DE102005024418A1 - Bipolar plate for fuel cells - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Bipolarplatten für Brennstoffzellen-Stacks, enthaltend eine elektrisch nicht leitfähige Substratplatte mit gegenüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen, und mindestens eine elektrisch leitfähige Folie, die derart auf der nicht leitfähigen Substratplatte fixiert ist, dass die Teilflächen der gegenüberliegenden Oberflächen der nicht leitfähigen Substratplatte von der mindestens einen leitfähigen Folie bedeckt sind und wobei die Folie im Bereich der Teilflächen Perforierungen aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung einer solchen bipolaren Platte sowie Brennstoffzellen-Stacks, die die erfindungsgemäßen Bipolarplatten enthalten, und deren Verwendung in mobilen und stationären Einrichtungen.The present invention relates to bipolar plates for fuel cell stacks, comprising an electrically non-conductive substrate plate with opposite surfaces, each containing a partial surface and these partial surfaces have channels for gas transport, and at least one electrically conductive film, which is fixed on the non-conductive substrate plate, in that the partial surfaces of the opposite surfaces of the non-conductive substrate plate are covered by the at least one conductive film, and wherein the film has perforations in the region of the partial surfaces. Furthermore, the invention relates to methods for producing such a bipolar plate and fuel cell stacks containing the bipolar plates according to the invention, and their use in mobile and stationary devices.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte sowie deren Herstellung und Brennstoffzellen-Stacks diese Bipolarplatten enthaltend sowie deren Verwendung.The The present invention relates to a bipolar plate and to the production thereof and fuel cell stacks containing these bipolar plates as well their use.

Bislang werden insbesondere in Kraftfahrzeugen überwiegend Verbrennungsmotoren zum Antrieb eingesetzt, die Erdölprodukte als Treibstoff erfordern. Da die Ressourcen an Erdöl begrenzt sind und die Verbrennungsprodukte einen nachteiligen Umwelteinfluß haben können, wurden in den letzten Jahren verstärkt Forschungen nach alternativen Antriebskonzepten betrieben.So far In particular, in motor vehicles predominantly internal combustion engines used to drive, the petroleum products as fuel require. Because resources are limited to oil and the products of combustion have an adverse environmental impact can, In recent years, research has been increasingly looking for alternatives Operated drive concepts.

Die Nutzung von elektrochemischen Brennstoffzellen für mobile und stationäre Energieversorgungen findet dabei zunehmendes Interesse. Brennstoffzellen sind Energiewandler, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. In der Brennstoffzelle wird das Prinzip der Elektrolyse umgekehrt.The Use of electrochemical fuel cells for mobile and stationary power supplies finds increasing interest. Fuel cells are energy converters, convert the chemical energy into electrical energy. In the fuel cell the principle of electrolysis is reversed.

Derzeit existieren unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen, deren Wirkungsprinzip allgemein auf der elektrochemischen Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zum Endprodukt Wasser basiert. Sie lassen sich nach Art des verwendeten leitfähigen Elektrolyten, dem Betriebstemperaturniveau und realisierbaren Leistungsbereichen einordnen. Für automobile Anwendungen sind Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzellen besonders geeignet. Sie werden üblicherweise bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 90°C betrieben. Da die elektrische Spannung einer einzelnen Zelle für praktische Anwendungen zu niedrig ist, müssen mehrer solcher Zellen zu einem Brennstoffzellenstapel oder -Stack in Reihe geschaltet werden. Zurzeit liefern PEM-Brennstoffzellen im kompletten Stack üblicherweise elektrische Leistungen im Bereich von 1 bis 75 kW (PKW) und bis zu 250 kW (NFZ, Omnibus).Currently exist different types of fuel cells, their principle of operation generally on the electrochemical recombination of hydrogen and oxygen based on the final product water. They relax Type of conductive used Electrolytes, the operating temperature level and achievable power ranges classify. For Automotive applications are Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cells particularly suitable. They usually become operated at a temperature in the range of 50 ° C to 90 ° C. Because the electric Voltage of a single cell for Practical applications are too low, need more of such cells connected in series to a fuel cell stack or stack become. Currently, PEM fuel cells typically deliver in the complete stack electrical services in the range of 1 to 75 kW (cars) and up to 250 kW (commercial vehicle, bus).

In einer PEM-Brennstoffzelle wird die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser durch die Einfügung einer protonenleitenden Membran zwischen die Anoden- und die Katodenelektrode in die beiden Teilschritte Reduktion und Oxidation aufgeteilt. Hierbei erfolgt eine Ladungstrennung, die als Spannungsquelle genutzt werden kann.In a PEM fuel cell is the electrochemical reaction of Hydrogen with oxygen to water by the insertion of a proton-conducting membrane between the anode and the cathode electrode divided into the two substeps reduction and oxidation. in this connection there is a charge separation, which are used as a voltage source can.

Eine einzelne PEM-Brennstoffzelle weist einen symmetrischen Aufbau auf. Auf eine Polymermembran folgen beidseitig je eine Katalysatorschicht und Gasverteilerschicht, an die sich eine bipolare Platte anschließt. Stromkollektoren dienen zum Abgreifen der elektrischen Spannung, während Endplatten die Zudosierung der Reaktionsgase und Abführung der Reaktionsprodukte sicherstellen.A single PEM fuel cell has a symmetrical structure. A polymer membrane is followed on both sides by a catalyst layer and Gas distribution layer followed by a bipolar plate. current collectors serve to pick up the electrical voltage while end plates the addition of the reaction gases and removal of the reaction products to ensure.

