DE102013208839A1

DE102013208839A1 - Polarplatte, Brennstoffzelle mit einer solchen und Verfahren zur Herstellung der Polarplatte

Info

Publication number: DE102013208839A1
Application number: DE102013208839.6A
Authority: DE
Inventors: Marcus Menzel; Gerhard Bauer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2014-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Polarplatte (12) für eine Brennstoffzelle (10), wobei die Polarplatte (12) eine elektrisch isolierende Beschichtung (13) mit einer Schichtdicke kleiner als 100 µm aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle (10), mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Polarplatte (12). Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Polarplatte (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Polarplatte für eine Brennstoffzelle. Zudem betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, welche wenigstens eine erfindungsgemäße Polarplatte umfasst. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Polarplatte.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100 °C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einen durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160 °C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
Wie einleitend erwähnt, wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel so genannte Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmitteln, also den Reaktanten und üblicherweise auch einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten und den Bipolarplatten sind Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmittel aus dem Brennstoffzellenstapel verhindern. Die Dichtungen können mit den Membran-Elektroden-Einheiten stoffschlüssig verbunden sein. Ferner können die Dichtungen seitens der Bipolarplatten vorgesehen (siehe DE 10 2011 104 948 A1 , WO 2010/114139 A1 und WO 2010/114140 A1 ) und mit diesen Komponenten stoffschlüssig verbunden sein.
Die DE 20 2007 004 022 U1 offenbart eine Brennstoffzelle, zwischen deren Endplatten ein Brennstoffzellenstapel geklemmt ist. Zwischen den Endplatten und einer Kollektorplatte des Brennstoffzellenstapels sind Isolierelemente zur thermischen und elektrischen Isolation angeordnet.
Die DE 10 2011 118 817 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel, welcher zwischen benachbarten Bipolarplatten Unterdichtungen umfassen kann, welche sicherstellen, dass die benachbarten Bipolarplatten nicht miteinander in Kontakt kommen.
Die DE 10 2011 116 323 A1 offenbart ein Anspritzen einer Elastomerdichtung an eine Bipolarplatte, sowie die Nutzung eines Harzrahmens mit damit verklebten Brennstoffzellenplatten. Diese Varianten sind jedoch zeitaufwändig und teuer in der Herstellung. Die Druckschrift schlägt deshalb einen isolierenden Abstandshalter vor, welcher zwischen einem Paar von Bipolarplatten angeordnet ist.
Bisher wurden auch einzelne Teile der Brennstoffzelle, z. B. Bipolarplatten untereinander oder Bipolarplatten zu einem Gehäuse der Brennstoffzelle durch Spalte (Luftspalte) und/oder zusätzliche Folien (Subgaskets) isoliert. Eine Isolation durch einen Abstand der Teile zueinander benötigt jedoch zusätzlichen Bauraum und muss bei Automobilen auch in Einsatzgebieten mit extremen Umwelteinflüssen, wie z. B. in Indien während der Monsunzeit funktionieren.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Polarplatte und eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, welche sich durch einen geringeren Platzbedarf bei einer gleichzeitig sicheren inneren Isolation auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Polarplatte für eine Brennstoffzelle gelöst, wobei die Polarplatte eine elektrisch isolierende Beschichtung mit einer Schichtdicke kleiner als 100 µm aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Polarplatte wird ein Bauraumproblem bei der Auslegung von Brennstoffzellen beseitigt, indem ein ansonsten zur Isolation dienender Luftspalt reduziert werden kann. Neben dem gesparten Bauraum wird eine höhere intrinsische Robustheit der Brennstoffzelle im Betrieb erzielt. Somit werden Probleme durch zu geringe Isolationsabstände gelöst. Zusätzlich ist eine Vereinfachung des Handlings bei gleichzeitig höherer Maßhaltigkeit im Aufbauprozess (bei der Herstellung, insbesondere bei einem Stapeln der Polarplatten) einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels die Folge.
