DE102020118737A1

DE102020118737A1 - Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten

Info

Publication number: DE102020118737A1
Application number: DE102020118737.8A
Authority: DE
Inventors: Simon Brugger; Markus Gebhardt
Original assignee: Cellform Patentverwaltungs GbR Vertretungsberechtigter Ges Simon Brugger 88255 Baienfurt; Cellform Patentverwaltungs Gbr Vertretungsberechtigter Gesellschafter Simon Brugger 88255 Baienfurt
Current assignee: Cellform IP GmbH and Co KG
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2022-01-20

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten, insbesondere für Brennstoffzellen, die aus Einzelplatten zusammengesetzt sind, sollen Einzelplatten mit unterschiedlichen Blechstärken und/oder aus unterschiedlichen Grundmaterialien und/oder mit unterschiedlicher Beschichtung verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten, insbesondere für Brennstoffzellen, die aus Einzelplatten zusammengesetzt sind.
Stand der Technik
In den letzten Jahren hat die Brennstoffzellentechnologie aufgrund der wachsenden Besorgnis über den Abbau fossiler Brennstoffe und den Klimawandel zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eine Entwicklung, um dem zu entgegnen, ist die Verwendung von Brennstoffzellen, die mit einem „sauberen“ Brennstoff betrieben werden. Hierzu zählen vor allem:

- Alkaline Fuel Cell (AFC, Elektrolyt Kalilauge, Anodengas H2)
- Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM-FC oder PEM Elektrolyt Polymermembran, Anodengas H2 oder Methanol))
- Direct Methanol Fuel Cell (DMFC Elektrolyt Polymermembran, Anodengas Methanol)
- Phosphoric Acid Fuel Cell (Elektrolyt Phosphorsäure, Anodengas H2 oder Methan)
- Molten Carbonate Fuel Cell (Elektrolyt Alkalikarbonatschmelze, Anodengas H2, Methan, Kohlegas)
- Solid Oxid Fuell Cell (Elektrolyt Oxidkeramik, Anodengas H2, Methan, Erdgas, Kohlegas)

Eine einzelne Brennstoffzelle hat eine im Allgemeinen nicht ausreichende Leistung. Um die zu erhöhen, werden mehrere einzelne Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellen-Stack zusammengebaut. Eine Trennplatte zwischen den einzelnen Zellen wird als Bipolarplatte bezeichnet. Sie stellt den elektrischen Kontakt zwischen Anode und Kathode her und leitet die an der Anode erzeugten Elektronen weiter zur benachbarten Zelle. Über strukturierte Oberflächen der Bipolarplatte werden zudem die chemisch aktiven Zonen der Anode und Kathode mit Brenngas bzw. mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff versorgt.
Bei der elektrokatalytischen Umwandlung des Wasserstoffs entsteht Produktwasser und es fällt Wärme an. Beides wird über die Bipolarplatte aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Hierfür werden die Bipolarplatten üblicherweise aus zwei einzelnen Plattenhälften zusammengesetzt. In die Bipolarplattenhälften sind Kanäle für die Wasserstoff- und Sauerstoffversorgung sowie für das Kühlwasser eingearbeitet. Durch das Aneinanderlegen und Fügen von zwei Plattenhälften werden die Kühlkanäle abgedichtet.
Die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) haben sich als ein vielversprechender Kandidat für den Ersatz von Verbrennungsmotoren in der Automobilindustrie herausgestellt und erzeugen Strom aus der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Sie sind gekennzeichnet durch:

- niedrige Betriebstemperaturen (unter 100° Celsius)
- schnelle Inbetriebnahme
- hohe Leistungsdichte
- hohe Effizienz und
- niedrige Treibhausgasemissionen.

Die Schlüsselkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind die Bipolarplatten (BPPs) und die Membranelektrodenanordnung (MEA). Letztere umfasst eine Protonenaustauschmembran, die beidseitig von einer Gasdiffusionsschicht (GDL) und einer Katalysatorschicht belegt ist.
Die BPPs machen etwa 60 bis 80 Prozent des Stapelgewichts und bis zu 30 bis 50 Prozent der Kosten für die Stapelherstellung aus. Sie sind multifunktionale Komponenten, die verantwortlich sind für

- eine gleichmäßige Verteilung der Reaktantengase (H2 und O2) über die Strömungskanäle
- das Entfernen der Wärme-und Reaktionsprodukte (Wasser) von der Zellanordnung
- eine elektrische Verbindung der Katode einer Zelle mit der Anode der benachbarten Zelle und
- die Bereitstellung einer strukturellen Unterstützung für die dünne und mechanisch schwache MEA.