In einem Brennstoffzellen-Stack ist eine Vielzahl von Zellen in elektrischer Reihe zueinander gestapelt, wobei sie voneinander durch eine impermeable, elektrisch-leitfähige bipolare Platte getrennt sind, die als Bipolarplatte bezeichnet wird. Die Bipolarplatte verbindet dabei zwei Zellen mechanisch und elektrisch. Da die Spannung einer einzelnen Zelle im Bereich von 1 Volt liegt, ist es für praktische Anwendungen notwendig, zahlreiche Zellen hintereinander zu schalten. Häufig werden bis zu 400 Zellen durch Bipolarplatten getrennt aufeinander gestapelt. Die Zellen werden dabei derart aufeinander gestapelt, dass die Sauerstoffseite der einen Zelle mit der Wasserstoffseite der nächsten Zelle über die Bipolarplatte verbunden ist. Die Bipolarplatte erfüllt dabei mehrere Funktionen. Sie dient zur elektrischen Verschaltung der Zellen, zur Zuführung und Verteilung von Reaktanden (Reaktionsgasen) und Kühlmittel und zur Trennung der Gasräume. Dabei sollte eine Bipolarplatte folgende Eigenschaften erfüllen:

  • – chemische Beständigkeit gegen feuchte oxidierende und reduzierende Bedingungen;
  • – Gasdichtheit;
  • – hohe Leitfähigkeit;
  • – geringe Übergangswiderstände;
  • – Maßhaltigkeit;
  • – Niedrige Kosten in Bezug auf Material und Fertigung;
  • – Gestaltungsfreiheit;
  • – hohe mechanische Belastbarkeit;
  • – Korrosionsbeständigkeit;
  • – geringes Gewicht.
In a fuel cell stack, a plurality of cells are stacked in electrical series with each other separated from each other by an impermeable, electrically-conductive bipolar plate, referred to as a bipolar plate. The bipolar plate connects two cells mechanically and electrically. Since the voltage of a single cell is in the range of 1 volt, it is necessary for practical applications to switch numerous cells in series. Often, up to 400 cells are stacked separately by bipolar plates. The cells are stacked in such a way that the oxygen side of one cell is connected to the hydrogen side of the next cell via the bipolar plate. The bipolar plate fulfills several functions. It serves for the electrical connection of the cells, for the supply and distribution of reactants (reaction gases) and coolant and for the separation of the gas spaces. A bipolar plate should fulfill the following characteristics:
  • - chemical resistance to moist oxidizing and reducing conditions;
  • - gas tightness;
  • - high conductivity;
  • - low contact resistance;
  • - Dimensional accuracy;
  • - Low costs in terms of material and manufacturing;
  • - freedom of design;
  • - high mechanical load capacity;
  • - corrosion resistance;
  • - low weight.

Derzeit werden verschiedene Arten von Bipolarplatten verwendet.Currently Different types of bipolar plates are used.

Bipolarplatten aus Graphit können durch Pressen oder Fräsen in die geeignete Form gebracht werden. Sie zeichnen sich durch chemische Beständigkeit und geringe Übergangswiderstände aus, haben aber ein unzureichendes mechanisches Verhalten.bipolar plates made of graphite by pressing or milling be brought into the appropriate form. They are characterized by chemical resistance and low contact resistance, but have an insufficient mechanical behavior.

Komposit-Materialien sind aus speziellen Kunststoffen aufgebaut, die leitfähige Füllstoffe, etwa auf Basis von Kohlenstoff, aufweisen.Composite materials are made of special plastics containing conductive fillers, based on carbon, for example.

Ein solches Komposit-Material ist beispielsweise in FR-A2 7765 723 beschrieben.One such composite material is described for example in FR-A-2,765,723.

Am häufigsten bestehen Bipolarplatten aus Kompositen, jedoch sind auch Bipolarplatten aus Metall wie beispielsweise aus Edelstählen, die gegebenenfalls beschichtet sein können, im Einsatz.At the common Bipolar plates consist of composites, but are also bipolar plates made of metal such as stainless steels, optionally coated could be, in use.

Diese metallischen Bipolarplatten zeichnen sich durch hohe Gasdichtigkeit, Maßhaltigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Aufgrund der hohen Anforderungen in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit müssen solche Bipolarplatten, die eine Metallplatte beinhalten, durch geeignete Maßnahmen geschützt werden. Nachteilig an solchen Platten ist insbesondere ihr hohes Gewicht.These metallic bipolar plates are characterized by high gas tightness, dimensional accuracy and high electrical conductivity. Due to the high requirements in terms of corrosion resistance, such bipolar plates, which include a metal plate, must be protected by appropriate measures. A disadvantage of such plates is in particular their high weight.

GB-A 2359186 beschreibt beispielsweise eine metallische Bipolarplatte, die eine Schicht aus elektrisch leitendem Polymer auf ihrer Oberfläche aufweist. Dieses Polymer soll eine ausreichende Resistenz gegenüber dem elektrochemischen Reaktionsbedingungen gewährleisten.GB-A For example, 2359186 describes a metallic bipolar plate, which has a layer of electrically conductive polymer on its surface. This polymer should have sufficient resistance to the ensure electrochemical reaction conditions.

US-A 2004/0081879 beschreibt eine Brennstoffzellenbipolarplatte, die aus einem metallischen Substrat oder einem Komposit besteht, das eine leitende Kontaktschicht aus Edelmetall mit einer Dicke im Sub-μm-Bereich aufweist.USA 2004/0081879 describes a fuel cell bipolar plate, the consists of a metallic substrate or a composite, the a conductive contact layer of noble metal with a thickness in the sub-micron range having.

US-A 5,798,188 beschreibt eine Bipolarplatte, die eine Aluminiumplatte beinhaltet, auf die Projektionen eines Polymers aufgebracht und mit einer Schicht aus Metall, Metallnitrit oder Metallcarbit überzogen sind.USA 5,798,188 describes a bipolar plate comprising an aluminum plate includes, applied to the projections of a polymer and coated with a layer of metal, metal nitrite or metal carbide are.

