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Die
Erfindung betrifft eine Separatorplatte für eine Brennstoffzelle
mit einer Elektrolytmembran und ein Verfahren zum Herstellen einer
derartigen Separatorplatte. Ferner betrifft die Erfindung noch die
Verwendung einer solchen Separatorplatte.
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Separatorplatten
sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnik als
Einheiten zur Trennung einzelner Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel
oder zum Abschließen einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels
an deren Enden allgemein bekannt und geläufig.
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Derartige
Separatorplatten werden dabei typischerweise zum Trennen der Einzelzellen
eingesetzt und können außerdem zur Zuleitung und/oder Ableitung
von gasförmigen und/oder flüssigen Medien sowie
zur Ableitung von in den Brennstoffzellen entstehender elektrischer
Leistung genutzt werden. Bei heute auf dem Markt befindlichen Brennstoffzellen
wird als Material für die Separatorplatten typischerweise
ein Graphitwerkstoff eingesetzt. Eventuelle Kanäle zur
Zufuhr und/oder Abfuhr von Gasen und/oder Flüssigkeiten
oder Gemischen hiervon, können in diese Graphitplatten
entsprechend eingefräst werden. Der entscheidende Nachteil
bei derartigen Separatorplatten aus Graphit liegt dabei im Material
des Graphits begründet. Derartige Separatorplatten haben
eine vergleichsweise geringe mechanische Festigkeit und Härte,
sodass die Separatorplatten vergleichsweise dick ausgebildet werden
müssen. Dies gilt insbesondere dann, wenn Kanäle
zur Zufuhr und/oder Abfuhr von Gasen und/oder Flüssigkeiten
in die Separatorplatten aus Graphit eingebracht sind, da dann durch
diese Kanäle die Materialdicke zwischen dem Kanalboden
und der gegenüberliegenden Seite vergleichsweise gering
ist. Bei der Verwendung als Bipolarplatte, in die typischerweise
auf der anderen Seite ebenfalls ein Kanal eingefräst ist,
kann der Abstand zwischen den beiden Kanalböden sogar noch
geringer werden. Um eventuellen Druckunterschieden zwischen den
beiden Seiten der Separatorplatte standhalten zu können, sind
dementsprechend dicke Separatorplatten notwendig. Diese dicken Platten
haben dabei den Nachteil, dass sie die Baugröße
eines Brennstoffzellenstapels bzw. -stacks in Bezug zur erzielbaren
Nennleistung deutlich vergrößern, sodass sehr
große und, aufgrund der mechanisch eher instabilen Separatorplatten
aus Graphit, mechanisch sehr empfindliche Brennstoffzellenstacks
entstehen.
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Um
diesen oben genannten Problemen abzuhelfen, ist es in den vergangenen
Jahren zunehmend üblich geworden, Separatorplatten beziehungsweise
Bipolarplatten aus metallischen Werkstoffen einzusetzen. Eine derartige
Separatorplatte ist beispielsweise durch die
DE 10 2006 037 008 A1 beschrieben.
Derartige metallische Separatorplatten weisen dabei bei vergleichsweise
geringer Baugröße, und hier insbesondere Baudicke,
dennoch eine relativ hohe Stabilität auf. Sie erlauben
daher eine höhere Leistungsdichte von mit ihnen ausgerüsteten Brennstoffzellenstacks.
Allerdings weist das Material der metallischen Separatorplatte entsprechende
Probleme auf. Aufgrund der im Bereich der Brennstoffzelle entstehenden
Feuchtigkeit, welche dort in Form von Wasser auftritt, ist eine
hohe chemische Beständigkeit der Separatorplatte notwendig,
die von einer metallischen Platte so typischerweise nicht erreicht wird.
Dementsprechend werden derartige metallische Platten entsprechend
beschichtet, was jedoch wiederum den Nachteil aufweist, dass die
elektrische Leitfähigkeit am Übergang von der
Elektrode zur Platte gegebenenfalls nicht vorhanden oder schlecht ist.
Als chemische Beschichtung der gesamten Plattenoberfläche
bietet sich daher augenblicklich fast nur das sehr teuere Gold an,
welches neben den hervorragenden elektrischen Eigenschaften auch eine
sehr hohe chemische Stabilität aufweist. Die Beschichtung
der gesamten Oberfläche einer metallischen Separatorplatte
mit Gold stellt jedoch hinsichtlich der Kosten einen entscheidenden
Nachteil dar.
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Der
Stand der Technik kennt außerdem faserverstärkte
Keramiken beziehungsweise faserverstärkte Kohlenstoffkörper,
welche durch Karbonisieren hergestellt werden. Typischerweise werden
derartige Materialien hergestellt, um als Bremsscheiben, Kupplungsscheiben
oder Reibelemente eingesetzt zu werden. Derartige Formkörper
können dabei als reine kohlenstofffaserverstärkte
Kohlenstoffkörper oder kurz C/C-Körper eingesetzt
werden oder sie werden nach dem Karbonisieren mit einer flüssigen Schmelze aus
Metall oder Halbmetall, insbesondere einer flüssigen Siliziumschmelze,
infiltriert um dann zumindest in einem Teil des Materials Carbide
zu bilden. Derartige Bauteile werden dann beispielsweise beim Einsatz
einer Siliziumschmelze typischerweise als C/SiC-Körper
bezeichnet. Als Oberbegriff für derartige Materialien wird
häufig auch die Bezeichnung faserverstärkte Keramik
verwendet. In der
DE
197 10 105 A1 ist ein derartiges C/SiC-Material beispielhaft beschrieben.
