DE102015224189A1 - Manufacturing method for a bipolar plate for fuel cells - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen, umfassend die folgenden Schritte: Formen der Bipolarplatte aus einem elektrisch leitfähigen, zumindest teilweise offenporigen Schaum, und Ausbilden einer mediendichten Trennschicht im Schaum, wobei beidseitig der Trennschicht Schaum angeordnet ist, wobei der Schaum die Trennschicht für eine elektrische Verbindung durchdringt und/oder die Trennschicht durch einen geschlossenporigen Bereich des Schaumes gebildet ist.The invention relates to a method for producing a bipolar plate for fuel cells, comprising the following steps: forming the bipolar plate of an electrically conductive, at least partially open-pore foam, and forming a media-dense separating layer in the foam, wherein on both sides of the separating layer foam is arranged, wherein the foam Separating layer for an electrical connection penetrates and / or the separating layer is formed by a closed-pore region of the foam.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen. Insbesondere kommt die Bipolarplatte in einem Redox-Brennstoffzellensystems zum Einsatz; kann jedoch auch bei anderen Brennstoffzellensystemen verwendet werden. The invention relates to a manufacturing method for a bipolar plate for fuel cells. In particular, the bipolar plate is used in a redox fuel cell system; however, it can also be used with other fuel cell systems.

Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Beispielsweise wird in einer solchen Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Die Gase werden dabei in entsprechende Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt werden. Der Elektrolyt transportiert geladene Ionen zwischen den beiden Elektroden. Fuel cell systems for mobile applications such as motor vehicles are known in the art. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat. For example, hydrogen is used as the fuel and air or oxygen as the oxidizing agent in such a fuel cell. The gases are fed into corresponding diffusion electrodes, which are separated by a solid or liquid electrolyte. The electrolyte transports charged ions between the two electrodes.

In einem indirekten oder Redox-Brennstoffzellensystem reagiert das Oxidationsmittel nicht direkt an der Kathode. Vielmehr reagiert eine reduzierte Form eines Redox-Moleküles (Katholyt) an einer Stelle beabstandet von der Kathode, um oxidiert zu werden. Diese oxidierte Form des Redox-Moleküles wird dann der Kathode zugeführt. Solch ein Redox-Brennstoffzellensystem wird hier betrachtet und ist zum Beispiel in DE 10 2013 217 858 A1 beschrieben. In an indirect or redox fuel cell system, the oxidizer does not react directly at the cathode. Rather, a reduced form of a redox molecule (catholyte) reacts at a location spaced from the cathode to be oxidized. This oxidized form of the redox molecule is then fed to the cathode. Such a redox fuel cell system is considered here and is, for example, in DE 10 2013 217 858 A1 described.

Redox-Brennstoffzellen sind außerdem zu unterscheiden von Redox-Flow-Batterien, bei denen die Kathode und die Anode mit einem Katholyt bzw. einem Anolyt versorgt werden, die i.d.R. in entsprechenden Behältern aufbewahrt werden. Beide Subsysteme werden hier also indirekt betrieben. Bei dem vorliegend betrachteten Redox-Brennstoffzellensystem wird indes der Brennstoff in einem Druckbehälter gespeichert und direkt der Anode zugeführt. Das dem Regenerator zugeführte Oxidationsmittel, i.d.R. Luft, wird indes nicht in einem Behälter gespeichert. Redox fuel cells are also distinguished from redox flow batteries, in which the cathode and the anode are supplied with a catholyte or anolyte, the i.d.R. stored in appropriate containers. Both subsystems are therefore operated indirectly. In the presently considered redox fuel cell system, however, the fuel is stored in a pressure vessel and fed directly to the anode. The oxidizer supplied to the regenerator, i.d.R. Air, however, is not stored in a container.

In Redox-Brennstoffzellensystemen wird üblicherweise der Redoxzustand, d.h. der Anteil an reduzierten zu oxidierten Molekülen, in der Katholytlösung bestimmt. Dieser Redoxzustand wird zur Regelung verwendet. Über die Lebensdauer des Redox-Brennstoffzellensystems degeneriert das Katholyt, beispielsweise durch den Eintrag von Schadstoffen. Um eine Funktionsfähigkeit des Systems über eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, werden zum Teil überdimensionierte Regeneratoren oder Filter vorgehalten. Dies bedingt relativ hohe Kosten und ein erhöhtes Systemgewicht. In redox fuel cell systems, the redox state, i. the proportion of reduced to oxidized molecules, determined in the catholyte solution. This redox state is used for regulation. Over the life of the redox fuel cell system degenerates the catholyte, for example by the entry of pollutants. In order to ensure a long life of the system, over-dimensioned regenerators or filters are kept in stock. This requires relatively high costs and an increased system weight.

Sowohl in Redox-Brennstoffzellen als auch in Brennstoffzellen anderer Bauart werden Bipolarplatten zur Verteilung der Fluide an Anode und Kathode benötigt. Both in redox fuel cells and in fuel cells of a different type, bipolar plates are required for the distribution of the fluids at the anode and cathode.