In US 2003/0228512 wird eine Edelstahlbipolarplatte offenbart, bei der das Substrat aus Edelstahl besteht, das mit einer weniger als 100 Nanometer Dicke aufweisenden leitenden Schicht aus einem Edelmetall überzogen ist.In US 2003/0228512 discloses a stainless steel bipolar plate, in the substrate is made of stainless steel with a less than 100 nanometer thick conductive layer of a noble metal coated is.

WO-A 97/50139 beschreibt eine Bipolarplatte, die aus einem Polymerrahmen besteht, in den eine Kohlenstoffplatte oder eine andere korrosionsresistente leitende Platte eingegossen ist.WO-A 97/50139 describes a bipolar plate consisting of a polymer frame which is a carbon plate or other corrosion resistant conductive plate is poured.

Weiterhin beschreibt die WO-A 01/28020 eine Bipolarplatte, die eine Metallplatte aufweist, welche durch eine Graphitemulsionsschicht sowie eine Graphitfolie gegen Korrosion geschützt ist.Farther WO-A 01/28020 describes a bipolar plate comprising a metal plate which has a graphite emulsion layer and a graphite foil protected against corrosion is.

In US 2004/0038104 wird eine Bipolarplatte vorgeschlagen, die aus einer Chrom-Nickel-Legierung besteht, welche die erforderliche Korrosionsbeständigkeit aufweist.In US 2004/0038104 a bipolar plate is proposed which consists of a Chromium-nickel alloy which has the required corrosion resistance.

Schließlich beschreibt die DE-A10039674 eine Bipolarplatte mit einer Metallschicht, die mit nicht leitfähigen Kunststoffschichten umschlossen ist, wobei die Metallschicht mit ihren Oberflächen eine oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen aufweist.Finally describes DE-A10039674 a bipolar plate with a metal layer, the with non-conductive Plastic layers is enclosed, wherein the metal layer with their surfaces one or more electrically conductive compounds.

Weiterhin werden im Stand der Technik Bipolarplatten vorgeschlagen, die keine Metall- oder Graphitbasisplatte beinhalten. Hier werden insbesondere Kunststoffe eingesetzt, die jedoch modifiziert werden müssen, um die erforderliche elektrische Leitfähigkeit der Bipolarplatte zu gewährleisten.Farther Bipolar plates are proposed in the prior art, the no Metal or graphite base plate include. Here in particular plastics are used, the however, they must be modified to the required electrical conductivity of the bipolar plate guarantee.

Der Vorteil des Einsatzes solcher polymeren Grundplatten oder Substrate in Bipolarplatten liegt in deren Resistenz sowie dem geringen Gewicht.Of the Advantage of the use of such polymeric base plates or substrates in bipolar plates lies in their resistance and low weight.

DE-A 19823880 offenbart eine Bipolarplatte aus thermoplastischem Kunststoff, die durch elektrisch leitfähige Füller, wie z.B. Kohlenstoffpulver, welche dem Thermoplasten hinzugefügt werden, sowie durch einen dünnen Film aus einem leitfähigem Material, welcher beispielsweise durch Dünnfilm-Vakuum-Abscheidung auf ihrer Oberfläche aufgebracht wird, elektrisch leitend gemacht wird.DE-A 19823880 discloses a bipolar plate made of thermoplastic material, which by electrically conductive Ink pen, such as. Carbon powders which are added to the thermoplastic, as well as a thin one Film of a conductive material, which, for example, by thin-film vacuum deposition on its surface is applied, is made electrically conductive.

DE-A 10261483 offenbart eine Bipolarplatte, aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Polymer, in das ein metallisches Gewebe derart eingearbeitet ist, dass die auf beiden Seiten der Oberfläche vorhandenen Kanäle des so genannten „Flow-fields" von diesem Gewebe bedeckt sind.DE-A 10261483 discloses a bipolar plate made of a thermoplastic or thermosetting polymer in which a metallic fabric is so incorporated is that existing on both sides of the surface channels the so-called "flow fields" of this tissue are covered.

Nachteilig an den letztgenannten Alternativen ist die teilweise aufwendige Modifizierung des Kunststoffsubstrats, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zu erzeugen.adversely to the latter alternatives is the sometimes expensive Modification of the plastic substrate to provide adequate electrical conductivity to create.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindungen besteht somit darin, eine Bipolarplatte bereitzustellen, die auf einem nicht leitenden Substrat basiert, welches auf einfache Weise elektrisch leitfähig gemacht wird.The The object of the present invention is therefore a bipolar plate which is based on a non-conductive substrate, which is made electrically conductive in a simple manner.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen-Stacks enthaltend

  • – eine elektrisch nicht leitfähige Substratplatte mit gegenüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen und
  • – mindestens eine elektrisch leitfähige Folie, die derart auf der nicht leitfähigen Substratplatte fixiert ist, dass die Teilflächen der gegenüberliegenden Oberflächen der nicht leitfähigen Substratplatte von der min destens einen leitfähigen Folie bedeckt sind und wobei die Folie im Bereich der Teilflächen Perforierungen aufweist.
The object is achieved by a bipolar plate for fuel cell stacks containing
  • - An electrically non-conductive substrate plate having opposite surfaces, each containing a partial surface and these partial surfaces have channels for gas transport and
  • - At least one electrically conductive film which is fixed on the non-conductive substrate plate such that the partial surfaces of the opposite surfaces of the non-conductive substrate plate are covered by at least one conductive film and wherein the film has perforations in the region of the partial surfaces.