Ein weiteres Beispiel für ein derartiges Material findet
sich außerdem in der
DE 101 64 226 A1 , welche ebenfalls einen
faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoff beschreibt.
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Aufgabe
der hier vorliegenden Erfindung ist es nun, die oben genannten Nachteile
von Separatorplatten für Brennstoffzellen aus Graphit und/oder
Metall zu vermeiden, und eine Separatorplatte zu schaffen, welche
bei niedriger Dichte eine hohe Härte und Festigkeit aufweist,
sodass entsprechend dünne Separatorplatten geschaffen werden
können, welche die erforderlichen mechanischen, chemischen
und elektrischen Eigenschaften aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die Separatorplatte mit den Merkmalen im kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 gelöst.
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Dem
Erfinder hat sich in überraschender und völlig
unerwarteter Weise gezeigt, dass das üblicherweise bei
Bremsscheiben und Reibbelägen eingesetzte faserverstärkte
kohlenstoffhaltige Material, welches im Allgemeinen als C/C-Material
oder CRC-Material oder CFRC-Material (Abgeleitet aus dem englischen
carbon (fiber) reinforced carbon) bezeichnet wird, sich optimal
für den Einsatz bei der Separatorplatte einer Brennstoffzelle
eignet. Das Material besteht aus einer Matrix des kohlenstoffhaltigen Materials
und ist mit Kohlefasern entsprechend mechanisch verstärkt.
Es weist eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit auf,
welche durch eine gezielte Ausrichtung der eingesetzten Kohlefasern
noch verstärkt werden kann. Außerdem ist das Material
bei den Temperaturen, welche üblicherweise in Brennstoffzellen
mit Elektrolytmembran auftreten, chemisch sehr stabil. Außerdem
kann das Material chemisch auch weiter stabilisiert werden, sodass
es bei höheren Temperaturen sehr stabil ist. Diese Technologie,
bei der beispielsweise Aluminiumoxide eingelagert werden, welche
dann eine entsprechende korrosions- und oxidationsfeste Randschicht
bilden, ist aus dem Bereich der Bremsscheibentechnologie bekannt.
Da hier jedoch typischerweise die Oxidation bei sehr hohen Temperaturen
von deutlich oberhalb 500°C bis 700°C vermieden
werden muss, spielt dies für den Einsatz als Separatorplatte
in Brennstoffzellen eine untergeordnete Rolle.
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Außerdem
weist das Material den großen Vorteil auf, dass es deutlich
leichter als beispielsweise eine metallische Separatorplatte ist,
und dass es bei vergleichsweise geringer Dicke eine weitaus höhere
mechanische Stabilität aufweist, als dies bei herkömmlichen
Separatorplatten aus Graphit der Fall ist. Ferner weist das Material
eine vergleichsweise hohe Porosität auf, was sich wiederum
positiv auf den Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle auswirkt, da
das Material der Separatorplatte je nach Umgebungsbedingungen Feuchtigkeit
aufnehmen und abgeben kann, ähnlich wie beispielsweise
ein Schwamm.
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Grundsätzlich
wäre es daher auch denkbar, die Befeuchtung ausschließlich über
die poröse Separatorplatte zu realisieren. Diese könnte
dafür in an sich bekannter Weise in ein Wasserreservoir
unterhalb der Brennstoffzelle ragen und durch ihre Porosität
in der Art eines Dochts das zur Befeuchtung der Brennstoffzelle
nötige Wasser aufsaugen und in den Bereich der Membranen
leiten. Diese Technologie weist jedoch den Nachteil auf, reines
Wasser zu benötigen, welches aufgrund der Tatsache, dass
es bereits bei 0°C gefriert, sehr schwierig zu handhaben ist.
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In
einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist
es ferner vorgesehen, dass das Material der Separatorplatte metallische
und/oder halbmetallische Bestandteile und/oder Partikel aufweist.
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Dieser
Aufbau, bei dem das metallische und/oder halbmetallische Material
beispielsweise in Form von Partikeln oder Spänen in die
Matrix des C/C-Körpers eingebracht ist, kann hinsichtlich
seiner elektrischen und wärmeleitenden Eigenschaften durch
diese Partikel entsprechend beeinflusst werden. So ist es beispielsweise
bei derartigen C/C-Körpern möglich, Kupfer in
Form von Spänen oder Partikeln in die Matrix einzulagern,
um deren elektrische Eigenschaften zu beeinflussen. Außerdem
ist es denkbar den C/C-Körper mit flüssigen Metallen, Halbmetallen
oder derartige Materialien enthaltenden Legierungen zu infiltrieren,
welche dann ebenfalls durch die Porosität in der Art eines
Dochts zumindest in den Randschichten des C/C-Körpers aufgesogen
werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Separatorplatte ist diese mit dem Halbmetall Silizium flüssig
infiltriert. Dadurch bildet sich in an sich bekannter und bei der Herstellung
von Bremsschreiben ebenfalls eingesetzter Technologie zumindest
teilweise Siliziumcarbid. Aus dem ursprünglichen C/C-Körper
wird somit eine faserverstärkte Keramik, ein sogenannter C/SiC-Körper.
