DE102020208373A1

DE102020208373A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Bipolarplatte sowie Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102020208373A1
Application number: DE102020208373.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Musialek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2022-01-05
Also published as: WO2022002815A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, bei dem zwei Monopolarplatten (1, 2) gefertigt und gefügt werden. Erfindungsgemäß werden die Monopolarplatten (1, 2) unmittelbar oder mittelbar über mindestens einen zwischen den Monopolarplatten (1, 2) angeordneten, vorzugsweise stiftförmigen Körper (3) induktiv verschweißt.Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte und einen Brennstoffzellenstapel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bipolarplatte sowie einen Brennstoffzellenstapel, der mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte zwischen zwei Brennstoffzellen umfasst.
Stand der Technik
Bipolarplatten sind funktionsrelevante Komponenten in einem Brennstoffzellenstapel und stellen einen nicht unwesentlichen Kostenfaktor bei der Fertigung einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels dar. Zur Aufrechterhaltung der elektrochemischen Reaktion in einer Brennstoffzelle bzw. in einem Brennstoffzellenstapel müssen sie eine gute Bulkleitfähigkeit aufweisen und die Kontaktübergangswiderstände sollten so gering wie möglich sein. Letztere sind insbesondere von der Oberflächenqualität der Platten, dem angrenzenden Kontaktmedium und der applizierten Anpresskraft abhängig. Zudem müssen Bipolarplatten mediendicht, korrosionsbeständig und gut wärmeleitend sein, um die während der elektrochemischen Reaktion entstehende Wärme abzuführen. Darüber hinaus ist eine ausreichende mechanische Stabilität erforderlich, da die Bipolarplatten den Anpressdruck in den Zellstapel leiten.
Neben dünnen, geprägten Metallfolien, die in der Regel einen Korrosionsschutz benötigen, kommen reine Graphitplatten als Bipolarplatten zum Einsatz. Diese weisen eine hohe chemische Resistenz sowie gute Kontaktübergangswiderstände auf, sind allerdings aufwändig zu bearbeiten. Des Weiteren kommen Platten aus hochgefüllten, graphitbasierten thermoplastischen oder härtbaren Kompositen zum Einsatz, welche die guten Funktionseigenschaften von Graphit mit einer demgegenüber einfacheren und kostengünstigeren Formgebung kombinieren.
Bipolarplatten auf Basis von Kunststoffkompositen können mittels Spritzgießen oder Pressen hergestellt werden. Um die geforderte hohe elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten, weisen die Komposite in der Regel einen hohen Füllgrad an elektrisch leitfähigen Partikeln, Fasern, Geweben und/oder Vliesen auf. Die hohen Füllgrade führen jedoch zu hohen Viskositäten, welche die Verarbeitung erschweren. Mittels Spitzgießen lassen sich beispielsweise nur relativ kleine und vergleichsweise dicke Bipolarplatten herstellen, da die Fließweg-/LängenVerhältnisse derart hochgefüllter Werkstoffe keine anderen Geometrien zulassen.
Aus der DE 102 43 592 A1 geht beispielhaft eine Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen hervor, die aus einem mit die Leitfähigkeit erhöhenden Kohlenstoff-Füllstoffen gefüllten Polymerblend hergestellt ist. Die Herstellung erfolgt durch Herstellen und Verformen des gefüllten Polymerblends. Die Formgebung kann dabei durch Spritzgießen oder Spritzprägen erfolgen.
Aus der WO 2003/094270 A2 ist zudem eine Bipolarplatte für Brennstoffzellenstapel bekannt, die eine Faserverstärkungsstruktur, eine Kunststoff-Matrix und einen Zusatz in der Kunststoff-Matrix zur Schaffung elektrischer Leitfähigkeit aufweist. Zur Herstellung der Bipolarplatte werden der Kunststoff und der Zusatz zu einem Mischmaterial gemischt, das ein- oder beidseitig auf das Faserverstärkungsmaterial aufgebracht und in einer Pressform zu einem Formteil für die Bipolarplatte geformt wird.