Es wurde nämlich gefunden, dass durch einfaches Überziehen der Kanäle zum Gastransport aufweisenden Flächen (Flow-fields) der Substratplatte mit einer elektrisch leitfähigen Folie eine einfache und preisgünstig herstellbare Bipolarplatte hergestellt werden kann, wobei die elektrische Leitung von einer Seite der Bipolarplatten zur anderen durch die beide Seiten umspannenende Folie bewirkt wird.It was in fact found that by simply coating of the channels for gas transporting surfaces (Flow fields) of the substrate plate with an electrically conductive foil a simple and inexpensive producible bipolar plate can be produced, wherein the electric Lead from one side of the bipolar plates to the other through both Side wrapping film is effected.

Vorzugsweise besteht die nicht leitfähige Substratplatte aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Polymer.Preferably consists of the non-conductive substrate plate from a thermoplastic or thermosetting polymer.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff „elektrisch nicht leitfähig" zu verstehen, dass keine oder nur eine vernachlässigbar geringe elektrische Leitfähigkeit vorhanden ist.in the The scope of the present invention is defined by the term "electrical not conductive "to understand that no or only negligible low electrical conductivity is available.

Als Kunststoffmaterial können hierbei alle verstärkten und unverstärkten thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffe eingesetzt werden, die gegen Feuchte oxidierende und reduzierende Bedingungen, wie sie beispielsweise in PEM-Brennstoffzellen herrschen, chemisch stabil sind. Zudem sollten sie gasdicht und maßhaltig sein. Beispiele geeigneter Materialien sind PA, PBT, PPO, PP, PES, EP, UP, PF und andere technisch eingesetzte Kunststoffe.When Plastic material can all reinforced and unreinforced thermoplastic or thermosetting plastics are used, the against moisture oxidizing and reducing conditions, such as for example, prevail in PEM fuel cells, chemically stable are. In addition, they should be gas-tight and dimensionally stable. Examples of suitable Materials are PA, PBT, PPO, PP, PES, EP, UP, PF and others technical used plastics.

Erfindungsgemäß können die Flow-fields der Substratplatte durch eine elektrisch leitfähige Folie bedeckt sein. Dies wird am einfachsten dadurch erreicht, dass eine Folie über eine Außenkante der Substratplatte geführt ist und zumindest so weit die Substratplatte bedeckt, dass die Flow-fields von der Folie erfasst sind. Ebenso können mehrere Folien verwendet werden, die gegebenenfalls überlappen, um miteinander gas- und flüssigkeitsdicht verbunden zu werden.According to the invention can Flow fields of the substrate plate covered by an electrically conductive foil be. This is most easily achieved by placing a film over a outer edge the substrate plate out is and at least so far covers the substrate plate that the flow fields are covered by the film. Likewise, several slides can be used which overlap if necessary gas and liquid tight with each other to be connected.

Die Folie weist im Bereich der abgedeckten Flow-fields Perforierungen auf. Diese dienen dazu, dass die Gaskomponenten, die zu den Flow-fields geführt werden, fein verteilt durch die Perforierungen zum Elektrolyt, vorzugsweise einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), strömen können.The Foil has perforations in the area of the covered flow fields on. These serve to ensure that the gas components that are routed to the flow fields finely distributed through the perforations to the electrolyte, preferably a polymer electrolyte membrane (PEM), pour can.

Die Bipolarplatte kann jedoch auch derart ausgestaltet sein, dass die leitfähige Folie durch eine gasdicht verschlossene Ausnehmung in der Substratplatte außerhalb der Flow-fields aufgenommen ist. Hierbei ist die Ausnehmung zweckmäßigerweise derart dimensioniert, dass sich eine Folienbreite ergibt, die ein vollständiges Abdecken der Flow-fields ermöglicht. Eine solche Ausgestaltung entspricht derjenigen, wie sie in DE-A 10261483 vorgeschlagen wird, wobei hier. jedoch anstelle des Gewebes die Folie tritt. Diese vorgeschlagene Variante kann auch mit derjenigen, bei der die Folie über eine Kante der Substratplatte geführt wird, kombiniert werden.The However, bipolar plate can also be designed such that the conductive Film through a gas-tight closed recess in the substrate plate outside the flow fields is recorded. Here, the recess is expediently dimensioned such that there is a film width, the one complete Covering the flow fields allows. Such a configuration corresponds to that as described in DE-A 10261483 is proposed, wherein here. but instead of the fabric the foil enters. This proposed variant can also be combined with the one when the film over an edge of the substrate plate is performed, be combined.

Die Abdeckung des Flow-fields kann durch Umbiegen der Folie an der Kante der Ausnehmung in Richtung des Flow-fields auf beiden Seiten der Bipolarplatten erfolgen.The Cover the flow-fields by bending the foil on the edge the recess towards the flow fields on both sides of the Bipolar plates done.

Weiterhin kann eine Folie auch über mehrere Kanten bzw. durch mehrere Ausnehmungen in der Substratplatte geführt sein. Hierdurch wird die Leitfähigkeit erhöht.Farther can also over a film several edges or by a plurality of recesses in the substrate plate guided be. This will cause the conductivity elevated.

Ebenso besteht die Möglichkeit, dass die Folie über drei oder vier Kanten der Substratplatte und/oder Ausnehmungen in der Substratplatte geführt wird.As well it is possible, that the film over three or four edges of the substrate plate and / or recesses in the substrate plate out becomes.

Alternativ können auch mehrere Folien verwendet werden, die gegebenenfalls an ihrer Stoßkante entsprechend verbunden werden.alternative can Also, several films are used, optionally on their impact edge be connected accordingly.

Die elektrisch leitfähige Folie enthält vorzugsweise Kohlenstoff, ein Metall oder eine Metalllegierung. Vorzugsweise sind Nickel (rein), Nickellegierungen und hochlegierter Stahl zu nennen. Hierbei sind die wichtigsten Legierungselemente für den Stahl Al, B, Bi, Co, Cr, Cu, La, Mn, Mo, Ni, Pb, Se, Si, Te, V, W, und Zr.The electrically conductive Contains foil preferably carbon, a metal or a metal alloy. Preferably, nickel (pure), nickel alloys and high alloy To call steel. Here are the most important alloying elements for the steel Al, B, Bi, Co, Cr, Cu, La, Mn, Mo, Ni, Pb, Se, Si, Te, V, W, and Zr.