Dieser weist gegenüber dem reinen C/C-Körper nochmals
verbesserte mechanische, thermische und chemische Eigenschaften
auf. Da er aufgrund der immer noch eingelagerten Kohlefasern und
des im metallischen Rest verbleibenden Halbmetalls Silizium weiterhin
eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, ist er nach wie
vor sehr gut geeignet, um als Separatorplatte in Brennstoffzellen
eingesetzt zu werden. Hierbei kann durch die entsprechende Ausgestaltung
der Bedingungen bei der Infiltration die Tiefe des Eindringens des
Siliziums und die Menge an sich bildendem Siliziumcarbid wunschgemäß gesteuert
werden, sodass die Separatorplatte in ihren elektrischen und mechanischen
Eigenschaften an die benötigten Anforderungen angepasst
werden kann.
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Wie
bereits erwähnt können die Kohlefasern beispielsweise
gezielt eingelegt werden, um die gewünschten elektrischen
und mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Da die mechanische
Tragfähigkeit einer Separatorplatte dies jedoch nicht unbedingt
erforderlich macht, ist es eine besonders günstige und
einfache Variante, wenn die zur Verstärkung in dem Material
befindlichen Kohlefasern, Kurzfasern mit einer mittleren Länge
der Einzelfasern von weniger als 50 mm und einem Durchmesser von
4 bis 12 μm sind.
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Im
Gegensatz zu einem gerichteten Einbringen von Langfasern oder Langfaserbündeln
ist die Verwendung von Kurzfasern, welche in zufälliger
und willkürlicher Ausrichtung in dem Material vorhanden sind,
deutlich kostengünstiger und einfacher in der Herstellung.
Da die Fasern in der Matrix willkürlich aber typischerweise
im statistischen Mittel gleichmäßig über
das Volumen der Matrix verteilt sind, stellen sie nach wie vor eine
ausreichende elektrische Leitfähigkeit sicher.
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In
einer weiteren besonders günstigen Ausgestaltung ist es
vorgesehen, dass Kanäle zur Zufuhr und/oder Abfuhr von
Gasen und/oder Flüssigkeiten sowie Gemischen hiervon auf
wenigstens einer Plattenflachseite eingebracht sind. Dieser für
Separatorplatten übliche Aufbau kann bei einer Separatorplatte aus
C/C- oder C/SiC-Materialien besonders einfach und kostengünstig
realisiert werden, da diese Materialien typischerweise über
einen Sinterprozess hergestellt werden. Auch komplexe Kanalstrukturen
lassen sich so vergleichsweise einfach in der Pressform für den
Sinterrohling, den so genannten Grünkörper, hinterlegen.
Somit lassen sich mit einer einzigen Form einfach und effizient
die benötigten Separatorplatten herstellen, da die Kosten
für das Einbringen der Kanäle in die Form nur
einmal aufzuwenden sind, können hier auch sehr komplexe
Kanalstrukturen, wie sie zunehmend üblich werden, realisiert
werden. Außerdem können die Kanalstrukturen gegenüber
einem Prägen bei metallischen Separatorplatten ausgesprochen
fein ausgelegt werden, sodass beispielsweise strömungsverstärkende
Bereiche, die Rückführung von Gasen, als Venturidüsen
ausgebildete Teilbereiche, Kanaldurchbrüche oder dergleichen, einfach
und effizient realisiert werden können, während
dies in einer Fräs- oder Prägetechnik vergleichsweise
aufwendig herzustellen ist.
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In
einer besonders günstigen Ausführungsform der
Separatorplatte ist es außerdem vorgesehen, dass zumindest
Teilbereiche der Oberfläche, insbesondere auf einer oder
beiden der Plattenflachseiten, eine Beschichtung aufweisen. Diese
Beschichtung kann die Eigenschaften der entsprechenden Teilbereiche,
insbesondere im Bereich der Oberfläche, zusätzlich
verändern. So kann beispielsweise ein gezielter Transport
von Feuchtigkeit oder gegebenenfalls auch das Abstoßen
oder Einlagern von Feuchtigkeit durch eine hydrophobe oder hydrophile Beschichtung
erreicht werden. Insbesondere können auch Teilbereiche
mit hydrophoben und Teilbereichen mit hydrophilen Beschichtungen
versehen sein, sodass eine gezielte Unterstützung des Feuchtehaushalts
in der Brennstoffzelle durch die Separatorplatte erreicht werden
kann.
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In
einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung, sind die Beschichtungen
aus chemisch beständigen und/oder elektrisch sehr gut leitenden
Materialien ausgebildet. Dies kann beispielsweise dazu dienen die
elektrische Leitfähigkeit im Bereich des Übergangs
zur Gasdiffusionslage und/oder Elektrode entsprechend zu verbessern.
Hierfür können beispielsweise punktuelle Beschichtungen
mit einem sehr gut leitenden elektrischen Material, insbesondere
Gold, vorgesehen werden. Auch können chemisch beständige
Beschichtungen beispielsweise aus geeigneten Kunststoffen, wie z.
B. Teflon oder dergleichen, in den Bereichen vorgesehen sein, in
denen diese gegebenenfalls notwendig werden können, um
eine Korrosion der entsprechenden Schichten oder auch der Übergänge
vom C/C-Körper beziehungsweise C/SiC-Körper zu
der jeweiligen Beschichtung zu verhindern.