Ein Grundkörper der Polarplatte, auf welchem die elektrisch isolierende Beschichtung aufgetragen sein kann, umfasst typischerweise ein elektrisch leitfähiges Material oder besteht aus diesem. Beispielsweise kann der Grundkörper eine oder mehrere metallische Bleche aufweisen, welche z. B. miteinander verschweißt sein können. Die Polarplatte ist vorzugsweise als Bipolarplatte ausgebildet. Somit ist die Polarplatte dazu ausgebildet, zwischen zwei Membranen, insbesondere zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten, angeordnet zu werden und diese mit Reaktanten zu beaufschlagen. Ferner kann die Polarplatte auch als Monopolarplatte ausgebildet sein. Somit ist die Polarplatte dazu ausgebildet, an lediglich einer Membran, insbesondere an lediglich einer Membran-Elektroden-Einheit, angeordnet zu werden und diese mit Reaktanten zu beaufschlagen. Vorzugsweise weist die Polarplatte wenigstens eine Dichtung (z. B. eine Elastomerdichtung) auf, welche mit der Polarplatte insbesondere stoffschlüssig verbunden sein kann.
Durch die geringe Schichtdicke von kleiner als 100 µm können auch spröde Materialien für die Beschichtung verwendet werden, welche ansonsten bei dickeren Schichtdicken leicht brechen können. Insbesondere ist die Schichtdicke kleiner als 50 µm, bevorzugt kleiner als 25 µm, ferner bevorzugt kleiner als 15 µm, besonders bevorzugt kleiner als 8 µm.
Die Beschichtung weist vorzugsweise auf wenigstens 80 %, insbesondere auf wenigstens 90 %, bevorzugt auf wenigstens 95 %, ferner bevorzugt auf wenigstens 98 % ihrer Oberfläche die genannte Schichtdicke auf. Ferner kann auch die gesamte Oberfläche der Beschichtung die Schichtdicke aufweisen. Somit werden lokal dickere Stellen der Beschichtung vermieden oder verhindert. Die Schichtdicke ist bevorzugt eine mittlere Schichtdicke.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung eine äußere Kante der Polarplatte umlaufend bedeckt. Die äußere Kante ist die äußere Umfangskante (die Schmalseite) der Polarplatte. Die Beschichtung ist innerhalb einer Brennstoffzelle also auf einer äußeren Oberfläche des Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzelle angeordnet und bedeckt die Polarplatte, also deren Grundkörper. Somit kann eine Isolation zu einem Gehäuse der Brennstoffzelle, (welches den Brennstoffzellenstapel umgibt) sichergestellt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Beschichtung einen nicht-elastomeren Kunststoff, insbesondere ein Polyimid (PI) umfasst oder zumindest im Wesentlichen (oder auch komplett) aus diesem besteht. Somit kann die Beschichtung als PI-Beschichtung oder als PI-Lack bezeichnet werden. Es kann ferner von Vorteil sein, dass der nicht-elastomere Kunststoff ein Kunststoff der Gruppe der so genannten „temperaturbeständigen Kunststoffe“ ist, wozu auch Polyimid zählt. Bei einem an das Beschichten anschließenden Anspritzen einer (elastomeren) Dichtung nimmt dadurch die elektrisch isolierende Beschichtung keinen Schaden. Der Kunststoff weist vorzugsweise eine Temperaturbeständigkeit von wenigstens 150 °C, insbesondere von wenigstens 200 °C, ferner bevorzugt von wenigstens 250 °C, besonders bevorzugt von wenigstens 300 °C auf. Bei einer Schichtdicke von ca. 5 µm können bereits mehrere hundert Volt isoliert werden. Die Beschichtung, welches das Polyimid umfasst oder daraus besteht, kann auch hohen Temperaturen bis ca. 260 °C widerstehen. Die Beschichtung kann lokal auf die Polarplatte aufgetragen werden und ist mechanisch ausreichend robust.