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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die einen von einer ersten Trennplatte begrenzten ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und einen von einer zweiten Trennplatte begrenzten zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte umfasst.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
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Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H2O) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) spaltet.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membran = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode.
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Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
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Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch verbunden werden.
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Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind Bipolarplatten vorgesehen. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
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Aus der
DE 10 2012 221 730 A1 ist eine Brennstoffzelle mit einer gattungsgemäßen Bipolarplatte bekannt, welche aus zwei Plattenhälften aufgebaut ist. Dabei weist jede der beiden Plattenhälften eine Verteilbereich auf, welche zur Verteilung der Reaktionsgase vorgesehen ist.
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Auch aus der
DE 10 2014 207 594 A1 ist eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Bipolarplatte weist dabei einen mäanderförmigen Kanal auf, welcher beispielsweise als Nut ausgebildet ist. Der mäanderförmige Kanal dient zur Einleitung von Wasserstoff oder Sauerstoff in die Brennstoffzelle.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche einen von einer Trennplatte begrenzten ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und einen von einer Trennplatte begrenzten zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Bipolarplatte kann aber auch in anderen elektrochemischen Energiewandlern, beispielsweise in einem Elektrolyseur, eingesetzt werden. Die beiden Verteilbereiche können dabei jeweils von einer separaten Trennplatte oder auch von einer gemeinsamen Trennplatte begrenzt sein.
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Erfindungsgemäß wird in mindestens einem der Verteilbereiche ein Partikel aufweisendes Rohmaterial auf die Trennplatte aufgebracht wird, und die Partikel werden anschließend mittels Sintern miteinander zu einem Element sowie mit der Trennplatte verbunden. Nach dem Sintern ist somit aus den Partikeln ein Element entstanden, welches mit der Trennplatte verbunden ist. Das Element ist dabei vorzugsweise porös ausgebildet.
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Das Rohmaterial liegt beispielsweise in einem pulverförmigen oder feinkörnigen Zustand oder als Granulat vor. Die Partikel können als Kugeln vorliegen aber auch jede andere, beliebige, unregelmäßige Gestalt aufweisen. Die Partikel haben vorzugsweise einen äquivalenten Außendurchmesser zwischen 0,1 µm und 500 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 250 µm, weiter bevorzugt zwischen 5 µm und 100 µm. Der äquivalente Außendurchmesser eines solchen Partikels entspricht dabei dem Durchmesser einer Kugel, welche das gleiche Volumen aufweist wie der Partikel.
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Vorzugsweise wird das Element in dem zweiten Verteilbereich erzeugt welcher zur Verteilung des Oxidationsmittels an die zweite Elektrode sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient. Das Element kann aber auch, alternativ oder zusätzlich, in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode erzeugt werden.
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Vorteilhaft weist das Rohmaterial zusätzlich einen Binder auf. Der Binder hält die Partikel nach dem Aufbringen auf die Trennplatte zusammen und verhindert Bewegungen der Partikel vor dem Sintern. Der Binder kann ein kunststoffbasierendes System sein, welches beim Sintern verbrennt. Beispielsweise kann der Binder Polyvinylbutyral (PVB) enthalten.
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Vorzugsweise wird das Rohmaterial mittels Rakeln auf die Trennplatte aufgebracht. Weitere denkbare Verfahren wären Schlitzgießen, Spritzgießen oder Siebdrucken. Dadurch lässt sich das Rohmaterial verhältnismäßig präzise und mit annähernd konstanter Schichtstärke auf die Trennplatte aufbringen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Rohmaterial zusätzlich einen Porenbildner auf. Der Porenbildner umfasst beispielsweise Kunststofffasern. Beim Sintern verbrennt der Porenbildner und hinterlässt dabei zusätzliche Hohlräume in dem Element. Dadurch kann ein Druckverlust des durchströmenden Gases minimiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Partikel des Rohmaterials elektrisch leitfähig, insbesondere metallisch. Beispiele für geeignete metallische Materialien sind eisenbasierte Edelstähle, Titan sowie Titanlegierungen. Dadurch ist auch das Element elektrisch leitfähig. Somit ist ein Stromfluss durch die Bipolarplatte hindurch ermöglicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Rohmaterial Partikel verschiedener Größe auf. Dadurch wird die Porosität des Elements vergrößert und die Verteilung der reaktionsgase kann positiv beeinflusst werden.