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In
einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung hiervon, ist
die Beschichtung so aufgebracht, dass sie die mit ihr versehene
Oberfläche vollständig versiegelt.
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Dadurch
können dichte Bereiche geschaffen werden, welche so ausgebildet
sind, dass aus ihnen kein Wasser und kein Gas in den Bereich des
Materials der eigentlichen Separatorplatte eindringt.
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Dies
kann beispielsweise angedacht sein, um eine komplexe Separatorplatte
aufzubauen, welche auf einer oder beiden Plattenflachseiten Kanäle zur
Zufuhr und/oder Abfuhr von Gasen und/oder Flüssigkeiten
oder Gemischen hiervon aufweist. Auf der anderen Plattenflachseite
oder in einem Hohlraum in der Platte kann dann ein Bereich vorgesehen sein,
welcher zur Strömung einer Kühlflüssigkeit
und damit zur Kühlung der Brennstoffzelle dient. Ein solcher
Bereich muss dann gegenüber den gasführenden Räumen
auf der anderen Plattenflachseite oder den beiden Plattenflachseiten
entsprechend abgedichtet werden, um das Eindringen von Kühlflüssigkeit,
welche typischerweise aus einem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch
besteht, in den Bereich der Separatorplatte und der Gaszuführungen
zu verhindern. Ein solcher Bereich kann daher besonders vorteilhaft mit
einer derartigen Beschichtung versehen sein, die seine Oberfläche
vollständig versiegelt und somit das Kühlwasser
in den entsprechenden Bereichen hält, sodass dieses nicht
aufgrund der Porosität in die Platte eindringen beziehungsweise
durch die Platte hindurchdringen kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es daher also vorgesehen
sein, dass der Aufbau zumindest einen Hohlraum oder Kanal zwischen
den beiden Oberflächen der Plattenseiten einschließt.
Somit wird eine sehr komplexe Platte erreicht, welche sich jedoch
sehr gut eignet, um als Separatorplatte in der üblichen
Art und Weise in einer Brennstoffzelle mit Elektrolytenmembran,
beispielsweise einer PEM-Brennstoffzelle eingesetzt zu werden.
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Außerdem
wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung
einer Separatorplatte gelöst, welches die Herstellungsschritte
des Anspruchs 10 aufweist.
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In
einem ersten Schritt wird dabei eine pressfähige Mischung
aus beschichteten oder unbeschichteten kohlenstoffhaltigen Fasern
und einem kohlenstoffhaltigen Füll- und/oder Bindemittel
hergestellt. Diese Technologie ist ebenfalls aus dem Bereich der Bremsscheiben
an sich bekannt, beispielhaft wird für einen derartigen
Prozess auf die
DE
197 10 105 A1 verwiesen. In einem zweiten Schritt wird
dann aus dieser pressfähigen Mischung ein Grünkörper
hergestellt, indem dieser in einer geeigneten Pressform unter Druck
und erhöhter Temperatur in eine Form gepresst wird, welche
dem Aussehen des späteren Fertigprodukts bereits entspricht.
Dabei kann es vorkommen, dass die Bauteile bei dem weiteren Herstellungsprozess
eine gewisse Schrumpfung erfahren, sodass – wie beim Sintern
häufig üblich – der Grünling
gegebenenfalls eine etwas größere Ausdehnung aufweisen
kann beziehungsweise muss als das spätere Fertigprodukt.
Dieser vom Sintern entsprechend bekannte Schritt der Herstellung
ist einer der großen Vorteile für den Einsatz
des erfindungsgemäßen Materials als Separatorplatte,
da hier auch komplexe Strukturen sehr einfach und kostengünstig
in den Grünkörper eingebracht werden können,
beispielsweise komplexe Strömungsfelder auf den Plattenflachseiten
der Separatorplatte.
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In
einem dritten Schritt wird der Grünkörper anschließend
unter hoher Temperatur und unter Ausschluss von Oxidationsmitteln
zu einem C/C-Körper karbonisiert. Auch dieser Herstellungsschritt
ist aus der oben genannten Schrift und aus der Herstellung von Bremsscheiben
und Reibscheiben an sich bekannt. An dieser Stelle wird daher nicht
näher auf den Herstellungsprozess und den eigentlichen
Prozess des Karbonisierens sowie die notwendigen Temperaturen eingegangen,
da auch diese sich entsprechend aus dem Stand der Technik bei den
Reibscheiben ergeben.
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In
einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des Verfahrens
ist es ferner vorgesehen, dass der C/C-Körper unter Beibehaltung
seiner Form in einem vierten Schritt, zumindest im Bereich der Oberflächen,
mit einem flüssigen Metal und/oder Halbmetall infiltriert
wird, wobei zumindest teilweise eine Reaktion des Kohlenstoffanteils
der Matrix des C/C-Körpers zu Carbiden erfolgt.
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Als
geeignetes Halbmetall kann beispielsweise Silizium eingesetzt werden,
sodass aus dem C/C-Körper ein entsprechender C/SiC-Körper
entsteht. Dessen Vorteile hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit,
der chemischen Stabilität und der mechanischen Festigkeit
wurden bereits Eingangs bei der Beschreibung der Separatorplatte
selbst erläutert. Die verfahrenstechnischen Schritte zur
Infiltration mit einer flüssigen Metallschmelze sind ebenso wie
die anderen Verfahrensschritte grundsätzlich aus dem Stand
der Technik bei Bremsscheiben bekannt, wofür auch hier
wieder auf die bereits mehrfach erwähnte
DE 197 10 105 A1 verwiesen
wird.