Um ein Brechen oder Reißen der elektrisch leitfähigen Folie beim Umbiegen um beispielsweise die Kanten der Substratplatte zu vermeiden, kann ein Klebeband oder es können mehrere Klebebänder auf der Folie aufgebracht sein.Around a break or a tearing the electrically conductive Film when bending over, for example, the edges of the substrate plate To avoid a tape or it may be several tapes on the Foil applied.

Es ist auch die Kombination zweier oder mehrerer unterschiedlicher Folienmaterialien möglich. Bei Verwendung einer Graphitfolie können beispielsweise zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von einer Seite der Bipolarplatte zur anderen zusätzlich Metallbleche u-förmig um eine Kante oder mehrere Kanten bzw. durch die dafür vorgesehene Ausnehmung oder Ausnehmungen geführt sein.It is also the combination of two or more different Foil materials possible. When using a graphite foil, for example, for the improvement the electrical conductivity from one side of the bipolar plate to the other additional metal sheets U-shaped around an edge or several edges or through the designated Be performed recess or recesses.

Die erfindungsgemäße leitfähige Folie weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 50 μm bis 700 μm, mehr bevorzugt im Bereich von 100 μm bis 500 μm und insbesondere im Bereich von 200 μm bis 400 μm, auf. Wie bereits oben ausgeführt, ist die Folie teilweise mit einer Perforation versehen, die nach Aufbringen der Folie über den Flow-fields lokalisiert ist. Die Dimensionierung der Perforationsöffnungen entspricht vorteilhafter Weise der Kanalbreite. Zur Gewährleistung des Gastransports muss zumindest ein Teil der Perforationsöffnungen über den Kanälen des Flow-fields lokalisiert sein.The conductive film according to the invention preferably has a thickness in the range of 50 microns to 700 microns, more preferably in the range of 100 μm up to 500 μm and in particular in the range of 200 microns to 400 microns, on. As stated above, is the film partially provided with a perforation after application the slide over the flow fields is localized. The dimensioning of the perforation openings corresponds Advantageously, the channel width. To ensure the gas transport At least part of the perforation openings must be located above the channels of the flow fields be.

Die Folie kann durch verschiedene dem Fachmann bekannte Weisen auf der Substratplatte fixiert werden. Besonders vorteilhaft erfolgt diese Fixierung durch Verklebung. Hierdurch wird eine besonders einfache Art der Herstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte ermöglicht.The Film can by various ways known to those skilled in the art Substrate plate to be fixed. This is particularly advantageous Fixation by gluing. This will be a particularly simple Type of preparation of a bipolar plate according to the invention allows.

Zur Verklebung können gängige Klebstoffe verwendet werden. Hierbei sollte jedoch berücksichtigt werden, dass der Klebstoff eine ausreichende Resistenz gegen die eingesetzten Betriebsstoffe sowie gegen die Betriebstemperatur hat.to Gluing can common Adhesives are used. However, this should be considered be that the adhesive has sufficient resistance to the used operating fluids and against the operating temperature.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte die Schritte enthaltend:

  • – Bereitstellen einer elektrisch nicht leitfähigen Substratplatte mit gegenüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten, und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen;
  • – Fixieren mindestens einer elektrisch leitfähigen Folie auf der nicht leitfähigen Substratplatte derart, dass die Teilflächen der gegenüberliegenden Oberfläche der nicht leitfähigen Substratplatte von der mindestens einen leitfähigen Folie bedeckt sind, und wobei die Folie im Bereich der Teilflächen Perforierungen aufweist; und
  • – gegebenenfalls gasdichtes Verschließen von Ausnehmungen in der Substratplatte zur Aufnahme der leitfähigen Folie.
Another object of the present invention is a method for producing a bipolar plate according to the invention enthal the steps tend:
  • - Providing an electrically non-conductive substrate plate with opposite surfaces, each containing a partial surface, and these partial surfaces have channels for gas transport;
  • - Fixing at least one electrically conductive film on the non-conductive substrate plate such that the partial surfaces of the opposite surface of the non-conductive substrate plate are covered by the at least one conductive film, and wherein the film in the region of the partial surfaces perforations; and
  • - Optionally gas-tight closing of recesses in the substrate plate for receiving the conductive film.

Die Substratplatte kann durch Spritzgießen hergestellt werden. Dies ermöglicht eine besonders flexible räumliche Gestaltung, so dass trotz der einfachen Herstellung komplexe geometrische Strukturen erzeugt werden können.The Substrate plate can be produced by injection molding. This allows a particularly flexible spatial Design, so that despite the simple manufacturing complex geometric Structures can be created.

Die mindestens eine elektrisch leitfähige Folie kann – wie oben erwähnt – vorzugsweise durch Verkleben fixiert werden. Hierbei wird der zu verklebende Teil der Oberflächen der Bipolarplatte mit einem geeigneten Klebstoff versehen. Alternativ kann die Folie oder Folie und Bipolarplatte mit Klebstoff versehen werden. Anschließend wird die Folie um die Außenkante der Bipolarplatte und/oder die Innenkante(n) der Ausnehmung(en) gebogen und an die Oberfläche der Bipolarplatte gepresst. Falls Ausnehmungen vorhanden sind, müssen diese gasdicht verschlossen werden, was durch geeignete Klebstoffe erfolgen kann.The at least one electrically conductive Slide can - like mentioned above - preferably be fixed by gluing. Here is the to be glued Part of the surfaces the bipolar plate provided with a suitable adhesive. alternative can provide the foil or foil and bipolar plate with adhesive become. Subsequently the foil is wrapped around the outer edge the bipolar plate and / or the inner edge (s) of the recess (s) bent and to the surface pressed the bipolar plate. If recesses are present, they must be sealed gas-tight, which is done by suitable adhesives can.

