DE102010055075A1

DE102010055075A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102010055075A1
Application number: DE102010055075A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Erdmann Christian Martin; Dipl.-Ing. Koller Arie-Stephan
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Erdmann Christian Martin Dr-Ing De
Priority date: 2010-12-18
Filing date: 2010-12-18
Publication date: 2012-06-21
Also published as: WO2012079659A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1), bei dem eine Anodenplatte (1.1) und eine Kathodenplatte (1.2) miteinander gefügt werden. Erfindungsgemäß wird zwischen die Anodenplatte (1.1) und die Kathodenplatte (1.2) ein Klebstoff (K) eingebracht, mittels welchem die Anodenplatte (1.1) und die Kathodenplatte (1.2) miteinander verklebt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenplatte (1.1) und eine mit dieser gefügte Kathodenplatte (1.2). Erfindungsgemäß sind die Anodenplatte (1.1) und die Kathodenplatte (1.2) mittels eines Klebstoffs (K) miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, bei dem eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte miteinander gefügt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenplatte und eine mit dieser gefügte Kathodenplatte.
Aus dem Stand der Technik sind allgemein Brennstoffzellen und Verfahren zu deren Herstellung bekannt, wobei eine Brennstoffzelle einen Brennstoffzellenstapel, auch Brennstoffzellenstack genannt, umfasst. Dabei bilden Bipolarplatten Elektroden, welche jeweils durch eine Membran, insbesondere eine Membran-Elektroden-Einheit (im Englischen: membrane electrode assembly) oder ein Elektrolyt elektrisch voneinander getrennt sind. Die Bipolarplatten sind aus einer einzelnen Platte oder zwei miteinander verbundenen Platten, d. h. einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte, gebildet. Die Anodenplatte und Kathodenplatte werden in einer Einzelfertigung durch Umformung von Stahlblechen erzeugt und anschließend mittels Laserschweißen gefügt. Dabei variiert in Abhängigkeit einer linienförmigen Ausbreitung der Laserstrahlung und einer Laserstrahllänge eine Taktzeit für das Fügen der Anodenplatte und Kathodenplatte zur Bipolarplatte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und eine verbesserte Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Bipolarplatte durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte werden eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte miteinander gefügt. Erfindungsgemäß wird zwischen die Anodenplatte und die Kathodenplatte ein Klebstoff eingebracht, mittels welchem die Anodenplatte und die Kathodenplatte miteinander verklebt werden.
Aus der Verklebung der Anodenplatte und der Kathodenplatte resultiert insbesondere gegenüber einer Verschweißung oder anderen thermischen Verfahren zur Erzeugung eines Stoffschlusses der Vorteil, dass eine Korrosionsbeständigkeit der Anodenplatte und Kathodenplatte nicht negativ beeinflusst wird. Weiterhin werden die durch den Klebeprozess bestimmten Taktzeiten verringert und somit wird das Fügen der Platten mittels des Klebeprozesses wesentlich beschleunigt, so dass eine höhere Ausbringungsmenge und eine hohe Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung der Bipolarplatte erzielbar sind.
Die Verklebung erfolgt dabei in der Art, dass die Anodenplatte und Kathodenplatte in direktem elektrischen Kontakt stehen. Alternativ oder zusätzlich wird der elektrische Kontakt mittels des Klebstoffs realisiert, wobei hierzu gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens dem Klebstoff elektrisch leitfähige Partikel beigemengt werden.
Aufgrund einer derartigen direkten und/oder indirekten Verbindung der Anodenplatte und Kathodenplatte sind große elektrische Kontaktflächen zwischen der Anodenplatte und Kathodenplatte realisierbar. Dadurch wird ein Elektronenfluss, d. h. eine elektrische Leitfähigkeit zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte verbessert und somit eine Leistungsfähigkeit der Bipolarplatte erhöht, woraus sich eine erhöhte Qualität und Leistungsfähigkeit des aus den Bipolarplatten gebildeten Brennstoffzellenstapels ergibt. Aus der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Brennstoffzellenstapels ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die Größe des Brennstoffzellenstapels bei gleichbleibender Leistung, wie sie herkömmliche Brennstoffzellenstapel aufweisen, zu verkleinern. Mit anderen Worten: Es sind weniger Bipolarplatten zur Erzeugung der gleichen elektrischen Leistung erforderlich. Aus der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, 40% oder mehr Bipolarplatten einzusparen. Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit und der gleichmäßigen Verbindung der Anodenplatte und Kathodenplatte resultiert eine erhöhte Qualität der Bipolarplatte und somit eine erhöhte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte in einer Draufsicht,
2 schematisch eine Anodenplatte,
3 schematisch eine Kathodenplatte,
4 schematisch einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß 1 in einer Schnittdarstellung während eines Fügeprozesses,
5 schematisch einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß 1 in einer Schnittdarstellung in einem gefügten Bereich und
6 schematisch einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Bipolarplatte gemäß 1 in einer Schnittdarstellung in einem gefügten Bereich.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1 dargestellt.