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In
einer besonders günstigen Ausgestaltung des Verfahrens
können der Mischung außerdem Metalle und/oder
Halbmetalle zugesetzt werden. Diese können in Form von
Partikeln oder Spänen eingebracht werden und bleiben als
metallische Werkstoffe zumindest teilweise in der Matrix enthalten.
Sie können dabei die elektrische Leitfähigkeit
und die Wärmeleitfähigkeit positiv und gezielt
beeinflussen, wie oben bereits erläutert wurde.
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In
einer besonders günstigen Weiterbildung des Verfahrens
zur Herstellung einer Separatorplatte kann es außerdem
vorgesehen sein, dass beim Pressen der Mischung zu dem Grünkörper
ein Kern in die Pressform eingelegt wird, welcher beim nachfolgenden
Schritt soweit zersetzt wird und/oder schwindet, dass er entweder
nicht mehr vorhanden ist, oder aus dem dann um ihn herum gebildeten
Hohlkörper entnommen werden kann. Auch diese Technologie
zur Herstellung eines entsprechenden C/C-Körpers oder C/SiC-Körpers
mit einem Hohlraum ist soweit aus dem Stand der Technik bei Bremsscheiben
bekannt, hierfür wird beispielhaft auf die
DE 101 48 658 C1 verwiesen,
in der eine derartige Technologie beschrieben ist.
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Alternativ
dazu kann ein entsprechender Hohlkörper oder Kanal in der
Separatorplatte auch dadurch ausgebildet werden, dass in dem zweiten Schritt
wenigstens zwei jeweils eine Aussparung in ihrer Oberfläche
aufweisende Grünkörper hergestellt werden, wonach
diese mit einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel so zusammen gefügt
werden, dass ein Aufbau aus den Grünkörpern entsteht,
welcher wenigstens einen Hohlraum oder Kanal zwischen den beiden
Oberflächen der Plattenflachseiten einschließt,
und wonach dieser Aufbau die weiteren Schritte anstelle des einzelnen
Grünkörpers durchläuft.
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Bei
dieser Technologie werden also zwei halbe Formen um den Hohlkörper
herum hergestellt, welche dann entsprechend verbunden beziehungsweise
verklebt werden. Bei dem anschließenden Karbonisieren entsteht
hieraus wieder ein einziger Körper, welcher dann gegebenenfalls
auch noch mit einem flüssigen Metall und/oder Halbmetall
infiltriert werden kann.
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Beide
Technologien erlauben es, sehr komplexe Separatorplatten herzustellen,
welche neben Strukturen auf den Plattenflachseiten, beispielsweise entsprechende
Strömungsfelder auf beiden Plattenflachseiten, einen in
die Separatorplatte integrierten Hohlraum, welcher ebenfalls in
Form von Kanälen ausgebildet sein kann, aufweisen. Dieser
Hohlraum kann dann beispielsweise zur Kühlung der Brennstoffzelle
eingesetzt werden, indem dieser durch ein geeignetes Medium, beispielsweise
ein Kühlwasser oder eine Kühlwasser-Frostschutzmittel-Gemisch, entsprechend
durchströmt wird. Hierfür kann, wie oben bereits
erwähnt, eine entsprechende Beschichtung des Hohlraums
und/oder Kanals in dem C/C-Körper vorgesehen werden, welche
dessen Material komplett abdichtet, sodass die Kühlflüssigkeit nicht
in den porösen Körper der Separatorplatte eindringen
beziehungsweise durch diesen hindurchdringen kann.
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In
einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass die beim späteren
Einbau in die Brennstoffzelle in Richtung der Membranen beziehungsweise der
Elektroden gerichtete Oberflächen in den Bereichen, in
denen sie in der späteren Brennstoffzelle die angrenzende
Schicht berühren, nachbearbeitet werden, um metallische
und/oder halbmetallische Bereiche und ungeschützte Kohlefasern
freizulegen.
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Dies
ist ein Verfahrensschritt, welcher so beim Herstellen von Bremsscheiben
nicht auftritt. Dabei wird die Oberfläche in den Bereichen
nachbearbeitet, in denen sie später im elektrischen Kontakt
mit den Elektroden oder der Gasdiffusionslage der Brennstoffzelle
beziehungsweise des Membranelektrodenaufbaus (MEA) der Brennstoffzelle
steht. Diese gezielte Nachbearbeitung kann sicherstellen, dass die
Oberfläche so gestaltet ist, dass in jedem Fall elektrische
leitenden Materialien, beispielsweise freiliegende Kohlefasern und/oder
freiliegende (halb-)metallische Bereiche, mit den Oberflächen
der MEA in Kontakt kommen, und dass diese Bereiche beim Herstellungsprozess
nicht versehentlich durch nichtleitende Abschnitte vollkommen verschlossen sind.
Die Bearbeitung kann dabei sehr einfach erfolgen, da die mit der
MEA in Berührung kommenden Bereiche typischerweise die
Stege zwischen den Kanälen auf den Plattenflachseiten sind.