Alternativ kann die Folie während der Herstellung der Substratplatte gasdicht umspritzt werden, wenn die Substratplatte ein thermoplastisches Polymer enthält, um die gasdichte Aufnahme der leitfähigen Folie in einer Ausnehmung zu erreichen.alternative can the film during the production of the substrate plate are encapsulated gas-tight, if the substrate plate contains a thermoplastic polymer to the gastight recording of the conductive To achieve foil in a recess.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellen-Stack aus mehreren Brennstoffzellen, der erfindungsgemäße Bipolarplatten enthält.One Another object of the present invention is a fuel cell stack from several fuel cells containing bipolar plates according to the invention.

Die erfindungsgemäßen Bipolarplatten werden im Allgemeinen in Brennstoffzellen-Stacks aus mehreren Einzelzellen eingesetzt. Derartige Brennstoffzellen-Stacks werden durch wiederholtes Aufeinanderschichten von Bipolarplatte, Gasverteilerschicht, Katalysatorschicht, Polymermembran, Katalysatorschicht und Gasverteilerschicht hergestellt. Zwischen jeweils zwei Bipolarplatten liegt dabei eine Einzelzelle vor. Zudem werden endständige Stromkollektoren und Endplatten eingefügt. Die aufeinander geschichteten Elemente des Brennstoffzellen-Stacks werden verbunden und abgedichtet.The bipolar plates according to the invention are generally used in fuel cell stacks of multiple single cells. Such fuel cell stacks are formed by repeated stacking of bipolar plate, gas distribution layer, catalyst layer, polymer membrane, Catalyst layer and gas distribution layer produced. Between in each case two bipolar plates is present in a single cell. moreover become terminal Current collectors and end plates inserted. The layered ones Elements of the fuel cell stack are connected and sealed.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stacks können beispielsweise zur Stromversorgung in mobilen und stationären Einrichtungen eingesetzt werden. Neben einer Hausversorgung kommen dabei insbesondere die Stromversorgung von Fahrzeugen, wie Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen so wie autarken Systemen wie Satelliten in Betracht.The Fuel cell stacks according to the invention can for example, for power supply in mobile and stationary facilities be used. In addition to a home care come in particular the power supply of vehicles, such as land, water and aircraft so like self-sufficient systems like satellites.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stacks sind vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40 bis 120°C stabil. Der Arbeitstemperaturbereich liegt dabei insbesondere im Bereich um 80°C. Die Temperierung kann dabei durch geeignete Kühlmedien erreicht werden, die zumindest mit einem Teil des Stacks in Verbindung stehen.The Fuel cell stacks according to the invention are preferably in a temperature range of -40 to Stable at 120 ° C. The working temperature range is especially in the range around 80 ° C. The temperature can be achieved by suitable cooling media, the at least with a part of the stack in connection.

Die erfindungsgemäßen Bipolarplatten vereinen eine vorteilhafte Kombination von niedrigem Gewicht, guter elektrischer Leitfähigkeit, Gasdichtigkeit und Gestaltung von Gaskanälen, sowie Beständigkeit gegen Korrosion.The bipolar plates according to the invention combine a beneficial combination of low weight, good electrical conductivity, Gas tightness and design of gas channels, as well as durability against corrosion.

Anhand der Figuren wird die vorliegende Erfindung nachstehend näher erläutert.Based of the figures, the present invention will be explained in more detail below.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte vor Fixierung der elektrisch leitfähigen Folie durch entsprechendes Umbiegen, bei der diese durch eine Ausnehmung geführt ist und 1 an embodiment of a bipolar plate according to the invention prior to fixation of the electrically conductive film by corresponding bending, in which it is guided through a recess and

2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte vor Fixierung der elektrisch leitfähigen Folie durch enstsprechendes Umbiegen, bei der diese um eine Außenkante der Bipolarplatte geführt ist. 2 a further embodiment of a bipolar plate according to the invention prior to fixation of the electrically conductive foil by corresponding bending, in which it is guided around an outer edge of the bipolar plate.