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Es wird auch eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche einen von einer Trennplatte begrenzten ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und einen von einer Trennplatte begrenzten zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Bipolarplatte kann aber auch in anderen elektrochemischen Energiewandlern, beispielsweise in einem Elektrolyseur, eingesetzt werden. Die beiden Verteilbereiche können dabei jeweils von einer separaten Trennplatte oder auch von einer gemeinsamen Trennplatte begrenzt sein.
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Erfindungsgemäß ist in mindestens einem der Verteilbereiche mindestens ein Element vorgesehen. Das Element weist mittels Sintern miteinander verbundene Partikel auf und ist mittels Sintern mit der Trennplatte verbunden. Das Element ist dabei vorzugsweise porös ausgebildet.
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Vorzugsweise ist das Element in dem zweiten Verteilbereich vorgesehen, welcher zur Verteilung des Oxidationsmittels an die zweite Elektrode sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient. Ein Element kann aber auch, alternativ oder zusätzlich, in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode vorgesehen sein.
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Vorteilhaft ist das Element fluiddurchlässig. Das Element ist insbesondere für den Brennstoff sowie für das Oxidationsmittel und für das abzuleitende Wasser durchlässig.
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Vorzugsweise ist das Element elektrisch leitfähig, insbesondere metallisch. Somit ist vorteilhaft ein Stromfluss durch die Bipolarplatte hindurch ermöglicht.
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Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst. Insbesondere ist die Brennstoffzelle derart aufgebaut, dass sich beidseitig an die Membran- Elektroden-Einheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung einer Bipolarplatte mit sehr guten Strömungseigenschaften mit verhältnismäßig gleichmäßiger Verteilung der Reaktionsgase. Das in dem Verteilbereich vorgesehene Element kann dazu insbesondere porös ausgebildet sein. Insbesondere kann die Porosität des Elements und damit der Druckverlust innerhalb des porösen Elements durch entsprechende Zugabe eines Porenbildners zu dem Rohmaterial gezielt eingestellt werden. Durch die Zugabe des Porenbildners kann in dem porösen Element die Struktur eines Schaums nachgebildet werden. Durch die Einstellbarkeit der Porosität des porösen Elements kann der interne Wasseraustrag gegenüber einer Bipolarplatte mit umgeformtem Blech verbessert werden. Der interne Wasseraustrag kann ähnlich wie bei einer Schaumstruktur realisiert werden. Durch entsprechende Wahl der Größen der Partikel können verhältnismäßig geringen Schichtdicken oder Schichtstärken des Elements erreicht werden. Dadurch sind geringen Kanalhöhen der Verteilbereiche umsetzbar. Durch die Versinterung der Partikel wird eine verhältnismäßig hohe elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Elements und beim Übergang zu der Trennplatte erreicht. Beim Aufbringen des Rohmaterials auf die Trennplatte, insbesondere mittels Rakeln, können zusätzlich freie Kanäle oder sonstige geometrische Formen in das Element eingebracht werden. Um einer Korrosion der Bipolarplatte vorzubeugen, können die Partikel aus geeigneten Materialien bestehen, so dass ein Korrosionsschutz beinhaltet ist. Die Kosten zur Herstellung der Bipolarplatte können über einen automatisierten Herstellprozess vorteilhaft gering gehalten werden.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
- 2 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus 1 gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 3 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform und
- 4 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus 1 gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Membran-Elektroden-Einheit 10 auf, die eine erste Elektrode 21, eine zweite Elektrode 22 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 21, 22 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 21 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet und die zweite Elektrode 22 wird im Folgenden auch als Kathode 22 bezeichnet. Die Membran 18 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die Membran 18 ist für Wasserstoffionen, also H+-Ionen, durchlässig.
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Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf, die sich beidseitig an die Membran- Elektroden-Einheit 10 anschließen. Bei der hier gezeigten Anordnung mehrerer Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstapel 5 kann jede der Bipolarplatten 40 als zu zwei zueinander benachbart angeordneten Brennstoffzellen 2 gehörig betrachtet werden.
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Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils einen ersten Verteilbereich 50 zur Verteilung eines Brennstoffs, welcher der Anode 21 zugewandt ist. Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch einen zweiten Verteilbereich 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, welcher der Kathode 22 zugewandt ist. Der zweite Verteilbereich 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser.
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Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner einen dritten Verteilbereich 70, welcher zwischen dem ersten Verteilbereich 50 und dem zweiten Verteilbereich 60 angeordnet ist. Der dritte Verteilbereich 70 dient zur Durchleitung eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 und des Brennstoffzellenstapels 5.