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Polarplatte wenigstens eine Zentrieröffnung zur Durchführung eines Zentriermittels aufweist, und die Beschichtung die wenigstens eine Polarplatte in einem Bereich um die Zentrieröffnungen umlaufend bedeckt. Die Beschichtung bedeckt dabei typischerweise sowohl Teile der beiden Flachseiten der Polarplatte, als auch die umlaufende innere Kante der Zentrieröffnung (die Schmalseite der Polarplatte in der Zentrieröffnung). Innerhalb der Brennstoffzelle fluchten die übereinander liegenden Zentrieröffnungen der Polarplatten. Derartige Zentrieröffnungen (und/oder Zentrierkerben) sind von einem Fachmann leicht von etwaigen Betriebsmittelöffnungen der Polarplatte zu unterscheiden, da die Zentrieröffnungen weder mit einer Verteilerstruktur auf der Oberfläche der Polarplatte, noch mit etwaigen Kühlmittelkanälen im Inneren der Polarplatte verbunden sind. Beim Zusammenbau der Brennstoffzelle werden typischerweise mehrere Polarplatten übereinander gestapelt, wobei zwischen jeweils zwei (benachbarten) Polarplatten eine Membran, insbesondere eine Membran-Elektroden-Einheit, welche ebenfalls mit wenigstens einer Zentrieröffnung versehen ist, angeordnet ist. Zur Ausrichtung der Membran oder der Membran-Elektroden-Einheit mit den Polarplatten befindet sich beim Zusammenbau ein Zentriermittel (z. B. ein Zentrierstab) in den Zentrieröffnungen. Beim Herausziehen des Zentriermittels konnten sich bisher leicht Späne von den Polarplatten lösen und die Polarplatten kurzschließen. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung, welche die Polarplatte in einem Bereich um die Zentrieröffnung umlaufend bedeckt, wird ein Ablösen eines Spans verhindert und/oder die beiden Polarplatten voneinander isoliert, selbst wenn ein Span zwischen ihnen eingeklemmt sein sollte.
Ferner wird eine Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Polarplatte.
Die Brennstoffzelle zeichnet sich durch eine erhöhte Ausfallsicherheit aufgrund einer verbesserten internen Isolation, sowie einen reduzierten Bauraumbedarf aus.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle wenigstens zwei Polarplatten umfasst, wobei wenigstens eine der wenigstens zwei Polarplatten eine erfindungsgemäße Polarplatte ist und die Beschichtung derart auf der wenigstens einen erfindungsgemäßen Polarplatte angeordnet ist, dass eine kleinste Kriechstrecke zwischen den zwei Polarplatten wenigstens 1 mm, insbesondere wenigstens 2 mm, bevorzugt wenigstens 5 mm, ferner bevorzugt wenigstens 10 mm beträgt. Somit können also z. B. Bereiche um die Betriebsmittelöffnungen auf einer oder beiden Flachseiten und/oder innere Kanten (Schmalseiten) der Betriebsmittelöffnungen beschichtet sein. Auch von den Betriebsmittelöffnungen weg verlaufende Kanäle in die Polarplatte können zumindest teilweise die Beschichtung aufweisen. Die kleinste Kriechstrecke kann sowohl entlang einer Oberfläche der Brennstoffzelle als auch entlang einer Luftstrecke (welche z. B. durch Betriebsmedien überbrückt wird) verlaufen, je nachdem welche kürzer ist. Die erhöhte Kriechstrecke ist besonders bei dazwischen liegenden elektrisch leitfähigen Betriebsmitteln, z. B. Kühlwasser, von Vorteil. Die zwei Polarplatten sind in der Regel jene zwei Polarplatten, welche sich innerhalb der Brennstoffzelle am nächsten sind. Typischerweise umfasst die Brennstoffzelle wenigstens eine Membran, welche zwischen den wenigstens zwei Polarplatten angeordnet ist. Ferner bevorzugt können die wenigstens zwei Polarplatten (beide) erfindungsgemäße Polarplatten sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung derart auf der wenigstens einen Polarplatte angeordnet ist, dass eine kleinste Kriechstrecke zwischen der wenigsten einen Polarplatte und einem Gehäuse der Brennstoffzelle wenigstens 5 mm, insbesondere wenigstens 10 mm, bevorzugt wenigstens 15 mm, besonders bevorzugt wenigstens 20 mm beträgt. Das Gehäuse umgibt den Brennstoffzellenstapel. Somit wird beispielsweise auch bei einem Eindringen von Feuchtigkeit in das Gehäuse oder bei einer Verformung des Gehäuses eine ausreichende Isolation sichergestellt. Von besonderem Vorteil ist, wenn die erwähnte kleinste Kriechstrecke die kleinste Kriechstrecke zwischen allen Polarplatten und dem Gehäuse ist.