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte anzugeben. Die hergestellte Bipolarplatte soll ein relativ geringes Gewicht und Volumen aufweisen und über eine möglichst lange Lebensdauer sicher und effizient betrieben werden können. It is an object of the present invention to provide a method for producing a bipolar plate. The produced bipolar plate should have a relatively low weight and volume and can be operated safely and efficiently over the longest possible lifetime.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand. The object is achieved by the features of the independent claim. The dependent claims have advantageous embodiments of the invention the subject.

Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte. Die Bipolarplatte wird in einer Brennstoffzelle verwendet. Die Brennstoffzelle wiederum kommt insbesondere in Kraftfahrzeugen zur Anwendung. Erfindungsgemäß erfolgt ein Formen der Bipolarplatte aus einem elektrisch leitfähigen, zumindest teilweise offenporigen Schaum. Die Bipolarplatte kann dabei aus einer einzelnen geschäumten Platte oder aus mehreren geschäumten Platten zusammengesetzt sein. Der Schaum besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. So ist der Schaum beispielsweise aus Metall oder einem elektrisch leitenden Polymer. Thus, the object is achieved by a method for producing a bipolar plate. The bipolar plate is used in a fuel cell. The fuel cell in turn is used in particular in motor vehicles. According to the invention, the bipolar plate is formed from an electrically conductive, at least partially open-pore foam. The bipolar plate may be composed of a single foamed plate or of a plurality of foamed plates. The foam consists of an electrically conductive material. For example, the foam is made of metal or an electrically conductive polymer.

Der Begriff „Schaum“ ist hier bevorzugt sehr breit zu verstehen und steht vorteilhafterweise für ein Material, das aus einer Vielzahl an kurzen, ungerichteten Fasern besteht. Je nach Verdichtung der Fasern in diesem Material können poröse Bereiche oder mediendichte Bereiche ausgebildet werden. The term "foam" is here to be understood to be very broad and is advantageously a material which consists of a plurality of short, non-directional fibers. Depending on the densification of the fibers in this material, porous areas or media-dense areas can be formed.

Im Schaum der Bipolarplatte wird eine Trennschicht ausgebildet. Die Trennschicht ist mediendicht. Der Ausdruck „mediendicht“ bezieht sich auf die Medien, die mit der Bipolarplatte in der Brennstoffzelle in Kontakt kommen. Im Wesentlichen sind dies der Brennstoff und die Katholytlösung (bei einer Redox-Brennstoffzelle). In the foam of the bipolar plate, a release layer is formed. The separating layer is media-tight. The term "media-dense" refers to the media that contacts the bipolar plate in the fuel cell. Essentially these are the fuel and the catholyte solution (in a redox fuel cell).

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Schaum die Trennschicht stellenweise durchdringt. Dadurch ist eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den Schäumen auf den beiden Seiten der Trennschicht ermöglicht. Zusätzlich oder alternativ kann die Trennschicht integral im Schaum gebildet sein. Dies erfolgt durch einen geschlossenporigen Bereich des Schaumes. According to the invention, it is provided that the foam penetrates the separating layer in places. As a result, an electrical conductivity between the foams on the two sides of the separating layer is made possible. Additionally or alternatively, the release layer may be integrally formed in the foam. This is done by a closed-pore area of the foam.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren entsteht eine kleinbauende und leichte Bipolarplatte, die im Wesentlichen aus dem Material des Schaums und der Trennschicht besteht. Die Trennschicht befindet sich dabei inmitten des geschäumten Materials. The inventive method results in a small-sized and lightweight bipolar plate, which consists essentially of the material of the foam and the release layer. The separating layer is in the middle of the foamed material.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass zur Herstellung der Bipolarplatte zwei Platten (eine erste Platte und eine zweite Platte) aus Schaum verwendet werden, wobei die Trennschicht an zumindest einer Platte ausgebildet ist oder die Trennschicht zwischen den beiden Platten angeordnet wird. It is preferably provided that two plates (a first plate and a second plate) made of foam are used to produce the bipolar plate, wherein the separating layer is formed on at least one plate or the separating layer is arranged between the two plates.

Bei der Anordnung der Trennschicht zwischen die beiden Platten wird vorteilhafterweise eine dünne Kunststoffplatte oder eine Kunststofffolie zwischen die beiden Platten eingelegt. In the arrangement of the separating layer between the two plates advantageously a thin plastic plate or a plastic film between the two plates is inserted.

Für die Ausbildung der Trennschicht an zumindest einer Platte gibt es zwei grundlegende Möglichkeiten: (i) Bei Verwendung eines Integralschaum ist die Trennschicht direkt in die Platte integriert. (ii) Alternativ wird ein Polymer in oder an der geschäumten Platte angebracht um die Trennschicht zu bilden. There are two basic possibilities for forming the release layer on at least one plate: (i) When using integral foam, the release layer is integrated directly into the plate. (ii) Alternatively, a polymer is applied in or on the foamed sheet to form the release layer.

So ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Platte aus Integralschaum gefertigt ist. Der Integralschaum weist einen offenporigen Bereich und einen geschlossenporigen Bereich auf. Der geschlossenporige Bereich ist dabei wesentlich dichter als der offenporige Bereich. Der geschlossenporige Bereich kann dabei so dünn ausgestaltet sein, dass er lediglich eine Haut auf dem offenporigen Bereich darstellt. Zur Herstellung des Integralschaums wird das Material beispielsweise gegen eine gekühlte Platte gespritzt. An der Platte entsteht dabei der geschlossenporige Bereich bzw. die Haut. Thus, it is preferably provided that the first plate is made of integral foam. The integral foam has an open-pored area and a closed-pore area. The closed-pore area is much denser than the open-pore area. The closed-pore area can be made so thin that it merely represents a skin on the open-pored area. To produce the integral foam, the material is injected, for example, against a cooled plate. The closed-pore area or the skin is created on the plate.

Der geschlossenporige Bereich stellt die Trennschicht dar. Zur Herstellung der Bipolarplatte werden die beiden Platten aufeinandergepresst. Die Trennschicht ist dabei zwischen den beiden Platten angeordnet. Das aufeinanderpressen erfolgt so, dass Spitzen des Schaumes der zweiten Platte in die Trennschicht (geschlossenporiger Bereich der ersten Platte) eindringen. Diese Spitzen des Schaumes entstehen an jeder offenporigen Fläche. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich solche Spitzen durch mechanische Bearbeitung der Oberfläche der zweiten Platte zu erzeugen. The closed-pore area represents the separation layer. To produce the bipolar plate, the two plates are pressed together. The separating layer is arranged between the two plates. The pressing together takes place such that tips of the foam of the second plate penetrate into the separating layer (closed-pore region of the first plate). These tips of the foam arise on any open-pored surface. Additionally or alternatively, it is possible to produce such tips by machining the surface of the second plate.

Des Weiteren ist es möglich, dass beide Platten aus Integralschaum gefertigt sind. Die beiden geschlossenporigen Bereiche der beiden Platten werden dabei aufeinander gelegt. Die Trennschicht ist somit gebildet durch den geschlossenporigen Bereich der ersten Platte und den geschlossenporigen Bereich der zweiten Platte. Furthermore, it is possible that both plates are made of integral foam. The two closed-pore areas of the two plates are placed on top of each other. The separating layer is thus formed by the closed-pore region of the first plate and the closed-pore region of the second plate.

Alternativ zur Verwendung des Integralschaums, kann die Trennschicht durch Aufbringen eines Polymers auf den offenporigen Schaum zumindest einer Platte erzeugt werden. Dabei wird das Polymer in flüssiger oder zähflüssiger Form auf und/oder in den offenporigen Schaum eingebracht. Dieses Polymer bildet im ausgehärtet Zustand die Trennschicht. As an alternative to using the integral foam, the release layer may be formed by applying a polymer to the open cell foam of at least one panel. The polymer is introduced in liquid or viscous form on and / or in the open-cell foam. This polymer forms the release layer in the cured state.

Bevorzugt wird das Polymer derart aufgebracht, sodass Spitzen des Schaumes frei bleiben. Diese freien Spitzen ermöglichen eine einfache elektrische Kontaktierung zwischen den beiden Platten. Insbesondere wird hierzu das Polymer derart aufgebracht, sodass es durch die Kapillarwirkung in die Poren des Schaumes gesaugt wird. Durch entsprechende Einstellung der Herstellungsparameter können so Spitzen des Schaumes frei bleiben. Preferably, the polymer is applied so that tips of the foam remain free. These free tips allow easy electrical contact between the two plates. In particular, for this purpose, the polymer is applied in such a way that it is sucked by the capillary action into the pores of the foam. By adjusting the production parameters so tips of the foam can remain free.

Zusätzlich oder alternativ können die Spitzen bzw. das Material des Schaumes nach dem Aufbringen des Polymers wieder freigelegt werden. Dies erfolgt beispielsweise durch eine mechanische Bearbeitung, insbesondere Schleifen, oder eine thermische Behandlung der Oberfläche. Additionally or alternatively, the tips or the material of the foam can be re-exposed after the application of the polymer. This is done for example by a mechanical processing, in particular grinding, or a thermal treatment of the surface.

Wenn das Material des Schaumes über die aufgebrachte Polymerschicht übersteht, müssen die beiden Platten lediglich aufeinander gelegt werden um die elektrisch leitende Verbindung herzustellen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die beiden Platten verpresst werden, sodass die Spitzen des Schaumes der einen Platte in die Polymerschicht der anderen Platte eindringen. Insbesondere innerhalb der Polymerschicht berühren sich dadurch gegenseitig die Spitzen der beiden Platten. If the material of the foam protrudes beyond the applied polymer layer, the two plates must merely be placed on top of each other in order to produce the electrically conductive connection. Preferably, however, it is provided that the two plates are pressed so that the tips of the foam of a plate penetrate into the polymer layer of the other plate. In particular, within the polymer layer touching each other by the tips of the two plates.

Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass nach dem aneinander Anordnen der beiden Platten die Trennschicht erwärmt wird. Insbesondere erfolgt dieses Erwärmen nach dem Verpressen der beiden Platten. Durch das Erwärmen der Trennschicht wird die Trennschicht, insbesondere das Polymer, aufgeschmolzen oder stellenweise angeschmolzen. Dadurch werden kleinste Lücken geschlossen und die Trennschicht ist ausreichend mediendicht. Furthermore, it is advantageously provided that after the juxtaposition of the two plates, the separating layer is heated. In particular, this heating takes place after the compression of the two plates. By heating the separating layer, the separating layer, in particular the polymer, is melted or partially melted. As a result, the smallest gaps are closed and the separating layer is sufficiently media-tight.

Dieses nachträgliche Erwärmen wird insbesondere ausgeführt wenn die Trennschicht aus Polymer (in den Schaum gegossen, als dünne Platte oder als Folie) gefertigt ist. Allerdings kann auch bei Verwendung des Integralschaums die Trennschicht zur Verbesserung der Dichtigkeit und Verbindung erwärmt werden. This subsequent heating is carried out in particular when the separating layer of polymer (poured into the foam, as a thin plate or as a film) is made. However, even when using the integral foam, the separating layer can be heated to improve the tightness and connection.

Das Erwärmen der Trennschicht erfolgt vorteilhafterweise indirekt, zum Beispiel durch Erwärmen der entsprechenden Platte. The heating of the separating layer is advantageously carried out indirectly, for example by heating the corresponding plate.

Eine Variante der Erfindung sieht bevorzugt vor, dass nicht zwei Platten aus Schaum zusammengesetzt werden, sondern die Bipolarplatte aus einem einzigen geschäumten Stück gefertigt ist. Dabei sind folgende Verfahrensschritte in gegebener Reihenfolge vorgesehen: zunächst erfolgt ein Formen einer einzelnen Platte aus offenporigen Schaum und ein Einbringen einer flüssigen Platzhalterschicht in den Schaum. Nach dem Aushärten der Platzhalterschicht wird eine Trennschicht in flüssiger Form in den Schaum eingebracht. Die Trennschicht liegt dabei auf der Platzhalterschicht auf. Die Trennschicht wird so positioniert, dass beidseitig der Trennschicht Material des Schaumes verbleibt. Nach dem Aushärten der Trennschicht wird die Platzhalterschicht entfernt. Dieses Entfernen der Platzhalterschicht erfolgt beispielsweise durch Erwärmen und/oder Auflösen. Ein einfaches Beispiel für das Material der Platzhalterschicht ist Wachs. A variant of the invention preferably provides that not two plates are composed of foam, but the bipolar plate is made of a single foamed piece. The following method steps are provided in a given order: first, a shaping takes place a single sheet of open cell foam and introducing a liquid blanket layer into the foam. After the spacer layer has hardened, a separating layer in liquid form is introduced into the foam. The release layer rests on the placeholder layer. The release layer is positioned so that both sides of the release layer material of the foam remains. After the release layer has cured, the spacer layer is removed. This removal of the spacer layer takes place, for example, by heating and / or dissolving. A simple example of the placeholder layer material is wax.

Die Bipolarplatte, hergestellt nach dem soeben beschriebenen Verfahren, wird vorteilhafterweise in einem Redox-Brennstoffzellensystem eingesetzt. Das Redox-Brennstoffzellensystem umfasst einen Regenerator und mehrere Redox-Brennstoffzellen. Die Redox-Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die insbesondere durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Es ist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode vorgesehen. So ist die Anode bei Betrieb der Redox-Brennstoffzelle in Fluidverbindung mit einem Brennstoffreservoir. Anode und Katode sind an den Bipolarplatten ausgebildet. The bipolar plate produced by the method just described is advantageously used in a redox fuel cell system. The redox fuel cell system includes a regenerator and a plurality of redox fuel cells. The redox fuel cell comprises an anode and a cathode, which are separated in particular by an ion-selective separator. There is provided a supply for a fuel to the anode. Thus, during operation of the redox fuel cell, the anode is in fluid communication with a fuel reservoir. Anode and cathode are formed on the bipolar plates.

Der offenporige Schaum der Bipolarplatten ermöglicht eine Verteilung des Brennstoffes und der Katholytlösung. In der Redox-Brennstoffzelle bedarf es keiner Kühlkanäle in den Bipolarplatten. The open-pore foam of the bipolar plates allows distribution of the fuel and the catholyte solution. In the redox fuel cell, there is no need for cooling channels in the bipolar plates.

Bevorzugte Brennstoffe für das Redox-Brennstoffzellensystem sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für eine Katholytlösung (auch: POM) zur Kathode auf. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Preferred fuels for the redox fuel cell system are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode has, for example, a supply for a catholyte solution (also: POM) to the cathode. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane include Nafion ®, Flemion ® and Aciplex ®.