Durch ein einfaches Abschleifen der Oberfläche kann so
die vorteilhafte Bearbeitung realisiert werden. Nebenbei wird außerdem
die Planheit der Anlage an der MEA und damit ein besserer Kontakt
erreicht. Insbesondere kann dies mit einer entsprechenden Beschichtung der
Oberfläche kombiniert werden, sodass zuerst die Beschichtung
erfolgt und dann die Bearbeitung, sodass die Böden und
Wände der Kanäle entsprechend beschichtet sind,
während die mit der MEA in Kontakt kommenden Stege durch
die Bearbeitung nachtäglich von Ihrer Beschichtung befreit
werden.
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In
einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung können
nun jedoch auch eben diese Bereiche, welche später mit
der MEA in Kontakt kommen, eine entsprechende Beschichtung ihrer
Oberflächen aufweisen. Diese Beschichtung kann insbesondere
die elektrische Leitfähigkeit erhöhen. Um hinsichtlich
der elektrischen Leitfähigkeit und der benötigten
chemischen Resistenz besonders gute Eigenschaften zu erzielen, hat
sich für die Beschichtung eine Beschichtung aus Gold etabliert.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann diese
Beschichtung durch Bedampfen oder Lichtbogendrahtspritzen auf die entsprechenden
Bereiche aufgebracht werden. Insbesondere, wenn die Beschichtung
mit Gold, als vergleichsweise teuerem Material, erfolgt, bietet
diese Technik den großen Vorteil, dass der gewünschte
Effekt bereits mit minimalen Mengen des Metalls erzielt werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Separatorplatte sowie des Herstellungsverfahrens und der Verwendung
derselben, ergeben sich aus dem nachfolgend anhand eines Beispiels
erläuterten Aufbau, welcher die Herstellung und den Einsatz
einer entsprechenden Separatorplatte beispielhaft darstellt.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Ausschnitt aus einem Brennstoffzellenstapel; und
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2 eine
schematische Darstellung der wichtigsten Herstellungsschritte eines
möglichen Verfahrens zur Herstellung einer Separatorplatte.
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In
der 1 ist ein Querschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel 1 schematisch
angedeutet. Dabei ist eine MEA 2 zu erkennen, welche beispielhaft
als Einheit aus einer Membran 3 sowie zwei Gasdiffusionselektroden 4 zusammengesetzt
ist. Diese MEA 2 bildet den Kern einer einzelnen Brennstoffzelle
und kann beispielsweise eine Membran auf der Basis eines Polymers
(Polymerelektrolytmembran, PEM) enthalten. Ein typisches Membranmaterial
ist Nafion des Herstellers DuPont. An diese MEA 2 schließt
sich dann eine Separatorplatte an, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel
als sogenannte Monopolarplatte 5 ausgebildet ist. Sie weist
dabei auf beiden Seiten Kontakt mit einer Brennstoffzelle, insbesondere
also den MEAs 2, auf, wobei benachbarte Brennstoffzellen in
ihrer Polarität gegeneinander ausgerichtet sind, sodass
jeweils benachbarte Monopolarplatten 5 unterschiedliche
Polaritäten aufweisen. Dementsprechend ist jede zweite
der Monopolarplatten 5 elektrisch verbunden, sodass sich
an dem Brennstoffzellenstapel 1 die gewünschte
elektrische Leistung abgreifen lässt. Die Monopolarplatte 5 selbst
weist dabei auf ihren den jeweiligen MEAs 2 zugewandten
Plattenflachseiten Kanäle 6 auf. Typischerweise
sind diese Kanäle 6 Bestandteil eines sehr komplexen
Strömungsfeldes aus einem oder mehreren Kanälen,
welche unterschiedlich ausgebildet sind und gegebenenfalls auch
miteinander korrespondieren. Diese sogenannten Strömungsfelder oder
Flow-Fields sind aus dem Stand der Technik bei Brennstoffzellen
allgemein bekannt und dienen dazu die MEA 2 mit den entsprechenden
Gasen zu versorgen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
wird über die beiden Strömungsfelder einer Monopolarplatte 5 jeweils
das gleiche Gas, beispielsweise Sauerstoff beziehungsweise Luft
oder Wasserstoff beziehungsweise wasserstoffhaltiges Gas, zu den
MEAs 2 geführt. Durch die unterschiedliche Polarität
der benachbarten Einzelzellen zueinander hat jede der Monopolarplatten 5 nur
einen einzigen Typ an Gasen zu transportieren, sodass Undichtheiten
aufgrund des porösen Materials in der Separatorplatte unerheblich sind.