Bevorzugt kontaktiert wenigstens eine der Flachseiten der Polarplatte wenigstens eine Dichtung der Brennstoffzelle, wobei die Dichtung die Beschichtung auf der Polarplatte überlappt. Durch diese Ausgestaltung wird ein in manchen Bereichen unerwünschtes Freiligen von elektrisch leitfähigen Teilen der Polarplatte (z. B. beim Angrenzen der Beschichtung an eine Dichtung) vermieden. Die Dichtung ist insbesondere eine Elastomerdichtung.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass beide Flachseiten der wenigstens einen Polarplatte jeweils wenigstens eine geschlossen umlaufende Dichtung der Brennstoffzelle kontaktieren, und eine zwischen den beiden Dichtungen vorhandene Oberfläche der Polarplatte vollständig von der Beschichtung bedeckt ist. Durch diese Ausgestaltung kann die gesamte Oberfläche außerhalb der Dichtungen der Polarplatten mittels der Beschichtung isoliert werden.
Als „Flachseiten“ werden jene Seiten (Flächen) der Polarplatte bezeichnet, deren Ausdehnungen verglichen mit den Kanten (den Schmalseiten) der Polarplatte wesentlich größer sind.
Ferner wird ein Fahrzeug umfassend die erfindungsgemäße Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle dient typischerweise zur Speisung einer elektrischen Maschine für den Antrieb des Fahrzeuges mit elektrischer Energie. Das erfindungsgemäße Fahrzeug zeichnet sich besonders durch seine Zuverlässigkeit und seine kompakten Abmaße aus.
Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polarplatte zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Beschichtens eines Grundkörpers der Polarplatte mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung, wobei die Beschichtung eine Schichtdicker kleiner als 100 µm aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Beschichten mittels eines Tauchverfahrens oder eines Sprühverfahrens erfolgt. Insbesondere mittels des Sprühverfahrens kann die Beschichtung leicht selektiv aufgebracht werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein an das Beschichten anschließendes Aushärten der Beschichtung mittels Bestrahlens der Beschichtung mit UV-Licht und/oder mittels Erwärmens der Beschichtung erfolgt. Das Erwärmen führt zu einer Temperaturerhöhung der Beschichtung, wodurch diese aushärtet. Das Aushärten kann je nach Material der Beschichtung auch durch die Bestrahlung mit UV-Licht erfolgen (welche in der Regel auch eine Erwärmung bewirkt).
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, und
2 eine erfindungsgemäße Polarplatte gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Brennstoffzelle 10 umfasst mehrere Polarplatten 12. Die Polarplatten 12 können abwechselnd mit Membran-Elektroden-Einheiten 14 der Brennstoffzelle 10 gestapelt sein. Die Membran-Elektroden-Einheiten 14 umfassen eine (nicht dargestellte) Membran. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Polarplatten 12 sind Dichtungen 16 angeordnet, welche Bereiche zwischen den Polarplatten 12 und den Membran-Elektroden-Einheit 14 umlaufend begrenzen und dichten. Die gestapelte Anordnung der Polarplatten 12 und der Membran-Elektroden-Einheit 14 kann auch als Brennstoffzellenstapel 11 bezeichnet werden.