Mehrere Bipolarplatten 1 werden zur Erzeugung eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellenstapels mit ebenfalls nicht näher dargestellten Membran-Elektroden-Einheiten abwechselnd übereinander gestapelt.
Vorzugsweise werden mehrere der gebildeten Brennstoffzellenstapel elektrisch in Serie geschaltet und planparallel übereinander gestapelt und bilden eine oder mehrere Brennstoffzellen. Jede dieser Brennstoffzellen weist als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt, insbesondere eine Elektrolytmembran, auf, die zusammen die Membran-Elektroden-Einheit bilden.
Die jeweilige, zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten angeordnete Bipolarplatte 1 dient dabei der Beabstandung der Membran-Elektroden-Einheiten, dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle über die angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu den Membran-Elektroden-Einheiten hin offenen, in 4 näher dargestellten Kanälen SK1, SK2. Weiterhin dient die Bipolarplatte 1 der Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten, nicht gezeigten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und der Kathode von benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten.
Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Dabei werden vorzugsweise gasförmige Reaktionsstoffe, sogenannte Reaktionsgase, eingesetzt, wobei die Reaktionsgase beispielsweise Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gas, wie z. B. ein sogenanntes Reformatgas, als Brennstoff und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z. B. Luft, als Oxidationsmittel umfassen. Unter Reaktionsstoffen werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte P, wie z. B. Wasser oder Restbrenngas.
Die jeweilige Bipolarplatte 1 besteht dabei aus zwei planparallel miteinander verbundenen Formteilen, welche als Platten ausgebildet sind. Dabei dient eine der Platten als in 2 näher dargestellte Anodenplatte 1.1 zur Verbindung mit der Anode der Membran-Elektroden-Einheit und die verbleibende der Platten als in 3 näher dargestellte Kathodenplatte 1.2 zur Verbindung mit der Kathode der anderen Membran-Elektroden-Einheit.
An der der einen Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Oberfläche der Anodenplatte 1.1 sind gemäß 4 die als Anodenkanäle ausgebildete Kanäle SKI zur Verteilung des Brennstoffs entlang der einen Membran-Elektroden-Einheit angeordnet, wobei an der der anderen Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Oberfläche der Kathodenplatte 1.2 die als Kathodenkanäle ausgebildeten Kanäle SK2 zur Verteilung des Oxidators über der anderen Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sind. Die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle haben keine Verbindung miteinander.
Zur Medienabdichtung und zur elektrischen Isolierung der Bipolarplatte 1 von den Membran-Elektroden-Einheiten sind zwischen der Bipolarplatte 1 und den Membran-Elektroden-Einheiten Dichtungselemente eingebracht. Die Dichtungselemente sind dabei vorzugsweise als Formdichtungen ausgebildet.
2 zeigt die Anodenplatte 1.1. Die Anodenplatte 1.1 ist vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl gebildet. Ein solcher vorteilhaft einzusetzender nichtrostender Stahl weist insbesondere die Werkstoffnummer 1.4404 auf.
In 3 ist die Kathodenplatte 1.2 dargestellt. Die Kathodenplatte 1.2 ist vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl gebildet. Ebenso weist hierzu ein vorteilhaft einsetzbarer nichtrostender Stahl insbesondere die Werkstoffnummer 1.4404 auf.
4 zeigt die erfindungsgemäße Bipolarplatte 1 in einer Schnittdarstellung, wobei die Anodenplatte 1.1 und die Kathodenplatte 1.2 mittels eines Klebstoffs K miteinander verbunden sind.
Zur Herstellung der Bipolarplatte 1, d. h. des dargestellten Verbunds aus der Anodenplatte 1.1, der Kathodenplatte 1.2 und dem Klebstoff K wird der Klebstoff K auf Bodenelemente der Kanäle SKI und/oder der Kanäle SK2 der Anodenplatte 1.1 und/oder der Kathodenplatte 1.2 auf jeweils den Kanälen SKI und/oder Kanälen SK2 abgewandten und bei der Fügung der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 einander zugewandten Seiten aufgebracht. Die Bodenelemente der Kanäle SKI, SK2 befinden im aktiven Bereich der Anodenplatte 1.1 bzw. der Kathodenplatte 1.2. Zusätzlich wird der Klebstoff K in nicht dargestellter Weise in einem Außendichtbereich der Anodenplatte 1.1 und/oder der Kathodenplatte 1.2 aufgebracht.
Um eine besonders schnelle, gleichmäßige und vollständige Benetzung der zu verklebenden Bereiche der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 zu erzielen, wird in Abhängigkeit des Materials und einer Ausbildung, insbesondere einer Struktur einer Oberfläche der Anodenplatte 1.1 und Kathodenplatte 1.2 eine Viskosität des Klebstoffs K eingestellt.
Zur Verklebung der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 werden diese bei der Fügung mit Druck beaufschlagt. Der Klebstoff K ist dabei derart ausgebildet, dass dieser bei der Beaufschlagung mit Druck aktiviert wird und aushärtet.
Zusätzlich werden die Anodenplatte 1.1 und die Kathodenplatte 1.2 zur Aktivierung und Aushärtung des Klebstoffs K erwärmt. Die Erwärmung erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel induktiv, wobei hierzu zumindest eine Induktionsspule 2 vorgesehen ist.