Die Bipolarplatten und insbesondere das Redox-Brennstoffzellensystems werden vorteilhafterweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Dabei wird der Antrieb des Kraftfahrzeuges über das Redox-Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie versorgt. The bipolar plates and in particular the redox fuel cell system are advantageously used in a motor vehicle. The drive of the motor vehicle is supplied with electrical energy via the redox fuel cell system.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen: Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description and the figures. Show it:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Redox-Brennstoffzellensystems in dessen Redox-Brennstoffzellen die Bipolarplatten eingesetzt werden können, 1 a schematic view of a redox fuel cell system according to the invention in the redox fuel cell, the bipolar plates can be used,

2 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 2 a schematic representation of a bipolar plate, produced by the method according to the invention according to a first embodiment,

3 eine Variante zur Darstellung in 2, 3 a variant for the representation in 2 .

4 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und 4 a schematic representation of a bipolar plate produced by the inventive method according to a second embodiment, and

5 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. 5 a schematic representation of a bipolar plate, prepared by the inventive method according to a third embodiment.

1 zeigt ein Redox-Brennstoffzellensystem 1 in dem die Bipolarplatte, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft zum Einsatz kommt. 1 shows a redox fuel cell system 1 in which the bipolar plate produced by the method according to the invention is advantageously used.

Durch die Zufuhr 10 gelangt Brennstoff, hier Wasserstoff, in eine Anode 2 einer Redox-Brennstoffzelle 13. Über eine Rückführung wird überflüssiger Brennstoff abgeführt. Die Anode 2 ist durch einen Separator 4, hier als Protonenaustauschmembran PEM ausgeführt, von einer Kathode 3 getrennt. An Anode 2 und Kathode 3 ist ein Stromabgriff 5 vorgesehen. 1 zeigt lediglich eine Redox-Brennstoffzelle 13. Üblicherweise werden jedoch mehrere dieser Redox-Brennstoffzellen 13 aneinandergereiht. By the feed 10 Fuel, in this case hydrogen, enters an anode 2 a redox fuel cell 13 , About a return superfluous fuel is discharged. The anode 2 is through a separator 4 , here designed as a proton exchange membrane PEM, from a cathode 3 separated. At anode 2 and cathode 3 is a power tap 5 intended. 1 shows only a redox fuel cell 13 , Usually, however, several of these redox fuel cells 13 strung together.

Anodenseitig wird wie bei herkömmlichen Brennstoffzellen Wasserstoff oxidiert. Die Protonen gelangen durch den Separator 4 in den Bereich der Kathode 3. Die Kathode 3 ist über ein Fluidleitungssystem (mit erster Fluidleitung 11 und zweiter Fluidleitung 12) mit einem Regenerator 6 (auch: Regeneratorstapel 6) verbunden. Aus dem Regenerator 6 austretende regenerierte Katholytlösung Lox mit einem erhöhten Anteil an oxidierten Redox-Molekülen gelangt durch die zweite Fluidleitung 12 zur Kathode 3. Dort wird die Katholytlösung L zumindest teilweise reduziert. Gleichzeitig nimmt sie die Protonen auf. Die reduzierte Katholytlösung Lred gelangt anschließend durch die erste Fluidleitung 11 in den Regenerator 6. On the anode side, hydrogen is oxidized as in conventional fuel cells. The protons pass through the separator 4 in the area of the cathode 3 , The cathode 3 is via a fluid line system (with first fluid line 11 and second fluid line 12 ) with a regenerator 6 (also: regenerator stack 6 ) connected. From the regenerator 6 exiting regenerated catholyte solution Lox with an increased proportion of oxidized redox molecules passes through the second fluid line 12 to the cathode 3 , There, the catholyte solution L is at least partially reduced. At the same time she picks up the protons. The reduced catholyte solution Lred then passes through the first fluid line 11 in the regenerator 6 ,

Im Regenerator 6 wird die Katholytlösung regeneriert. D. h. die Redox-Moleküle werden wieder weitestgehend oxidiert und geben dabei auch die Protonen wieder ab. Es entsteht ein Kreislauf, angetrieben durch die Pumpvorrichtung 8, in dem zumindest Teile der Katholytlösung L fortwährend reduziert und oxidiert werden. In the regenerator 6 the catholyte solution is regenerated. Ie. the redox molecules are again oxidized as much as possible and also release the protons. It creates a cycle, driven by the pumping device 8th in which at least parts of the catholyte solution L are continuously reduced and oxidized.

Eine Hauptoxidationsfluidfördereinheit 7 fördert Oxidationsfluid, hier Sauerstoff oder Luft, in den Regenerator 6. Als Reaktionsprodukt verlässt Wasser bzw. Wasserdampf den Regenerator 6. Stromabwärts des Regenerators 6 ist eine Fluidauffangeinrichtung 9 angeordnet. Die Fluidauffangeinrichtung 9 ist hier als Kondensator ausgeführt und scheidet Wasser aus dem ausströmenden Gasen ab. A major oxidation fluid delivery unit 7 promotes oxidation fluid, here oxygen or air, in the regenerator 6 , As a reaction product, water or water vapor leaves the regenerator 6 , Downstream of the regenerator 6 is a fluid catcher 9 arranged. The fluid collecting device 9 is designed here as a condenser and separates water from the outflowing gases.