Ferner kann die Brennstoffzelle 10 Endplatten 18 aufweisen, zwischen welchen der Brennstoffzellenstapel 11 mittels Zugstangen 20 geklemmt werden kann.
Die im Brennstoffzellenstapel 11 äußersten Polarplatten 12 werden auch als Monopolarplatten bezeichnet, während die zwischen den Monopolarplatten angeordneten Polarplatten 12 als Bipolarplatten bezeichnet werden. Eine, mehrere oder wie im Beispiel ersichtlich alle Polarplatten weisen eine elektrisch isolierende Beschichtung 13 (als Schraffur dargestellt) auf, welche wie dargestellt äußere Kanten 23 (schraffierter Bereich), also die Schmalseiten der Polarplatten 12 umlaufend bedecken kann. Die äußeren Kanten 23 sind zur besseren Sichtbarkeit übertrieben dick dargestellt.
Durch das Verpressen des Brennstoffzellenstapels 11 mittels der Zugstangen 20 wird ein notwendiger Anpressdruck auf die Dichtungen 16 gewährleistet. Dadurch wird im Betreib der Brennstoffzelle 10 ein Austreten von Betriebsmitteln aus der Brennstoffzelle 10 verhindert. Die elektrisch isolierende Beschichtung 13, welche die äußeren Kanten 23 umlaufend bedeckt, isolierte die Polarplatten gegenüber einem Gehäuse (nicht dargestellt) der Brennstoffzelle 10, welches den Brennstoffzellenstapel 11 umgibt.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Polarplatte 12 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Polarplatte 12 weist einen elektrisch leitfähigen Grundkörper 15 auf, welcher z. B. im Wesentlichen aus mehreren miteinander verschweißten Lagen Blech gebildet sein kann. Auf dem Grundkörper ist die elektrisch isolierende Beschichtung 13 (wiederum als Schraffur dargestellt) aufgebracht.
Die Polarplatte weist zumindest auf einer ihrer Flachseiten 22 (auf welche die Blickrichtung in 2 rechtwinkelig gerichtet ist) Verteilerbereiche 24 auf. Polarplatten mit einem Verteilerbereich 24 auf nur einer ihrer Flachseiten 22 werden Monopolarplatten genannt, während Polarplatten mit Verteilerbereichen 24 auf beiden Flachseiten Bipolarplatten genannt werden. Die Verteilerbereiche 24 weisen eine Kanalstruktur auf, welche z. B. in die Bleche der Polarplatte 12 eingeprägt sein können.
Bei der dargestellten Polarplatte 12 kann angenommen werden, dass es sich exemplarisch um eine Bipolarplatte handelt. Die Verteilerbereiche 24 auf beiden Flachseiten 22 der Polarplatte 12 sind innerhalb der Brennstoffzelle 10 von jeweils einer Dichtung 16 (deren Umrisse gestrichelt angedeutet sind) der Brennstoffzelle 10 umlaufend umschlossen. Die Dichtungen 16 können mit der Polarplatte 12 stoffschlüssig verbunden, z. B. an die Polarplatte 12 angespritzt, sein. Ferner können die Dichtungen 16 je einer Polarplatte 12 miteinander integral verbunden sein. Die Dichtung 16 auf der nicht dargestellten Flachseite 22 der Polarplatte 12 ist typischerweise spiegelsymmetrisch zur dargestellten Dichtung 16 ausgebildet, wobei die Symmetrieebene entlang der Polarplatte 12 verläuft.
Eine zwischen den beiden Dichtungen 16 vorhandene Oberfläche der Polarplatte 12 ist vollständig von der Beschichtung 13 bedeckt. Die vollständig bedeckte Oberfläche erstreckt sich von der eingezeichneten Dichtung 16 über die äußere Kante 23 (Schmalseiten) der Polarplatte 12 auf die andere (nicht sichtbare) Flachseite 22 der Polarplatte 12 bis zu der nicht dargestellten zweiten Dichtung 16. Somit ergibt sich ein durchgängiger, in sich geschlossener Beschichtungsbereich der Beschichtung 13.