Alternativ oder zusätzlich wird die Erwärmung beispielsweise durch Strahlung oder in einem Ofen, insbesondere einem so genannten Durchlaufofen, durchgeführt.
Zur weiteren Beschleunigung der Aktivierung und Aushärtung werden dem Klebstoff K zusätzlich Aktivatoren beigemengt, welche bei der Beaufschlagung mit Wärme und Druck derart angeregt werden, dass die Aktivierung und Aushärtung in kurzer Zeit erfolgen.
Weiterhin ist der Klebstoff K derart ausgebildet, dass eine Adhäsion des Klebstoffs K bei einer Berührung mit der Anodenplatte 1.1 und/oder der Kathodenplatte 1.2 automatisch aktiviert wird. Hierzu ist der Klebstoff K chemisch reaktiv zum Material der Anodenplatte 1.1 und Kathodenplatte 1.2 ausgebildet, so dass dieser bei Berührung mit dem Material, insbesondere dem nichtrostenden Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4404, derart mit diesem reagiert, dass es besonders schnell zu einer Adhäsion des Klebstoffs K an der Anodenplatte 1.1 und Kathodenplatte 1.2 kommt.
In 5 ist ein Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 im gefügten und mit dem Klebstoff K versehenen Bereich der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 dargestellt.
Die Anodenplatte 1.1 und die Kathodenplatte 1.2 werden während des Fügeprozesses derart miteinander verbunden, dass diese sich zumindest in Abschnitten unmittelbar berühren und sich zwischen der Anodenplatte 1.1 und die Kathodenplatte 1.2 eine direkte und elektrisch leitfähige Verbindung ausbildet. Zwischen den direkten Berührungsbereichen ist der Klebstoff K angeordnet, mittels welchem die Verklebung der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 erzeugt wird.
Um eine möglichst schnelle und vollständige Aushärtung, insbesondere Polymerisation des Klebstoffs K zu erzielen, wird ein Klebstoff-Spalt KS und eine Dicke des Klebstoffs K zwischen der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 möglichst gering gewählt.
6 zeigt einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 im gefügten und mit dem Klebstoff K versehenen Bereich der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2.
Im Unterschied zu dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt keine unmittelbare Berührung der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 im dargestellten Bereich vor. Um die elektrische Leitung zwischen der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 zu erzeugen, ist der Klebstoff K elektrisch leitfähig ausgebildet. Hierzu umfasst der Klebstoff K elektrisch leitfähige Partikel P.
Bei dieser Ausbildung des Klebstoffs K und einem derartigen Verbund der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 ist eine großflächige Verbindung der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 erzeugbar, welche sich durch einen besonders geringen elektrischen Widerstand auszeichnet. Daraus resultiert eine hohe elektrische Leistungsfähigkeit der Bipolarplatte 1. Weiterhin ist anhand der Beimengung verschiedener Mengen der Partikel P und/oder mittels einer Auswahl der Art und dem Material der Partikel P die gewünschte elektrische Leitfähigkeit zwischen der Anodenplatte 1.1 und der Kathodenplatte 1.2 variabel vorgebbar.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
1.1: Anodenplatte
1.2: Kathodenplatte
2: Induktionsspule
K: Klebstoff
KS: Klebstoffspalt
P: Partikel
SK1: Kanal
SK2: Kanal

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1), bei dem eine Anodenplatte (1.1) und eine Kathodenplatte (1.2) miteinander gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Anodenplatte (1.1) und die Kathodenplatte (1.2) ein Klebstoff (K) eingebracht wird, mittels welchem die Anodenplatte (1.1) und die Kathodenplatte (1.2) miteinander verklebt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Adhäsion des Klebstoffs (K) bei einer Berührung mit der Anodenplatte (1.1) und/oder der Kathodenplatte (1.2) automatisch aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Klebstoff (K) Aktivatoren zur Beschleunigung einer Aktivierung und/oder Aushärtung des Klebstoffs (K) beigemengt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit eines Materials und/oder einer Ausbildung einer Oberfläche der Anodenplatte (1.1) und/oder der Kathodenplatte (1.2) eine Viskosität des Klebstoffs (K) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Klebstoff (K) elektrisch leitfähige Partikel (P) beigemengt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenplatte (1.1), die Kathodenplatte (1.2) und/oder der Klebstoff (K) zu einer Aushärtung des Klebstoffs (K) erwärmt und/oder mit Druck beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (K) auf einen Außendichtbereich und/oder einen aktiven Bereich der Anodenplatte (1.1) und/oder der Kathodenplatte (1.2) aufgebracht wird.
Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenplatte (1.1) und eine mit dieser gefügte Kathodenplatte (1.2), dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenplatte (1.1) und die Kathodenplatte (1.2) mittels eines Klebstoffs (K) miteinander verbunden sind.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (K) elektrisch leitfähige Partikel (P) umfasst.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenplatte (1.1) und/oder die Kathodenplatte (1.2) aus nichtrostendem Stahl gebildet sind.