DE102005012057A1

DE102005012057A1 - Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102005012057A1
Application number: DE102005012057A
Authority: DE
Inventors: Frank Heser; Peter Marx; Frank Puschmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, bestehend aus einer elektrisch nicht leitenden Kunststoff-Matrix und einer elektrisch leitfähigen ersten Füllstoffkomponente aus Grafit. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass als zweite Füllstoffkomponente ein Keramikmaterial, bevorzugt ein elektrisch leitfähiges Keramikmaterial, insbesondere Titankarbid, vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Einsatz von derartigen Bipolarplatten in der Brennstoffzellentechnik ist bekannt. In Brennstoffzellen kann chemische Energie mit hohem Wirkungsgrad direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. Da die elektrische Spannung einer einzelnen Zelle für praktische Anwendungen viel zu niedrig ist, müssen mehrere solcher Zellen zu so genannten Brennstoffzellenstapeln oder „Stacks" dicht aufeinander gepackt und in Reihe zueinander verschaltet werden. Dabei sind sie voneinander durch eine wasserundurchlässige, elektrisch leitfähige, bipolare Platte getrennt, die als Bipolarplatte bezeichnet wird. Häufig werden bis zu 400 Zellen aufeinander gestapelt und durch Bipolarplatten getrennt. Die Zellen werden dabei so aufeinander gestapelt, dass eine Kathodenseite der einen Zelle mit einer Anodenseite der nächsten Zelle über eine Bipolarplatte verbunden ist. Die Bipolarplatten kommen somit in einem Stack an jeweils einer Elektrode oder Gasdiffusionslage an einer Anode bzw. einer Kathode zweier benachbarter Brennstoffzellen zu liegen.

Um auf möglichst kleinem Raum und bei möglichst geringem Gesamtgewicht eines Stacks möglichst viele Brennstoffzellen unterzubringen und so eine hohe gravimetrische und volumetrische Leistungsdichte zu erreichen, werden Bipolarplatten mit möglichst geringem Gewicht und möglichst geringer Dicke hergestellt.

Es sind drei unterschiedliche Arten von Bipolarplatten bekannt: Zum einen werden metallische Bipolarplatten eingesetzt, die beispielsweise aus dünnen Folien aus Edelstahl, Aluminium oder Titan hergestellt werden. Metallische Werkstoffe zeichnen sich durch hohe Gasdichtigkeit, Maßhaltigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit aus.

Zum anderen werden grafitische Bipolarplatten verwendet, die durch Pressen oder Fräsen in die geeignete Form gebracht werden können. Sie zeichnen sich durch chemische Beständigkeit und geringe Übergangswiderstände aus, haben aber neben einem hohen Gewicht ein unzureichendes mechanisches Verhalten.

Darüber hinaus sind Komposit-Materialien aus speziellen Kunststoffen aufgebaut, die leitfähige Füllstoffe, etwa auf der Basis von Kohlenstoff, aufweisen. Derartige Bipolarplat ten, beispielsweise aus einem Kunststoff-Grafit-Compound-Material, haben jedoch eine sehr geringe Festigkeit und sind daher bei dünnen Plattenstärken sehr bruchempfindlich, da der Füllstoffanteil aus Grafit bei etwa 70 bis 80% liegt. Dieser Grafitanteil wird hoch eingestellt, um eine gute Leitfähigkeit herzustellen. Eine angestrebte Leitfähigkeit durch die Bipolarplatte liegt bei etwa 50–200 S/cm. Außerdem besteht der Grafit aus plättchenförmigen Partikeln, die bei der Verarbeitung eine gewisse Ausrichtung erfahren, wobei eine ungünstige Anisotropie der Leitfähigkeit herbeigeführt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bipolarplatte mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte besteht aus einer elektrisch nicht leitenden Kunststoff-Matrix und einer elektrisch leitfähigen ersten Füllstoffkomponente aus Grafit, wobei als zweite Füllstoffkomponente ein Keramikmaterial vorgesehen ist. Durch die günstigen Eigenschaften des Keramikmaterials weist somit die Bipolarplatte verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit auf, wodurch die Verarbeitbarkeit erleichtert wird.

Bevorzugt ist das Keramikmaterial elektrisch leitfähig ausgebildet. Vorteilhafterweise kann somit bei gleichzeitiger Optimierung der elektrischen Leitfähigkeit der Füllstoffkomponente ein Füllstoffanteil an Grafit reduziert werden, wodurch ein erhöhte Festigkeit und geringere Anisotropie erzielt werden kann. Besonders bevorzugt ist das Keramikmaterial aus Titankarbid (TiC) gebildet. Es ist dabei von besonders großem Vorteil, dass Titankarbid eine elektrische Leitfähigkeit von ca. 12000 S/cm aufweist, also im Mittel etwa eine Größenordnung mehr als die Leitfähigkeit von Grafit (5...3000 S/cm). In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung ist ein Gehalt an Keramikmaterial so eingestellt, dass sich eine Leitfähigkeit von 30–300 S/cm ergibt.

Titankarbid-Partikel weisen günstigerweise keine plättchenförmige Struktur auf, so dass eine geringere Ausbildung der Anisotropie der Leitfähigkeit auf Grund der Ausrichtung der Partikel in der Polymermatrix zu erwarten ist. Daraus resultierend kann ein geringerer Gesamt-Füllgrad ausreichen, um die angestrebte Leitfähigkeit der Füllstoffkomponente zu erreichen.

Ein Anteil der ersten Füllstoffkomponente aus Grafit beträgt bevorzugt zwischen 0 und 60 Gewichtsprozent, insbesondere zwischen 0 und 50 Gewichtsprozent, und ein Anteil der zweiten Füllstoffkomponente, bevorzugt von Titankarbid-Partikeln, liegt zwischen 5 und 60 Gewichtsprozent, insbesondere zwischen 10 und 50 Gewichtsprozent, wobei eine Partikelgröße von Titankarbid veränderlich einstellbar sein kann. Günstigerweise erhöht der bevorzugte Titankarbid-Anteil und der geringere Füllgrad an Grafit die Festigkeit der Füllstoffkomponente. Zudem wird vorteilhafterweise die Verarbeitbarkeit des Materials verbessert, wodurch die Produktionskosten gesenkt werden können.

Als Werkstoff für die Kunststoff-Matrix kann ein Thermoplast oder ein Duroplast als Polymermatrix vorgesehen sein.

Claims

Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, bestehend aus einer elektrisch nicht leitenden Kunststoff-Matrix und einer elektrisch leitfähigen ersten Füllstoffkomponente aus Grafit, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Füllstoffkomponente ein Keramikmaterial vorgesehen ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial elektrisch leitfähig ausgebildet ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial aus Titankarbid (TiC) gebildet ist.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für die Kunststoff-Matrix ein Thermoplast als Polymermatrix vorgesehen ist.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für die Kunststoff-Matrix ein Duroplast als Polymermatrix vorgesehen ist.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil der zweiten Füllstoffkomponente zwischen 5 und 60 Gewichtsprozent beträgt.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil der ersten Füllstoffkomponente zwischen 0 und 60 Gewichtsprozent beträgt.
Bipolarplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehalt an Keramikmaterial so eingestellt ist, dass sich eine Leitfähigkeit von 30–300 S/cm ergibt.