Die Dichtungen 16 können die Beschichtung 23 (wie dargestellt) auch überlappen, sodass eine sichere Isolation gegenüber Kriechströmen gegeben ist.
Ferner kann die Polarplatte 12 Zentrieröffnungen 28 aufweisen. Die Beschichtung 13 kann die Polarplatte 12 in einem Bereich um die Zentrieröffnungen 28 umlaufend bedecken. Somit weisen sowohl die umlaufende innere Kante 26 (Schmalseite) der Zentrieröffnung 28 als auch die beiden Flachseiten 23, welche an die Zentrieröffnung 28 angrenzen, die Beschichtung 13 auf. Somit ergibt sich jeweils ein durchgängiger, in sich geschlossener Beschichtungsbereich der Beschichtung 13 um die Zentrieröffnung 28. Bisher wurden zwischen den Polarplatten 12 Isolatorringe eingesetzt, welche die Zentrieröffnungen 28 umschließen und die Polarplatten 12 voneinander isolieren. Die geradlinig dargestellten Kanten der Zentrieröffnungen 28 können auch bauchig zum Mittelpunkt der jeweiligen Zentrieröffnung 28 geformt und/oder die dargestellten Ecken der Zentrieröffnungen 28 abgerundet sein.
Ferner kann die Polarplatte 12 Betriebsmittelöffnungen 30 aufweisen, welche die Polarplatte 12 durchdringen. Zwei der Betriebsmittelöffnungen 30 sind mit dem sichtbaren Verteilerbereich 24 verbunden. Weitere zwei der Betriebsmittelöffnungen 30 sind mit dem nicht sichtbaren Verteilerbereich 24 auf der gegenüber liegenden Flachseite 22 verbunden. Die anderen zwei Betriebsmittelöffnungen 30 sind innerhalb der Polarplatte 12 über Kanäle miteinander Verbunden und dienen als Zuführung für ein Kühlmittel. Auch die Betriebsmittelöffnungen 30 können beidseitig der Polarplatte 12 umlaufend von den Dichtungen 16 umschlossen sein, oder eigene (separate) Dichtungen aufweisen.
Die Beschichtung kann auf der wenigstens einen Polarplatte 12 derart angeordnet sein, dass eine kleinste Kriechstrecke zwischen den zwei benachbarten Polarplatten 12 innerhalb der Brennstoffzelle 10 beispielsweise wenigstens 5 mm beträgt. Ohne die Beschichtung 13 wären die Polarplatten 12 nur durch ihren innerhalb der Brennstoffzelle 10 gegebenen Abstand getrennt. Somit könnten sich leicht Kriechströme einstellen, insbesondere wenn z. B. eine elektrisch leicht leitfähige Kühlflüssigkeit als Kühlmittel zum Einsatz kommt. Um eine ausreichend große Kriechstrecke zu erreichen, kann die Beschichtung 13 wie in 2 ersichtlich um die Betriebsmittelöffnungen 30 angeordnet sein. Durch eine Beschichtung der inneren Kanten 26 (Schmalseiten) der Betriebsmittelöffnungen 30 kann eine weitere Verlängerung der Kriechstrecken erreicht werden.
Die Beschichtung 13 kann ein Polyimid (PI) umfassen oder aus diesem bestehen. Derartige Beschichtungen 13 zeichnen sich durch eine hohe mechanische Robustheit und Temperaturbeständigkeit aus. Die Beschichtung kann fertigungsbedingt noch geringe, nicht verdampfte Anteile von Lösungsmitteln und/oder Hilfsstoffen aufweisen.
Die erfindungsgemäße Polarplatte 12 kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung hergestellt werden, indem die zu beschichtenden Flächen der Polarplatte 12 mittels eines Tauchverfahrens (Eintauchen in einen mit dem Besichtungsmaterial gefüllten Behälter) oder eines Sprühverfahrens beschichtet werden. Die Beschichtung kann folgend durch eine Erwärmung oder durch eine Bestrahlung mit UV-Licht ausgehärtet werden.