Daher sollte ein ideales Material für BPPs die folgenden Eigenschaften aufweisen:

- hohe elektrische Leitfähigkeit
- geringe Gasdurchlässigkeit
- hohe Korrosionsbeständigkeit
- hohe mechanische Festigkeit und
- niedrige Kosten

Die früheren BPPs wurden aus hochdichtem Graphit hergestellt, der eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine hohe thermisch/elektrische Leitfähigkeit besitzt. Trotzdem sind die Graphitplatten spröde, weisen eine geringe mechanische Festigkeit und hohe Herstellungskosten auf, was auf die Notwendigkeit zurückzuführen ist, die Strömungsfeldkanäle zu fräsen, Obwohl heute auch schon ein „Verpressen“ von Graphit-Substratpulver stattfindet. Die Verwendung von metallischen Materialien ermöglichen die Anwendung anderer Herstellungstechniken, einschließlich Stanzen, Hydroformen, Gummipolsterformen, mikroelektrische Entladungsbearbeitung, elektrochemische Mikrobearbeitung und Vakuumdruckguss.
Unter den Metallkandidaten für BPPs werden rostfreie Stähle, Legierungen auf Ni-Basis, Legierungen auf Ti-Basis und Legierungen auf AI-Basis für PEM-Brennstoffzellen in Betracht gezogen.
Die Hauptnachteile von Metallen sind die hohe Dichte und die schwache Korrosionsbeständigkeit. In Bezug auf die hohe Dichte kann dies durch die Verwendung ultradünner Bleche gemildert werden, was die Anwendung verschiedener Umformverfahren zur Herstellung der BPPs erfordert.
Die Korrosion der BPPs führt zur Freisetzung von Metallionen, die die PEM kontaminieren. Zusätzlich wird während des Brennstoffzellenbetriebs ein passiver Oxid-Film auf der BPP-Oberfläche erzeugt, der den Grenzflächenkontaktwiderstand zwischen den BPPs und der GDL erhöht. Beide zuvor genannten Bedingungen verringern die Stapelleistung und Lebensdauer erheblich. Daher wurden in den letzten Jahren mehrere Studien durchgeführt, um die Korrosionsbeständigkeit mithilfe von Beschichtungen zu verbessern.
Bei den bekannten BPPs ist die Strömungsfeldkonfiguration von hoher Bedeutung. Durch sie wird ein Kanalmuster definiert, dessen Hauptfunktion darin besteht, die Reaktantengase (H2 und O2) gleichmäßig über die jeweiligen GDL zu verteilen und das während der Reaktion entstehende Wasser zu entfernen. Da die Leistung der PEM- Brennstoffzelle stark vom Strömungsfeld-Design beeinflusst wird, wurden mehrere numerische Modelle entwickelt.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellung von Bipolarplatten zu verbessern und zu erleichtern.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass Einzelplatten mit unterschiedlichen Blechstärken und/oder aus unterschiedlichen Grundmaterialien und/oder mit unterschiedlicher Beschichtung verwendet werden.
Durch diese Diversifizierung soll den unterschiedlichsten Anforderungen an die einzelnen Bauteile einer Bipolarplatte Rechnung getragen werden. In einer Brennstoffzelle existieren zum Beispiel völlig unterschiedliche Anforderungen bezüglich der chemischen Beständigkeit. Hier spielt natürlich vor allem auch eine Rolle, um welche Art der Brennstoffzelle es sich handelt. In einer Brennstoffzelle, die als Elektrolyt Phosphorsäure verwendet, werden ganz andere Anforderungen an die Einzelplatten der Bipolarplatten gestellt, wie bei Brennstoffzellen, bei denen der Elektrolyt eine Polymerplatte ist. Ähnliches dürfte auch gelten, wenn anstelle von Wasserstoff zum Beispiel Erdgas oder ein Kohlegas zu führen ist.
Zum Beispiel hat sich in der Praxis herausgestellt, dass die Blechstärke für die Anodenplatte höher sein sollte als für die Kathodenplatte. Zum Beispiel wird für die Anode eine Blechstärke von 0,075 und für die Kathode von 0,05 mm gewählt. Hierdurch wird der Stromfluss, wenn auch nur geringfügig, aber doch verbessert.
Ferner kann es sich als ratsam erweisen, dass die Einzelplatten aus unterschiedlichen Metallen bzw. Metalllegierungen bestehen. Auch dies hat einen erheblichen Einfluss auf den Stromfluss.