Zur Herstellung einer Bipolarplatten werden zunächst zwei Monopolarplatten hergestellt und diese anschließend gefügt. Üblicherweise wird zum Fügen ein Klebe- oder Schweißverfahren verwendet. Geeignete Schweißverfahren sind das Ultraschallschweißen und das Heizelementschweißen. Wichtig dabei ist, dass ein geringer Kontaktwiderstand erhalten bleibt.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Bipolarplatten zu optimieren. Insbesondere soll das Fügen zweier Monopolarplatten zur Herstellung einer Bipolarplatte optimiert werden.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 8 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte vorgeschlagen.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel werden zwei Monopolarplatten gefertigt und gefügt. Erfindungsgemäß werden die Monopolarplatten unmittelbar induktiv verschweißt oder mittelbar über mindestens einen zwischen den Monopolarplatten angeordneten, vorzugsweise stiftförmigen Körper.
Beim induktiven Schweißen können die Eigenschaften der Monopolarplatten, die im Wesentlichen den eingangs erwähnten Eigenschaften der hieraus hergestellten Bipolarplatte entsprechen, optimal ausgenutzt werden. Zu diesen Eigenschaften zählen insbesondere eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Der Fügeprozess kann auf diese Weise besonders effizient ausgeführt werden.
Beim induktiven Verschweißen werden vorzugsweise die Monopolarplatten mit Hilfe zweier Elektroden lokal erwärmt und dann zusammengedrückt. Zum Erwärmen werden die Elektroden im Bereich der zu verschweißenden Kontur an die Monopolarplatten angelegt, so dass über die Elektroden ein elektrischer Strom eingeleitet wird, der den Bereich erwärmt. Durch zusätzliches Drücken entsteht eine feste Verbindung. Die Elektroden können dabei jede geeignete Form bzw. Geometrie aufweisen, so dass beliebige Konturen verschweißbar sind. Beispielsweise können flache oder stiftförmige Elektroden verwendet werden.
Sofern die beiden Monopolarplatten nicht unmittelbar miteinander verschweißt werden, sondern mittelbar über den mindestens einen zwischen den Monopolarplatten angeordneten Körper, wird dieser beim induktiven Verschweißen ebenfalls erwärmt und dann über die beiden Monopolarplatten zusammengedrückt. Auf diese Weise entsteht eine feste Verbindung der Monopolarplatten unter Vermittlung des Körpers als weiteren Fügepartner. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, dass über den weiteren Fügepartner ein Kontaktwiderstand in einer Ebene senkrecht zur Plattenebene der Monopolarplatten („through-plane“) erzielbar ist. Anstelle eines stiftförmigen Körpers kann ein beliebig geformter Körper verwendet werden. Beispielsweise kann ein plattenförmiger Körper zwischen die Monopolarplatten eingelegt werden. In diesem Fall kann der zum Fügen erforderliche Druck reduziert werden.
Die Monopolarplatten und der mindestens eine Körper können aus Kunststoff und/oder Metall gefertigt werden. Sofern ein Kunststoff oder Kunststoffkompositmaterial verwendet wird, beträgt vorzugsweise die elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffs mindestens 100 S/cm. Das heißt, dass bevorzugt ein hochleitfähiger Kunststoff verwendet wird. Dadurch ist sichergestellt, dass die hieraus hergestellte Bipolarplatte die geforderten Eigenschaften besitzt.
Die Monopolarplatten und der mindestens eine Körper müssen nicht zwingend aus dem gleichen Material hergestellt werden. Das heißt, dass beispielsweise für die Monopolarplatten ein Kunststoffkompositmaterial und für den mindestens einen Körper ein Kunststoff verwendet werden kann. Alle anderen Materialkombinationen sind ebenfalls möglich. Für die Herstellung der Monopolarplatten kommen insbesondere die eingangs für Bipolarplatten beschriebenen Materialien und Komposite in Frage.