Durch das Verfahren lassen sich Schichtdicken von kleiner als 100 µm realisieren. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke jedoch deutlich unter 100 µm, z. B. 5 µm, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Einreißen der Beschichtung bei einer mechanischen Verformung der Polarplatte 12 erhöht wird.
Die angeführten Beschichtungsmethoden sind zum Teil von der Beschichtung von Kupferdrähten zu deren Isolation bekannt und versprechen bei einer Adaption auf Polarplatten 12 vergleichsweise einfache Prozessschritte bei guter praktischer Performance.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei bisherigen Brennstoffzellen 10 ein ausreichender Abstand zwischen den Polarplatten 12 und z. B. dem Gehäuse der Brennstoffzelle 10, welches den Brennstoffzellenstapel 11 umschließt, eingehalten werden muss, um elektrische Überschläge auszuschließen. Mittels der erfindungsgemäßen Polarplatte 12 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 10 kann dank der elektrisch isolierenden Beschichtung 13 ein Bauraumbedarf deutlich reduziert werden.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzelle
11: Brennstoffzellenstapel
12: Polarplatte
13: elektrisch isolierende Beschichtung
14: Membran-Elektroden-Einheit
15: Grundkörper
16: Dichtung
18: Endplatte
20: Zugstange
22: Flachseite
23: äußere Kante
24: Verteilerbereich
26: innere Kante
28: Zentrieröffnung
30: Betriebsmittelöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011104948 A1 [0005]
WO 2010/114139 A1 [0005]
WO 2010/114140 A1 [0005]
DE 202007004022 U1 [0006]
DE 102011118817 A1 [0007]
DE 102011116323 A1 [0008]

Claims

Polarplatte (12) für eine Brennstoffzelle (10), wobei die Polarplatte (12) eine elektrisch isolierende Beschichtung (13) mit einer Schichtdicke kleiner als 100 µm aufweist.
Polarplatte (12) nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung (13) einen nicht-elastomeren Kunststoff, insbesondere ein Polyimid (PI) umfasst oder zumindest im Wesentlichen aus diesem besteht.
Polarplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (13) eine äußere Kante (23) der Polarplatte (12) umlaufend bedeckt.
Polarplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polarplatte (12) wenigstens eine Zentrieröffnung (28) zur Durchführung eines Zentriermittels aufweist, und die Beschichtung (13) die wenigstens eine Polarplatte (12) in einem Bereich um die Zentrieröffnungen (28) umlaufend bedeckt.
Brennstoffzelle (10), umfassend wenigstens eine Polarplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 5, umfassend wenigstens zwei Polarplatten (12), wobei wenigstens eine der wenigstens zwei Polarplatten (12) eine Polarplatte (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist, und die Beschichtung derart auf der wenigstens einen Polarplatte (12) angeordnet ist, dass eine kleinste Kriechstrecke zwischen den zwei Polarplatten (12) wenigstens 1 mm, insbesondere wenigstens 2 mm, bevorzugt wenigstens 5 mm, ferner bevorzugt wenigstens 10 mm beträgt.
Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei beide Flachseiten (22) der wenigstens einen Polarplatte (12) jeweils wenigstens eine geschlossen umlaufende Dichtung (16) der Brennstoffzelle (10) kontaktieren, und eine zwischen den beiden Dichtungen (16) vorhandene Oberfläche der Polarplatte (12) vollständig von der Beschichtung (13) bedeckt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Polarplatte (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend einen Schritt des Beschichtens eines Grundkörpers (15) der Polarplatte (12) mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung (13), wobei die Beschichtung (13) eine Schichtdicke kleiner als 100 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Beschichten mittels eines Tauchverfahrens oder eines Sprühverfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei ein an das Beschichten anschließendes Aushärten der Beschichtung mittels Bestrahlens der Beschichtung mit UV-Licht und/oder mittels Erwärmens der Beschichtung (13) erfolgt.