Anhand der 2 bis 5 werden im Folgenden unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Bipolarplatten 30 schematisch vereinfacht gezeigt. Diese Bipolarplatten 30 sind nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Based on 2 to 5 Below are different embodiments of bipolar plates 30 shown schematically simplified. These bipolar plates 30 are prepared by the process according to the invention.

2 zeigt die Bipolarplatte 30. Die Bipolarplatte 30 umfasst eine erste Platte 31, eine zweite Platte 32 und eine Trennschicht 33 zwischen den beiden Platten 31, 32. Die beiden Platten 31, 32 bestehen jeweils aus offenporigem Schaum, der hier vereinfacht als sich kreuzenden Linien dargestellt ist. Dabei handelt es sich insbesondere um Metallschaum. Alternativ kann auch elektrisch leitender Polymerschaum verwendet werden. Die einander zugewandten Enden der Schäume werden als Spitzen 34 bezeichnet. 2 shows the bipolar plate 30 , The bipolar plate 30 includes a first plate 31 , a second plate 32 and a release layer 33 between the two plates 31 . 32 , The two plates 31 . 32 each consist of open-pored foam, which is simplified here shown as crossing lines. These are in particular metal foam. Alternatively, electrically conductive polymer foam can also be used. The facing ends of the foams are called peaks 34 designated.

Die Spitzen 34 der gegenüberliegenden Platten 31, 32 berühren sich in einem Überlappungsbereich 35. Hier ist ein elektrisch leitender Kontakt hergestellt. The tips 34 the opposite plates 31 . 32 touch each other in an overlap area 35 , Here an electrically conductive contact is made.

Zwischen den beiden Platten 31, 32 befindet sich die Trennschicht 33. Die Trennschicht 33 ist mediendicht, um somit den Brennstoff auf einer Seite der Trennschicht 33 von der Katholytlösung L auf der anderen Seite der Trennschicht 33 zu trennen. Between the two plates 31 . 32 is the separation layer 33 , The separation layer 33 is media-tight, thus the fuel on one side of the release layer 33 from the catholyte solution L on the other side of the release layer 33 to separate.

Im ersten Ausführungsbeispiel wurde die Trennschicht 33 als flüssiges Polymer in die erste Platte 31 gegossen. Dabei wurde die Trennschicht 33 derart aufgebracht, sodass durch die Kapillarwirkung das Polymer in die Poren des Schaumes gesaugt wurde. Dadurch blieben die Spitzen 34 der ersten Platte 31 frei. Anschließend wurden die beiden Platten 31, 32 verpresst, sodass die Spitzen 34 der zweiten Platte 32 in die Trennschicht 33 eindrangen. In the first embodiment, the separation layer was 33 as a liquid polymer in the first plate 31 cast. This was the separation layer 33 applied so that the capillary action, the polymer was sucked into the pores of the foam. This left the tips 34 the first plate 31 free. Subsequently, the two plates 31 . 32 pressed, so the tips 34 the second plate 32 in the separation layer 33 invaded.

Alternativ zum gezeigten Beispiel ist es auch möglich, wie Eingangs beschrieben, die Trennschicht 33 durch einen Integralschaum zu bilden. Auch in diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die Spitzen 34 der gegenüberliegenden Platte 32 in die Trennschicht 33 eindringen, um so einen sicheren elektrischen Kontakt herzustellen. Alternatively to the example shown, it is also possible, as described at the beginning, the separating layer 33 to form through an integral foam. Also in this case it is beneficial if the tips 34 the opposite plate 32 in the separation layer 33 penetrate, so as to establish a secure electrical contact.

3 zeigt einen Bereich der Bipolarplatte 30 in dem ein Freiraum 36 vorgesehen ist. Solch ein Freiraum 36 innerhalb des Schaumes kann verwendet werden um die Medien besser über die Fläche der Bipolarplatte 30 zu verteilen. 3 shows a portion of the bipolar plate 30 in which a free space 36 is provided. Such a space 36 inside the foam can be used to better the media over the surface of the bipolar plate 30 to distribute.

4 zeigt die Bipolarplatte 30 hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen. 4 shows the bipolar plate 30 produced by the method according to the invention according to the second embodiment. Identical or functionally identical parts are provided with the same reference numerals in all embodiments.

Im zweiten Ausführungsbeispiel werden nicht zwei einzelne Platten 31, 32 zu einer Bipolarplatte 30 zusammengesetzt. Im zweiten Ausführungsbeispiel wird die Bipolarplatte 30 aus einem einteilig geschäumten Stück gefertigt. Zur Anordnung der Trennschicht 33 in etwa in der Mitte der Bipolarplatte 30 wird eine Platzhalterschicht 37 verwendet. Die Platzhalterschicht 37 dient dabei zur Positionierung der Trennschicht 33. Nachdem die Trennschicht 33 ausgehärtet ist, wird die Platzhalterschicht 37 wieder entfernt. In the second embodiment, not two individual plates are used 31 . 32 to a bipolar plate 30 composed. In the second embodiment, the bipolar plate 30 made of a one-piece foamed piece. For the arrangement of the separating layer 33 approximately in the middle of the bipolar plate 30 becomes a placeholder layer 37 used. The placeholder layer 37 serves to position the separation layer 33 , After the release layer 33 is cured, becomes the placeholder layer 37 removed again.

