebigen Kreisen oder Ellipsen (Anspruch 21) darstellen.
  • Die metallische Ableitung kann aus homogen aus einem Material bestehen (Anspruch 22), oder aus mehreren (Anspruch 23).
  • Bei der Wahl des Materials der metallischen Ableitung kommen die bei gegebenen Bedingungen (alkalisch, sauer, Kathode, Anode) elektrochemisch stabilsten Metalle zur Anwendung. Die metallische Ableitung kann aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Ti, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Ru, Re, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, Sn, Pb, sowie deren Legierungen bestehen. Es ist auch möglich, daß die Ableitung aus einem metallischen Grundkörper besteht der mit einem anderen Metall aus dieser Gruppe überzogen ist. (Anspruch 24).
  • Der Grundkörper der Ableitung kann auch aus elektrisch leitendem oder nicht leitendem Kunststoff bestehen. Dieser Kunststoff kann zusätzlich mit einer oder mehreren metallischen Schichten bestehend aus einem Metall aus der Gruppe Ti, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Ru, Re, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, Sn, Pb, sowie deren Legierungen, bestehen. (Anspruch 25).
  • Vorteile der beschriebenen Erfindung:
    • • Durch die beschriebene Bauform können Reibungsverluste und dadurch Druckverluste der durchströmenden Medien minimiert werden. Dies vermindert den Energieaufwand (Elektrolyseur) bzw. die Energieverluste (Brennstoffzelle).
    • • Die beschriebenen Formen können auch mit billigen Massenproduktionsverfahren (z.B. Spritzguß) hergestellt werden.
    • • Durch Verwendung metallischer Ableitungen in Drahtform o.ä. entlang der Stege, können günstige, nichtleitende Materialien ( z.B. Polypropylen) für die Platte eingesetzt werden. So ist auch eine monopolare Schaltung einfach zu realisieren.

Claims (25)

  1. Eine Bipolarplatte (1) für die Verwendung in PEM Brennstoffzellen und PEM Elektrolyseuren dadurch gekennzeichnet, daß die Form einen Konus darstellt dessen Grundflächen aus einem symmetrischen oder beliebigen n-Eck von n = 3 bis n gegen unendlich geformt werden.
  2. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundflächen des Konus einen Kreis, eine Ellipse, eine Schnittfigur aus einem beliebigen n-Eck und eines beliebigen Kreises oder Ellipsoids darstellt.
  3. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen des Konus in beliebigem Radius nach innen, nach außen – oder kombiniert nach innen und nach außen, gewölbt sind.
  4. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Gaskanäle und Flüssigkeitskanäle (2) gerade oder schraubenförmig entlang der Mantelflächen führt.
  5. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle (2) von n = 1 bis n = 500000 reicht.
  6. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kanäle (3) quadratisch, rechteckig, n-eckig (n von 3 bis ∞ ), kreisförmig oder elliptisch ist.
  7. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kanäle (3) eine beliebige Schnittfigur aus symmetrischen und beliebigen n Ecken und Kreisen bzw. Ellipsen darstellt.
  8. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kanäle (3) über die ganze Länge konstant bleibt.
  9. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt der Kanäle (3) in Flußrichtung der Medien erweitert.
  10. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt der Kanäle (3) in Flußrichtung der Medien verengt.
  11. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 7, 8, 9, 10 dadurch gekennzeichnet, daß das Material selbst elektrisch leitfähig ist.
  12. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Graphit, graphitierter Kohle, Metall, Kompositmaterial, elektrisch leitendem Kunststoff gefertigt ist.
  13. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus nichtleitendem Kunststoff besteht und die elektrische Leitfähigkeit mittels einer metallischen Ableitung erfolgt.
  14. Ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Form gedreht, gefräst, tiefgezogen oder im Spritzgußverfahren hergestellt wird.
  15. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Ableitung (4) in Form einer geschlossenen metallischen Deckschicht auf den Kunststoff aufgebracht ist.
  16. Eine Bipolarplatte nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Ableitung (4) in Form einer metallischen Deckschicht auf den Stegen der Strömungskanäle aufgebracht ist.
  17. Eine Bipolarplatte nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Ableitung (4) in Form eines spiralförmigen Drahtes, entlang der Stege der Strömungskanäle führt.
  18. Ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) nach Anspruch 15, 16, 17 dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Zu- oder Ableitung (4) eingeprägt, aufgedampft, eingewalzt, galvanisch abgeschieden oder nur eingeklemmt wird.
  19. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform des elektrischen Ableitungsdrahtes quadratisch, kreisförmig, symmetrisch n-eckig für n = 3 bis n = unendlich, beliebig n – eckig für n = 3 bis n = unendlich, elliptisch ist.
  20. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform des elektrischen Ableitungsdrahtes sich als beliebige symmetrische wie auch unsymmetrische Schnittfigur aus beliebigen symmetrischen und unsymmetrischen n-Ecken ergibt.
  21. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform des elektrischen Ableitungsdrahtes sich als beliebige symmetrische wie auch unsymmetrische Schnittfigur aus beliebigen symmetrischen und unsymmetrischen n-Ecken und beliebigen Kreisen und Ellipsen ergibt.
  22. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 17–19 dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung homogen über die gesamte Länge aus demselben Material besteht.
  23. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 17–19 dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung aus mehreren verschiedenen Materialien besteht.
  24. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 21 dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung aus einem Grundkörper des Metalles M1 besteht der mit verschiedenen Metallen M2 beschichtet ist, wobei M1 und M2 die Metalle Ti, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Ru, Re, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, Sn, Pb und deren Legierungen darstellen.
  25. Eine Bipolarplatte (1) nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung aus einem Grundkörper eines elektrisch leitenden oder nicht leitenden Kunststoffes besteht der mit einer oder mehreren metallischen Schichten überzogen ist, wobei die Metalle Ti, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Ru, Re, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Al, Sn, Pb und deren Legierungen darstellen.
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