Gemäß 1 umfasst die Bipolarplatte 1 eine elektrisch nicht leitfähige Substratplatte 2, bei der gegenüberliegende Oberflächen jeweils Teilflächen 3 (Flow-fields) besitzen, welche eine Vielzahl von Kanälen 5 aufweisen. Weiterhin weist die elektrisch nicht leitfähige Substratplatte 2 Kanäle zum Zu- und Abführen von Flüssigkeiten und Gasen auf. Über einen ersten Eingang 4 kann beispielsweise H2 zugeführt werden. Der Wasserstoff verteilt sich dann im Brennstoffzellenbetrieb auf der Anodenseite über die Kanäle 5 auf der jeweiligen Oberfläche der Teilflächen. Der nicht für die Brennstoffzellenreaktion verbrauchte Wasserstoff wird über den ersten Ausgang 6 wieder abgeführt. Ebenso existieren ein zweiter Eingang 7 und ein zweiter Ausgang 8 für das andere an der Brennstoffzellenreaktion beteiligte Gas (z.B. O2), das durch die (nicht in 1 sichtbaren) Kanäle auf der Kathodenseite entlang der Oberfläche der nicht dargestellten Teilfläche auf der Rückseite der Bipolarplatte geleitet wird. Ferner kann die elektrisch nicht leitfähige Substratplatte 2 (nicht dargestellte) weitere Kanäle für ein Kühlmittel aufweisen, die im Bereich der Teilflächen 3 im Innern der Bipolarplatte 1 vorhanden sein können. Des weiteren sind in der elektrisch nicht leitfähigen Substratplatte 2 Öffnungen 9 enthalten, die zur Montage der Bipolarplatte 1 im Brennstoffzellen-Stack vorgesehen sind. In der in 1 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die elektrisch leitfähige Folie 10 durch eine Ausnehmung 11 geführt, so dass die Folie 10 in Richtung der Teilflächen 3 auf den jeweils gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte 1 umgebogen werden kann. Vorzugsweise findet eine Verklebung zur Fixierung der Folie 10 in Bereichen der Oberfläche der Bipolarplatte 1 statt, die außerhalb der Teilflächen 3 auf jeder Seite der Bipolarplatte 1 liegen. Weiterhin weist die Folie 10 Perforierungen 12 auf, die sich vorzugsweise in dem Bereich der Folienoberfläche befinden, die nach dem Umbiegen der Folie 10 auf den Teilflächen 3 der gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte 1 zum Liegen kommen. Die elektrisch leitfähige Folie 10 ist dabei derart dimensioniert, dass die gegenüberliegenden Teilflächen 3 vollständig nach Umbiegen und Fixieren der Folie 10 bedeckt sind.According to 1 includes the bipolar plate 1 an electrically non-conductive substrate plate 2 , in the opposite surfaces each partial surfaces 3 (Flow fields), which have a variety of channels 5 exhibit. Furthermore, the electrically non-conductive substrate plate 2 Channels for the supply and removal of liquids and gases. About a first entrance 4 For example, H 2 can be supplied. The hydrogen is then distributed in fuel cell operation on the anode side via the channels 5 on the respective surface of the partial surfaces. The hydrogen not consumed for the fuel cell reaction is via the first output 6 discharged again. Likewise, there is a second input 7 and a second exit 8th for the other gas involved in the fuel cell reaction (eg, O 2 ) passing through the (not in 1 visible) channels on the cathode side along the surface of the partial area, not shown on the back of the Bipolar plate is passed. Furthermore, the electrically non-conductive substrate plate 2 (not shown) have further channels for a coolant, which in the area of the partial surfaces 3 inside the bipolar plate 1 can be present. Furthermore, in the electrically non-conductive substrate plate 2 openings 9 included for mounting the bipolar plate 1 are provided in the fuel cell stack. In the in 1 illustrated embodiment of the present invention is the electrically conductive film 10 through a recess 11 guided, leaving the slide 10 in the direction of the faces 3 on the opposite sides of the bipolar plate 1 can be bent over. Preferably, a bond for fixing the film 10 in areas of the surface of the bipolar plate 1 instead of being outside the faces 3 on each side of the bipolar plate 1 lie. Furthermore, the film has 10 perforations 12 which are preferably located in the region of the film surface, after bending the film 10 on the faces 3 the opposite sides of the bipolar plate 1 to lie down. The electrically conductive foil 10 is dimensioned such that the opposing faces 3 completely after bending and fixing the film 10 are covered.

2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1, die im Gegensatz zu 1 jedoch keine Ausnehmung für die Aufnahme einer Folie 10 aufweist. 2 zeigt eine elektrisch leitfähige Folie 10, die an einer Außenkante 13 der Bipolarplatte angeordnet ist. Hierbei wird nach Umbiegen der Folie 10 in Richtung der gegenüberliegenden Teilflächen 3 und anschließende Fixierung ebenfalls eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1 erhalten. Hierbei ist die Folie 10 ebenfalls derart dimensioniert, dass die gegenüberliegenden Teilflächen 3 der Bipolarplatte 1 nach Umbiegen und Fixieren der Folie 10 vollständig von dieser bedeckt sind und die Fo lie 10 im Bereich der Teilflächen 3 Perforierungen 12 aufweist. Weiterhin kann bei Bedarf die Folie 10 (nicht dargestellte) Öffnungen aufweisen, die gewährleisten, dass nach Umbiegen und Fixieren der Folie 10 die Öffnungen 4, 6, 7, 8, 9 der Bipolarplatte 1 nicht von der Folie 10 bedeckt sind. 2 shows a further embodiment of a bipolar plate according to the invention 1 that in contrast to 1 but no recess for receiving a film 10 having. 2 shows an electrically conductive foil 10 at an outer edge 13 the bipolar plate is arranged. This is after bending the film 10 in the direction of the opposite partial surfaces 3 and subsequent fixation also a bipolar plate according to the invention 1 receive. Here is the slide 10 also dimensioned such that the opposite partial surfaces 3 the bipolar plate 1 after bending and fixing the film 10 completely covered by this and the fo lie 10 in the area of the partial surfaces 3 perforations 12 having. Furthermore, if necessary, the film 10 Have openings (not shown), which ensure that after bending and fixing the film 10 the openings 4 . 6 . 7 . 8th . 9 the bipolar plate 1 not from the slide 10 are covered.

Wie bereits oben ausgeführt können beide Ausführungsformen gemäß der 1 und 2 miteinander kombiniert werden. Es können ebenso weitere Ausnehmungen und/oder weitere Außenkanten der Bipolarplatte 1 zur Führung der Folie bzw. der Folien eingesetzt werden.As already stated above, both embodiments according to the 1 and 2 be combined with each other. There may also be further recesses and / or further outer edges of the bipolar plate 1 be used to guide the film or films.

Weitere denkbare Ausführungsformen sind beispielsweise in den 4 und 5 der DE-A 10261483 offenbart, wobei anstelle des Gewebes die elektrisch leitfähige Folie 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden muss.Other conceivable embodiments are for example in the 4 and 5 DE-A 10261483 discloses, wherein instead of the fabric, the electrically conductive film 10 must be used according to the present invention.