Wie bereits beschrieben, werden bei der Redox-Brennstoffzelle vorteilhafterweise Bipolarplatten 30 ohne Kühlkanäle eingesetzt. Das hier beschriebene Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte 30 kann jedoch auch bei anderen Brennstoffzellen verwendet werden. As already described, in the redox fuel cell advantageously bipolar plates 30 used without cooling channels. The method described here for producing a bipolar plate 30 however, it can also be used with other fuel cells.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Kühlkanal 38. 5 shows an embodiment with a cooling channel 38 ,

Gemäß 5 werden zwei Platten 31, 32 jeweils aus Integralschaum verwendet. Die dichten Bestandteile der beiden Integralschwärme bilden dabei die Trennschicht 33. Die Trennschicht 33 ist hier aus dem geschlossenporigen Bereich des Schaumes gebildet. Dadurch ist die Trennschicht 33 mediendicht und elektrisch leitend. According to 5 become two plates 31 . 32 each used in integral foam. The dense components of the two integral swarms form the separation layer 33 , The separation layer 33 is formed here from the closed-pore area of the foam. This is the interface 33 media-tight and electrically conductive.

Durch entsprechend konkave Ausgestaltung zumindest einer Platte 31, 32 kann so ein Kühlkanal 38 gebildet werden der gegenüber den Medien an der Anode und an der Katode abgedichtet ist. By correspondingly concave configuration of at least one plate 31 . 32 can be such a cooling channel 38 which is sealed against the media at the anode and at the cathode.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Redox-Brennstoffzellensystem Redox fuel cell system
2 2
Anode anode
3 3
Kathode cathode
4 4
Separator separator
5 5
Stromabgriff current tap
6 6
Regenerator regenerator
7 7
Hauptoxidationsfluidfördereinheit Main oxidizing fluid delivery unit
8 8th
Pumpvorrichtung pumping device
9 9
Fluidauffangeinrichtung (Kondensator) Fluid collecting device (condenser)
10 10
Zufuhr supply
11 11
erste Fluidleitung first fluid line
12 12
zweite Fluidleitung second fluid line
13 13
Redox-Brennstoffzelle Redox fuel cell
L L
Katholytlösung catholyte
30 30
Bipolarplatte bipolar
31 31
erste Platte first plate
32 32
zweite Platte second plate
33 33
Trennschicht Interface
34 34
Spitzen sharpen
35 35
Überlappungsbereich overlap area
36 36
Freiraum free space
37 37
Platzhalterschicht Holding layer
38 38
Kühlkanal cooling channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013217858 A1 [0003] DE 102013217858 A1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (30) für Brennstoffzellen, umfassend die folgenden Schritte: • Formen der Bipolarplatte (30) aus einem elektrisch leitfähigen, zumindest teilweise offenporigen Schaum, und • Ausbilden einer mediendichten Trennschicht (33) im Schaum, wobei beidseitig der Trennschicht (33) Schaum angeordnet ist, • wobei der Schaum die Trennschicht (33) für eine elektrische Verbindung durchdringt und/oder die Trennschicht (33) durch einen geschlossenporigen Bereich des Schaumes gebildet ist. Method for producing a bipolar plate ( 30 ) for fuel cells, comprising the following steps: • shaping of the bipolar plate ( 30 ) of an electrically conductive, at least partially open-pore foam, and • forming a media-tight release layer ( 33 ) in the foam, on both sides of the release layer ( 33 ) Foam is arranged, wherein the foam is the separating layer ( 33 ) penetrates for an electrical connection and / or the separating layer ( 33 ) is formed by a closed-pore region of the foam. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass zur Herstellung der Bipolarplatte (30) zwei Platten (31, 32) aus Schaum verwendet werden, wobei die Trennschicht (33) an zumindest einer Platte (31) ausgebildet ist oder die Trennschicht (33) zwischen den beiden Platten (31, 32) angeordnet wird. Method according to claim 1, characterized in that for the production of the bipolar plate ( 30 ) two plates ( 31 . 32 ) are made of foam, wherein the release layer ( 33 ) on at least one plate ( 31 ) or the separating layer ( 33 ) between the two plates ( 31 . 32 ) is arranged. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass • die erste Platte (31) aus Integralschaum gefertigt ist, wobei der Integralschaum einen offenporigen Bereich und einen geschlossenporigen Bereich aufweist, wobei der geschlossenporige Bereich die Trennschicht (33) darstellt, und • wobei die beiden Platten (31, 32) aufeinander gepresst werden, sodass Spitzen (34) des Schaumes der zweiten Platte (32) für eine elektrische Kontaktierung in die Trennschicht (33) eindringen. Method according to claim 2, characterized in that • the first plate ( 31 ) is made of integral foam, wherein the integral foam has an open-pore region and a closed-pore region, wherein the closed-pore region of the separating layer ( 33 ), and wherein the two plates ( 31 . 