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Prinzipiell
kann die erfindungsgemäße Separatorplatte auch
als Bipolarplatte ausgebildet sein. In diesem Fall ist vorgesehen,
dass in den Strömungsfeldern auf beiden Plattenflachseiten
unterschiedliche Gase strömen, d. h. auf der einen Plattenflachseite
Brennstoff, z. B. Wasserstoff, und auf der anderen Plattenflachseite
das Oxidationsmittel, z. B. Luft. Dementsprechend steht die eine
Plattenflachseite im späteren Brennstoffzellenstapel mit
einer Anode in elektrischem Kontakt und die andere Plattenflachseite
mit einer Kathode. In diesem Fall muss jedoch dafür Vorsorge
getroffen werden, dass Brennstoff und Oxidationsmittel nicht durch
das poröse Material der Separatorplatte hindurch diffundieren
und sich auf der jeweils anderen Seite miteinander vermischen, sodass
auf beiden Seiten der Separatorplatte, also im Anodenraum und im
durch die Separatorplatte davon abgegrenzten Kathodenraum, unerwünschte Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemische
bilden. Derartige Vermischungen setzen im einfachsten Fall bloß die
Leistung des Brennstoffzellenstapels, können aber in schwerwiegenderen
Fällen zur Bildung des gefährlichen Knallgas-Gemisches
führen. Soll die erfindungsgemäße Separatorplatte
also als Bipolarplatte eingesetzt werden, muss in und/oder auf der Separatorplatte
zumindest eine geeignete Sperrschicht vorgesehen werden, die die
durch die Separatorplatte abgetrennten Elektrodenräume
(ein Anoden- und ein Kathodenraum) gasdicht voneinander abdichten.
Eine entsprechende Sperrschicht kann beispielsweise durch eine geeignete
Beschichtung, wie sie beispielsweise nachstehenden noch näher erläutert
wird, realisiert werden. Ferner kann sie durch geeignete Infiltrationen
oder Kompaktierungen innerhalb der Separatorplatte realisiert werden.
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Außerdem
weist die Seperatorplatte 5 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
einen Hohlraum 7 auf, welcher ebenfalls in Form von Kanälen strukturiert
sein kann. Dieser Hohlraum 7 soll im dargestellten Ausführungsbeispiel
von einem Kühlmedium durchströmt sein. Dieses
Kühlmedium dient der Kühlung des Brennstoffzellenstapels 1 in
einem Kühlkreislauf, welcher hier nicht explizit dargestellt
ist.
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Die
hier beschriebene Monopolarplatte 5 soll aus einem faserverstärkten
Werkstoff hergestellt sein, auf der Basis eines karbonisierten,
mit Kohlefasern verstärkten kohlenstoffhaltigen Materials.
Das hier beispielhaft erläutere Material soll ein sogenannter
C/SiC-Körper sein. Er besteht aus mit Kohlefasern verstärktem
karbonisiertem Kohlenstoff, welcher mit flüssigem Silizium
nachträglich infiltriert wird, sodass sich eine faserverstärkte,
teilweise zu Siliziumcarbid umgewandelte Matrix bildet.
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Derartige
Werkstoffe sind aus dem Bereich von Kohlefaser- beziehungsweise
Keramikbremsschreiben bekannt und üblich. Die Materialien
eignen sich, so hat der Erfinder erkannt, besonders gut auch für
den Einsatz als Separatorplatten oder insbesondere Monopolarplatten
5 in
Brennstoffzellenstapeln
1. Das Material kann beispielsweise
vergleichbar wie in der
DE
197 10 105 A1 hergestellt werden. Dazu wird zuerst aus
beschichteten oder unbeschichteten Kohlefasern, in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel insbesondere aus Kurzfasern mit einer
mittleren Länge von weniger als 50 mm, sowie einem kohlenstoffhaltigen
Bindemittel eine pressfähige Mischung
50 hergestellt.
Aus dieser pressfähigen Mischung wird dann ein Grünkörper
11 gepresst,
welcher durch die Ausgestaltung seiner Pressform die komplexen Strömungsfelder
auf den Plattflachseiten der Monopolarplatte
5 bereits
enthält. Für die Herstellung des Hohlraums
7 sind
zwei verschiedene Varianten denkbar, beispielsweise das Einlegen
eines Hohlkörpers, welcher später so stark schwindet,
dass er entfernt werden kann oder der während des Verfahrens
aufgelöst wird, wie dies beispielsweise in der
DE 101 48 658 C1 beschrieben
ist.
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In
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll jedoch
auf eine alternative Ausgestaltung der Herstellung einer Separatorplatte
mit Hohlraum eingegangen werden. Diese wird dabei in zwei Teilen hergestellt.
In Teil a) der 2 ist zu erkennen, wie die Mischung 50 – beispielhaft
durch eine angedeutete Rohrleitung – in eine entsprechende
Form 8 eingefüllt wird, welche bereits entsprechende
Stege 9 aufweist, sodass später die Kanäle 6 in
der Monopolarplatte 5 entstehen können. In 2b)
ist zu erkennen, wie durch einen Stempel 10 die pressfähige
Mischung 50 verdichtet und zu einem entsprechenden Grünkörper 11 gepresst
wird. Der so entstandene Grünkörper 11,
welcher in 2c) nochmals zu erkennen ist,
weist auf seiner einen Plattenflachseite die Kanäle 6 auf
und auf der anderen Plattenflachseite die Hälfte des Hohlraums 7.
Werden nun zwei derartige Grünkörper 11 zusammengesetzt,
wie dies in 2d) zu erkennen ist, so entsteht
bereits der gewünschte Aufbau der Monopolarplatte 5.