Ferner ist es denkbar, dass eine Einzelplatte aus Metall und die andere aus Graphit besteht. Letztere werden vor allem dort eingesetzt, wo die Korrosionsbeständigkeit gefragt ist. Zum Beispiel kann die Anode aus einem graphitischen Werkstoff und die Kathode aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
Die Beschichtung der Einzelplatten kann in ihrer chemischen Zusammensetzung und/oder in ihrer Dicke und/oder in ihrer physikalischen Struktur unterschiedlich sein. Vor allem gilt dies auch für die Anode und Kathode selbst.
Im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Verfahren, aber auch selbstständig, wird Schutz begehrt für ein Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten, insbesondere für Brennstoffzellen, die aus Einzelplatten zusammengesetzt sind, wobei das Flowfield mit zumindest einem Teil der Kanalgeometrie, d.h., der Umgebungsstruktur, getrennt vom übrigen Teil der Platte, d.h., der Umgebungsstruktur, hergestellt und erst danach mit der Platte verbunden wird. Unter Flowfield wird derjenige Teil der Bipolarplatte verstanden, der dem Führen des Kühlwassers bzw. der Reaktortanten (insbesondere H2 und O2) dient. Im Wesentlichen weist dieses die erforderliche Kanalstruktur auf.
Im Rahmen der Erfindung ist daran gedacht, dass Flowfield und Umgebungsstruktur unterschiedliche Materialstärken aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Grundmaterialien bestehen und/oder eine unterschiedliche Beschichtung aufweisen. Unterschiedliche Grundmaterialien können vor allem dann zur Anwendung kommen, wenn ein Material so korrosionsbeständig ist, dass es nicht beschichtet werden muss, aber so teuer ist, dass es sich lohnt, es in eine „unedlere“ Umgebungsstruktur einzubringen. Vor allem kann hier jedoch an die grundsätzliche Teilung von Metall und Graphit gedacht werden. In diesem Fall würde eine Flowfield-Struktur aus Graphit in eine Umgebungsstruktur aus Metall eingefügt.
Die Wahl einer unterschiedlichen Beschichtung kann so weit gehen, dass nur das Flowfield beschichtet wird, die Umgebungsstruktur jedoch nicht.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten, insbesondere für Brennstoffzellen, die aus Einzelplatten zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelplatten mit unterschiedlichen Blechstärken und/oder aus unterschiedlichen Grundmaterialien und/oder mit unterschiedlicher Beschichtung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechstärke für die Anodenplatte höher ist als für die Kathodenplatte.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelplatten aus unterschiedlichen Metallen bzw. Metalllegierungen bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einzelplatte aus Metall und die andere aus Graphit bestehen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus einem graphitischen Werkstoff und die Kathode aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Einzelplatten in ihrer chemischen Zusammensetzung und/oder in ihrer Dicke und/oder in ihrer physikalischen Struktur unterschiedlich ist.
Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten, insbesondere für Brennstoffzellen, die aus Einzelplatten zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Flowfield mit zumindest einem Teil der Kanalgeometrie getrennt vom übrigen Teil der Platte, d.h., der Umgebungsstruktur, hergestellt und erst danach mit dieser verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Flowfield und Umgebungsstruktur unterschiedliche Materialstärken aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Grundmaterialien bestehen und/oder eine unterschiedliche Beschichtung aufweisen.
Bipolarplatte zum Herstellen von Brennstoffzellen bestehend aus einem leitfähigen Werkstoff, der in seiner Dicke aus Körnern zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Körner einen Durchmesser aufweisen, der geringer als die Hälfte der Dicke der Bipopolarplatte ist.