Bevorzugt werden bzw. wird die Monopolarplatten und/oder der mindestens eine Körper in einem Spritzgießverfahren gefertigt. Dies gilt insbesondere bei Verwendung von Kunststoff oder einem Kunststoffkompositmaterial. Das Spritzgießen von Monopolarplatten hat sich bewährt. In gleicher Weise kann auch der mindestens eine Körper gefertigt werden, da Spritzgießen eine große Formenvielfalt zulässt.
Des Weiteren bevorzugt werden die Monopolarplatten in einer Plattenstärke von 50 µm bis 1000 µm gefertigt. Die Plattenstärke ist dabei gleich der Wandstärke. Diese variiert von der Gesamthöhe einer Platte, wenn diese beispielsweise nicht eben, sondern - wie üblich - geprägt ist. Die konkrete Plattenstärke hängt insbesondere von der Materialwahl und dem Fertigungsverfahren ab.
Zum unmittelbaren Verschweißen der Monopolarplatten werden vorzugsweise Elektroden verwendet, die flach ausgestaltet sind, so dass sie beidseitig flächig an die Platten angelegt und angepresst werden können. Der hierüber eingeleitete Strom erwärmt die Platten, so dass diese gefügt werden.
Vorteilhafterweise werden Elektroden verwendet, deren Geometrie an die jeweilige Fügekontur angepasst ist. Die Elektroden können somit beliebig gestaltet sein. Beispielsweise können die Elektroden über eine rechteckige Geometrie verfügen. Sofern die Monopolarplatten mittelbar über mindestens einen zwischenliegenden Körper induktiv verschweißt werden, kann die Geometrie der Elektroden an die Form des Körpers angepasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum mittelbaren Verschweißen der Monopolarplatten mindestens ein stiftförmiger Körper verwendet, der einen Rumpf aus hochleitfähigem Kunststoff und einen mit dem Rumpf fest verbundenen Metallring aufweist. Die Verschweißung mit den Monopolarplatten erfolgt dann über den Metallring. Auf diese Weise wird eine feste Schweißverbindung erreicht. Die Festigkeit der Schweißverbindung kann weiter gesteigert werden, wenn der Metallring umlaufend eine radial vorspringende Verzahnung aufweist. Die Verzahnung kann eine beliebige Geometrie besitzen. Ferner kann die Verzahnung sowohl in Druckrichtung als auch gegen die Druckrichtung oder in beide Richtungen orientiert sein.
Die ferner zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel umfasst zwei Monopolarplatten, die unmittelbar induktiv verschweißt sind oder mittelbar über mindestens einen zwischen den Monopolarplatten angeordneten, vorzugsweise stiftförmigen Körper. Durch das induktive Schweißen werden die Materialeigenschaften der Fügepartner effizient genutzt, so dass die Bipolarplatte in einem optimierten Verfahren herstellbar ist. Die vorgeschlagene Bipolarplatte ist vorzugsweise nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden.
Die Monopolarplatten und der mindestens eine Körper können insbesondere aus Kunststoff und/oder Metall hergestellt sein. Das heißt, dass die Monopolarplatten und der Körper auch aus einem Kompositmaterial gefertigt sein kann. Dabei muss der Körper nicht aus dem gleichen Material wie die Monopolarplatten bestehen. Ferner kann es sich bei dem Körper um einen Verbundkörper handeln, der beispielsweise einen Rumpf aus Kunststoff und einen mit dem Rumpf fest verbundenen Metallring umfasst. Mit Hilfe eines solchen Körpers kann eine feste Schweißverbindung erzielt werden. Zudem kann der Körper in einem Spritzgießverfahren hergestellt werden. Sofern ein Kunststoff zur Herstellung der Monopolarplatten und/oder des Körpers verwendet wird, beträgt vorzugsweise die elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffs mindestens 100 S/cm. Das heißt, dass ein hochleitfähiger Kunststoff verwendet wird. Dieser trägt zu einer schnellen Erwärmung der Monopolarplatten und/oder des Körpers beim Fügen mittels induktiven Schweißens bei.
Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellenstapel, umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte vorgeschlagen. Die Bipolarplatte ist dabei zwischen zwei Brennstoffzellen bzw. Zellkernpaketen angeordnet. Ein Zellkernpaket kann beispielsweise aus einer Membran-Elektroden-Anordnung als Zellkern und beidseits anliegenden Gasdiffusionsschichten gebildet sein. An dieser liegt dann außenseitig die Bipolarplatte an.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch zwei Monopolarplatten mit zwischenliegenden Körper vor dem Fügen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte bzw. zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können zwei Monopolarplatten 1, 2 unmittelbar miteinander induktiv verschweißt werden oder mittelbar über einen Körper 3, der zwischen die Monopolarplatten 1, 2 angeordnet wird. Eine solche Anordnung ist in der Figur dargestellt.
Der Körper 3 weist vorliegend einen Rumpf aus einem Kunststoffmaterial auf, der außenumfangseitig von einem Metallring 5 umgeben ist. Beim induktiven Schweißen wird der Metallring 5 des Körpers 3 mit Hilfe zweier Elektroden (nicht dargestellte) sowie die hieran anliegenden Monopolarplatten 1, 2 erwärmt. Durch Zusammendrücken der beiden Monopolarplatten 1, 2 wird dann eine feste Verbindung zwischen den Fügepartnern hergestellt. Mit Hilfe des induktiven Schweißens kann nicht nur eine feste, sondern zugleich mediendichte Verbindung realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10243592 A1 [0005]
WO 2003/094270 A2 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, bei dem zwei Monopolarplatten (1, 2) gefertigt und gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Monopolarplatten (1, 2) unmittelbar oder mittelbar über mindestens einen zwischen den Monopolarplatten (1, 2) angeordneten, vorzugsweise stiftförmigen Körper (3) induktiv verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim induktiven Verschweißen die Monopolarplatten (1, 2) mit Hilfe zweier Elektroden lokal erwärmt und dann zusammengedrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zwischen den (1, 2) angeordnete Körper (3) beim induktiven Verschweißen erwärmt und dann über die beiden Monopolarplatten (1, 2) zusammengedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Monopolarplatten (1, 2) und der mindestens eine Körper (3) aus Kunststoff und/oder Metall gefertigt werden, wobei vorzugsweise ein Kunststoff verwendet wird, dessen elektrische Leitfähigkeit mindestens 100 S/cm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Monopolarplatten (1, 2) und/oder der mindestens eine Körper (3) in einem Spritzgießverfahren gefertigt werden bzw. wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Monopolarplatten (1, 2) in einer Plattenstärke von 50 µm bis 1000 µm gefertigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein stiftförmiger Körper (3) verwendet wird, der einen Rumpf (4) aus hochleitfähigem Kunststoff und einen mit dem Rumpf (4) fest verbundenen Metallring (5) aufweist, wobei vorzugsweise der Metallring (5) umlaufend eine radial vorspringende Verzahnung aufweist.
Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, umfassend zwei Monopolarplatten (1, 2), die unmittelbar oder mittelbar über mindestens einen zwischen den Monopolarplatten (1, 2) angeordneten, vorzugsweise stiftförmigen Körper (3) induktiv verschweißt sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Monopolarplatten (1, 2) und der mindestens eine Körper (3) aus Kunststoff und/oder Metall gefertigt sind, wobei vorzugsweise die elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffs mindestens 100 S/cm beträgt.
Brennstoffzellenstapel, umfassend mindestens eine Bipolarplatte nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Bipolarplatte zwischen zwei Brennstoffzellen oder zwei Zellkernpaketen angeordnet ist.