32 ) are pressed together so that tips ( 34 ) of the foam of the second plate ( 32 ) for electrical contacting in the separating layer ( 33 ). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beide Platten (31, 32) aus Integralschaum gefertigt sind, wobei der Integralschaum einen offenporigen Bereich und einen geschlossenporigen Bereich aufweist, wobei der geschlossenporige Bereich beider Platten (31, 32) die Trennschicht (33) darstellt. Method according to claim 2, characterized in that the two plates ( 31 . 32 ) are made of integral foam, wherein the integral foam has an open-pore region and a closed-pore region, wherein the closed-pore region of both plates ( 31 . 32 ) the separating layer ( 33 ). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Trennschicht (33) ein Polymer in flüssiger oder zähflüssiger Form auf und/oder in den offenporigen Schaum zumindest einer Platte (31, 32) aufgebracht wird. Method according to claim 2, characterized in that for the formation of the separating layer ( 33 ) a polymer in liquid or viscous form and / or in the open-cell foam of at least one plate ( 31 . 32 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Spitzen (34) des Schaumes beim Aufbringen des Polymers frei bleiben und/oder dass Spitzen (34) des Schaumes nach dem Aufbringen des Polymers freigelegt werden. Method according to claim 5, characterized in that tips ( 34 ) of the foam remain free during application of the polymer and / or that tips ( 34 ) of the foam after application of the polymer. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Platten (31, 32) aufeinandergepresst werden, sodass Spitzen (34) des Schaumes einer Platte (32) in die Trennschicht (33) der anderen Platte (31) eindringen. Method according to one of claims 5 or 6, characterized in that the two plates ( 31 . 32 ) are pressed together so that tips ( 34 ) of the foam of a plate ( 32 ) in the separating layer ( 33 ) of the other plate ( 31 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (33) nachdem die beiden Platten (31, 32 aneinander angeordnet wurden aufgeschmolzen oder angeschmolzen wird. Method according to one of claims 2 to 7, characterized in that the separating layer ( 33 ) after the two plates ( 31 . 32 arranged together were melted or melted. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte in gegebener Reihenfolge: • Formen einer einzelnen Platte aus offenporigem Schaum, • Einbringen einer flüssigen Platzhalterschicht (37) in den Schaum, • Aushärten der Platzhalterschicht (37), • Einbringen der Trennschicht (33) in flüssiger Form in den Schaum auf die Platzhalterschicht (37), • Aushärten der Trennschicht (33), und • Entfernen der Platzhalterschicht (37). Method according to claim 1, characterized by the following steps in the following order: forming a single plate of open-pored foam, introducing a liquid spacer layer ( 37 ) in the foam, • hardening of the placeholder layer ( 37 ), • introducing the separating layer ( 33 ) in liquid form into the foam on the placeholder layer ( 37 ), • hardening of the separating layer ( 33 ), and • removing the placeholder layer ( 37 ). Redox-Brennstoffzellensystem (1), umfassend: • mehrere Redox-Brennstoffzellen (13) mit zumindest einer Bipolarplatte (30) hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, • wobei Anoden (2) und Kathoden (3) der Redox-Brennstoffzellen (13), durch einen ionenselektiven Separator (4) getrennt sind, • wobei die Redox-Brennstoffzelle (13) und der offenporigen Schaum der zumindest einen Bipolarplatte zum Durchleiten eines Brennstoffes und einer Katholytlösung (L) ausgebildet ist, • mindestens einen Regenerator (6) zur Regeneration der Katholytlösung (L), wobei der Regenerator (6) zum Durchleiten der Katholytlösung (L) und eines Oxidationsfluides ausgebildet ist, und • wobei die Katode (3) und der Regenerator (6) fluidverbunden sind, sodass die Katholytlösung (L) zwischen der Katode (3) dem Regenerator (6) zirkulieren kann. Redox fuel cell system ( 1 ), comprising: a plurality of redox fuel cells ( 13 ) with at least one bipolar plate ( 30 ) produced by the method according to one of the preceding claims, wherein anodes ( 2 ) and cathodes ( 3 ) of redox fuel cells ( 13 ), by an ion-selective separator ( 4 ), wherein the redox fuel cell ( 13 ) and the open-pored foam of the at least one bipolar plate for passing a fuel and a catholyte solution (L) is formed, • at least one regenerator ( 6 ) for the regeneration of the catholyte solution (L), wherein the regenerator ( 6 ) is designed to pass through the catholyte solution (L) and an oxidizing fluid, and • wherein the cathode ( 3 ) and the regenerator ( 6 ) are fluid-connected so that the catholyte solution (L) between the cathode ( 3 ) the regenerator ( 6 ) can circulate.
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