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Der erste Verteilbereich 50 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine erste Trennplatte 75 voneinander getrennt. Der zweite Verteilbereich 60 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine zweite Trennplatte 76 voneinander getrennt. Die Trennplatten 75, 76 der Bipolarplatten 40 sind vorliegend als dünne metallische Bleche ausgebildet.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird ein Brennstoff über den ersten Verteilbereich 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird ein Oxidationsmittel über den zweiten Verteilbereich 60 zu der Kathode 22 geleitet. Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird an der Anode 21 katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran 18 zu der Kathode 22. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle 2 und aus dem Brennstoffzellenstapel 5 abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser.
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2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus 1 gemäß einer ersten Ausführungsform, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die Bipolarplatte 40 ist dabei zwischen zwei in 1 gezeigten Membran-Elektroden-Einheiten 10 angeordnet.
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Die beispielsweise als dünnes metallisches Blech ausgebildete erste Trennplatte 75 ist dabei mehrfach gebogen und berührt mehrfach die zweite Trennplatte 76. Die zweite Trennplatte 76 ist als flaches dünnes metallisches Blech ausgebildet. Zwischenräume zwischen der ersten Trennplatte 75 und der zweiten Trennplatte 76 bilden zusammen den dritten Verteilbereich 70 zur Durchleitung des Kühlmittels.
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In dem zweiten Verteilbereich 60 ist ein Element 80 angeordnet, welches vorzugsweise porös ausgebildet ist, und das mittels Sintern mit der zweiten Trennplatte 76 verbunden ist. Das Element 80 weist dabei Partikel auf, welche ebenfalls mittels Sintern miteinander verbunden sind. Das Element 80 ist fluiddurchlässig ausgebildet und ist somit für das Oxidationsmittel und für das abzuleitende Wasser durchlässig. Die Partikel sind dabei metallisch und somit ist das Element 80 elektrisch leitfähig.
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3 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die Bipolarplatte 40 ist dabei zwischen zwei in 1 gezeigten Membran-Elektroden-Einheiten 10 angeordnet.
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Die Bipolarplatte 40 gemäß der zweiten Ausführungsform ist der Bipolarplatte 40 gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich. Im Folgenden wird daher insbesondere auf die Unterschiede zwischen der Bipolarplatte 40 gemäß der zweiten Ausführungsform und der Bipolarplatte 40 gemäß der ersten Ausführungsform eingegangen.
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Die Bipolarplatte 40 gemäß der zweiten Ausführungsform weist zusätzliche Hohlräume 85 auf, welche innerhalb des Elements 80 ausgebildet sind. Die Hohlräume 85 vergrößern die Porosität des Elements 80. Zur Erzeugung der Hohlräume 85 wird dem Rohmaterial vor dem Aufbringen auf die zweite Trennplatte 76 ein Porenbildner zugegeben, welcher beispielsweise Kunststofffasern umfasst. Durch die beim Sintern entstehende Hitze verbrennt der Porenbildner und hinterlässt dabei die Hohlräume 85 in dem Element 80.
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4 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus 1 gemäß einer dritten Ausführungsform, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die Bipolarplatte 40 ist dabei zwischen zwei in 1 gezeigten Membran-Elektroden-Einheiten 10 angeordnet.
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Die Bipolarplatte 40 gemäß der dritten Ausführungsform ist der Bipolarplatte 40 gemäß der zweiten Ausführungsform ähnlich. Im Folgenden wird daher insbesondere auf die Unterschiede zwischen der Bipolarplatte 40 gemäß der dritten Ausführungsform und der Bipolarplatte 40 gemäß der zweiten Ausführungsform eingegangen.
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Die Bipolarplatte 40 gemäß der dritten Ausführungsform weist zusätzliche Kanäle 87 auf, welche an dem Element 80 ausgebildet sind. Die Kanäle 87 sind dabei in einem Grenzbereich zwischen dem zweiten Verteilbereich 60 und der Kathode 22 der angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit 10 in das Element 80 eingebracht.
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Die Kanäle 87 in dem Element 80 entstehen beim Aufbringen des Rohmaterials auf die zweite Trennplatte 76 mittels eines entsprechend konturierten Rakels. Die Kanäle 87 werden durch die Konturierung des Rakels in das Rohmaterial, welches auch einen Binder aufweist, eingebracht und bleiben nach dem Sintern erhalten.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012221730 A1 [0009]
- DE 102014207594 A1 [0010]