11
Bipolarplattebipolar
22
elektrisch nicht leitfähige Substratplatteelectrical non-conductive substrate plate
33
Teilflächesubarea
44
erster Eingang (H2)first entrance (H 2 )
55
Kanälechannels
66
erster Ausgang (H2)first output (H 2 )
77
zweiter Eingang (O2)second input (O 2 )
88th
zweiter Ausgang (O2)second output (O 2 )
99
Öffnungenopenings
1010
elektrisch leitfähige Folieelectrical conductive foil
1111
Ausnehmungrecess
1212
Perforierungenperforations
1313
Außenkanteouter edge

Claims (12)

Bipolarplatte für Brennstoffzellen-Stacks enthaltend: – eine elektrisch nicht leitfähige Substratplatte mit gegenüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen und – mindestens eine elektrisch leitfähige Folie, die derart auf der nicht leitfähigen Substratplatte fixiert ist, dass die Teilflächen der gegenüberliegenden Oberflächen der nicht leitfähigen Substratplatte von der mindestens einen leitfähigen Folie bedeckt sind und wobei die Folie im Bereich der Teilflächen Perforierungen aufweist.Bipolar plate for fuel cell stacks comprising: - an electric non-conductive Substrate plate with opposite Surfaces, each one partial area contain and these subareas channels to have gas transport and - at least one electrical conductive Film which fixes on the non-conductive substrate plate is that the faces the opposite surfaces the non-conductive Substrate plate are covered by the at least one conductive film and wherein the film in the area of the partial surfaces Has perforations. Bipolarplatte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht leitfähige Substratplatte ein thermoplastisches oder duroplastisches Polymer ist.Bipolar plate according to claim 9, characterized in that that the non-conductive Substrate plate is a thermoplastic or thermosetting polymer. Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine leitfähige Folie über mindestens eine Außenkante der Substratplatte geführt ist.Bipolar plate according to claim 1 or 2, characterized that the at least one conductive foil over at least an outer edge the substrate plate out is. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine leitfähige Folie durch eine gasdicht verschlossene Ausnehmung in der Substratplatte außerhalb der Teilflächen aufgenommen ist.Bipolar plate according to one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one conductive foil by a gas-tight closed recess in the substrate plate outside of the partial surfaces is included. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine leitfähige Folie Kohlenstoff, Metall oder eine Metalllegierung enthält.Bipolar plate according to one of claims 1 to 4, characterized in that the at least one conductive foil Contains carbon, metal or a metal alloy. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine leitfähige Folie eine Dicke im Bereich von 50 bis 700 μm aufweist.Bipolar plate according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one conductive foil has a thickness in the range of 50 to 700 microns. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung durch zumindest teilweise Verklebung der Folie mit den gegenüberliegenden Oberflächen der nicht leitenden Substratplatte erfolgt ist.Bipolar plate according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fixation by at least partially bonding of the film is done with the opposite surfaces of the non-conductive substrate plate. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Metallbleche u-förmig um eine Kante oder mehrere Kanten bzw. durch die dafür vorgesehene Ausnehmung oder Ausnehmungen geführt sind.Bipolar plate according to one of claims 1 to 7, characterized in that additionally Metal sheets U-shaped around an edge or several edges or through the designated Recess or recesses led are. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die Schritte enthaltend – Bereitstellen einer elektrisch nicht leitfähigen Substratplatte mit gegenüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen; – Fixieren mindestens einer elektrisch leitfähigen Folie auf der nicht leitfähigen Substratplatte derart, dass die Teilflächen der gegenüberliegenden Oberflächen der nicht leitfähigen Substratplatte von der mindestens einen leitfähigen Folie bedeckt sind und wobei die Folie im Bereich der Teilflächen Perforierungen aufweist; und – gegebenenfalls gasdichtes Verschließen von Ausnehmungen in der Substratplatte zur Aufnahme der leitfähigen Folie.A method for producing a bipolar plate according to one of the claims 1 to 8, containing the steps - Provide an electrical non-conductive Substrate plate with opposite Surfaces, each one partial area contain and these sub-areas channels for gas transport exhibit; - fix at least one electrically conductive foil on the non-conductive substrate plate such that the faces the opposite Surfaces of the non-conductive Substrate plate are covered by the at least one conductive film and wherein the film has perforations in the region of the partial surfaces; and - possibly gas-tight closure of recesses in the substrate plate for receiving the conductive foil. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 4 bis 8, die Schritte enthaltend – Bereitstellen mindestens einer elektrisch leitfähigen Folie, die Perforierungen aufweist; – gasdichtes Umspritzen der Folie zur Erzeugung einer thermoplastischen elektrisch nicht leitfähigen Substratplatte mit gegenüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen; und – Fixieren der mindestens einen elektrisch leitfähigen Folie auf der nicht leitfähigen Substratplatte derart, dass die Teilflächen der gegenüberliegenden Oberflächen der nicht leitfähigen Substratplatte von der mindestens einen leitfähigen Folie bedeckt sind.A method for producing a bipolar plate according to one of the claims 4 to 8, containing the steps - Provide at least an electrically conductive foil, having the perforations; - Gas-tight encapsulation of Film for producing a thermoplastic electrically non-conductive substrate plate with opposite Surfaces that one partial area each contain and these subareas channels have gas transport; and - Fix the at least one electrically conductive foil on the non-conductive Substrate plate such that the faces of the opposite surfaces the non-conductive Substrate plate are covered by the at least one conductive film. Brennstoffzellen-Stack aus mehreren Brennstoffzellen, der Bipolarplatten nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält.Fuel cell stack of several fuel cells, the bipolar plates according to one of claims 1 to 8 contains. Verwendung von Brennstoffzellen-Stacks nach Anspruch 11 zur Stromversorgung in mobilen und stationären Einrichtungen.Use of fuel cell stacks according to claim 11 for power supply in mobile and stationary facilities.
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