Die Grünkörper 11 werden dabei mit einem
kohlenstoffhaltigen Bindemittel an den Stellen an denen sie sich
berühren entsprechend verbunden bzw. verklebt. Nach dem
Zusammensetzen der Grünkörper 11 erfolgt dann
das Karbonisieren in einer entsprechenden Atmosphäre unter
Ausschluss von Oxidationsmittel, bei Temperaturen von typischerweise
circa 750°C bis 1100°C. Der Aufbau aus den beiden
Grünkörpern 11 wird dabei zu einem einzigen
C/C-Körper karbonisiert, welcher die Basis für
die spätere Monopolarplatte 5 bildet. Dieser C/C-Körper
wird anschließend mit flüssigem Silizium infiltriert,
wobei sich zumindest teilweise mit dem Matrixmaterial des C/C-Körpers
Siliziumcarbid ausbildet. Der so entstandene C/SiC-Körper
wird dann entsprechend abgekühlt und kann zur fertigen
Monopolarplatte 5 weiterbearbeitet werden. Hierzu wird
in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Hohlraum 7 mit
einer entsprechenden Beschichtung versehen, sodass das Kühlwasser
nicht in das poröse Material des C/SiC-Körper
eindringen kann. Dies kann beispielsweise durch Befüllen
des Hohlkörpers mit einem geeigneten lackartigen oder auf
der Basis von entsprechenden Harzen ausgebildeten Material erfolgen,
welches flüssig in den Hohlraum 7 eingebracht
und danach wieder ausgeleert wird. Durch die Porosität
der Oberfläche des C/SiC-Körpers wird an der Oberfläche
das flüssige Material zurück bleiben und kann
nach dem Ableeren des überflüssigen Materials
entsprechend aushärten. Dadurch bildet sich eine für
das Kühlmittel undurchlässige Schicht (Sperrschicht)
an der Oberfläche des Hohlraums 7 aus, sodass
eine entsprechende Kühlung statt finden kann, ohne dass
das Kühlmittel in den C/SiC-Körper der Monopolarplatte 5 eindringen
und gegebenenfalls mit den MEAs 2 des Brennstoffzellenstapels 1 in
Kontakt kommen kann.
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Um
die Eigenschaft hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit
der Monopolarplatte 5 zu verbessern, können die
beiden Plattenflachseiten nun entsprechend nachbearbeitet werden,
wobei durch ein gezieltes Anschleifen der Oberfläche im
Bereich der Stege zwischen den Kanälen 6 einzelne
metallische beziehungsweise halbmetallische Partikel und Kohlefasern
so freigelegt werden, dass diese von der Oberfläche aus
elektrischen Strom durch die Monopolarplatte 5 hindurch
zur Leistungsabnahme aus dem Brennstoffzellenstapel 1 ableiten
können. Diese Leitfähigkeit kann außerdem
durch ein entsprechendes Bedampfen oder Lichtbogendrahtspritzen
eines geeigneten Materials auf diese bearbeiteten Oberflächen
verbessert werden. Beispielhaft soll hier eine Beschichtung mit
einer sehr geringen Menge an Gold genannt werden, da dieses Material
optimale elektrische Leitfähigkeit und beste chemische
Beständigkeit miteinander verbindet.
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Die
hier dargestellte und in ihrer Herstellung beschriebene beispielhafte
Ausgestaltung der Monopolarplatte 5 aus einem mit Kohlefasern
verstärkten Werkstoff mit einer Kohlenstoff- und Siliziumcarbidmatrix
sowie gegebenenfalls in die Matrix eingelagerten metallischen Partikeln,
beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, weist dabei alle notwenigen
Eigenschaften auf, um als Monopolarplatte 5 in dem Brennstoffzellenstapel 1 eingesetzt
zu werden. Bei entsprechend hoher mechanischer Festigkeit ist das
Material leicht und stabil und kann dementsprechend dünn ausgebildet
werden. Man kann also hier mit einer ähnlich dünnen
Monopolarplatte 5, wie beim Einsatz von metallischen Separatorplatten,
unter Einsparung von Gewicht und unter Vermeidung von Korrosionsproblemen,
welche bei dem C/SiC-Material bei den bei Brennstoffzellen üblichen
Temperaturen nicht auftreten, einen leichten und kompakten Brennstoffzellenstapel 1 realisieren.
Die Porosität des Materials der Monopolarplatte 5 lässt
sich im Herstellungsprozess durch eine Variation von Druck und Temperatur beim
Pressen der pressfähigen Mischung entsprechend einstellen.
Typische Drücke und Temperaturen liegen dabei im Bereich
von 120°C bis 280°C, sowie einem Pressendruck
von einigen 10 bar. Durch eine Variation dieser Parameter lässt
sich die Porosität also entsprechend variieren. Durch die
Porosität kommt es auch zu einer Aufnahme von Feuchtigkeit in
den Monopolarplatten 5 während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 1.
Dieses Speichern und Wiederabgeben von Feuchtigkeit in der Art eines Schwamms
wirkt sich dabei ausgesprochen positiv auf den Wasserhaushalt des
Brennstoffzellenstapels 1 aus, sodass der Aufwand, der
betrieben wird muss, um diesen ideal zu befeuchten, entsprechend
verringert werden kann.
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Das
bisher lediglich für Bremsschreiben und Reibbeläge
eingesetzte Material kann also in seiner neuen Verwendung für
die Separatorplatten in Brennstoffzellenstapeln ideal eingesetzt
werden, und weist deutliche Vorteile gegenüber allen aus
dem Stand der Technik bekannten Materialien auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006037008
A1 [0004]
- - DE 19710105 A1 [0005, 0024, 0027, 0045]
- - DE 10164226 A1 [0005]
- - DE 10148658 C1 [0029, 0045]