DE102020213716A1

DE102020213716A1 - Verteilerplatte, Bipolarplatte, elektrochemische Zelle mit einer Verteilerplatte und Verfahren zur Herstellung einer Verteilerplatte

Info

Publication number: DE102020213716A1
Application number: DE102020213716.1A
Authority: DE
Inventors: Helene Ritter; David Thomann; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2022-05-05
Also published as: WO2022089896A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verteilerplatte (7, 8), insbesondere für eine elektrochemische Zelle (1), wobei die Verteilerplatte (7, 8) Kanäle (11) für eine Verteilung eines Fluids aufweist. Die Verteilerplatte (7, 8, 20) besteht aus einem Graphit-Polymer-Kompositmaterial. Die Verteilerplatte (7, 8, 20) weist eine Kontaktfläche (13, 13a, 13b) für die elektrische Kontaktierung einer weiteren Komponente der elektrochemischen Zelle (1) auf. Die Kontaktfläche (13, 13a, 13b) ist derart nachbearbeitet, dass eine Kunststoffhaut entfernt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verteilerplatte und eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle sowie eine elektrochemische Zelle mit einer entsprechenden Verteilerplatte und ein Verfahren zur Herstellung einer Verteilerplatte.
Stand der Technik
Verteilerplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist aus der DE 10 221 951 B4 eine Verteilerplatte bzw. Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt. Die bekannte Verteilerplatte weist Kanäle und angrenzende Stege auf. Die Unterseiten der Stege bilden eine Kontaktfläche der Verteilerplatte zu einer Diffusionslage der Brennstoffzelle. Dementsprechend sind auch Brennstoffzellen mit derartigen Verteilerplatten und darunterliegenden Diffusionslagen bekannt.
Weiterhin sind Bipolarplatten aus Graphit bzw. einem Graphit-Polymer-Kompositmaterial aus der DE 10 2016 2020 010 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung verbessert die elektrische Leitfähigkeit einer Verteilerplatte aus einem Graphit-Polymer-Kompositmaterial in Dickenrichtung zu einer angrenzenden Komponente.
Dazu besteht die Verteilerplatte bzw. die aus zwei Verteilerplatten bestehende Bipolarplatte aus einem Graphit-Polymer-Kompositmaterial. Die Verteilerplatte weist Kanäle für eine Verteilung eines Fluids auf. Die Verteilerplatte weist weiterhin eine Kontaktfläche für die elektrische Kontaktierung einer weiteren Komponente einer elektrochemischen Zelle auf. Die Kontaktfläche ist derart nachbearbeitet, dass eine Kunststoffhaut entfernt ist.
Die Verteilerplatte dient insbesondere der Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, bevorzugt einer Brennstoffzelle. Jedoch ist auch der Einsatz in weiteren elektrochemischen Zellen, wie beispielsweise in Batteriezellen oder Elektrolysezellen, möglich. Das in den Kanälen strömende Fluid ist üblicherweise ein Reaktions- oder Produktfluid der elektrochemischen Zelle, beispielsweise Wasserstoff oder Sauerstoff.
Die Außenflächen des Graphit-Polymer-Kompositmaterials sind inhärent von einer Kunststoffhaut überzogen, welche auch sehr dünn sein kann. Diese wird nun erfindungsgemäß entfernt, bevorzugt mittels einer Laserbehandlung, so dass in der nachbearbeiteten Kontaktfläche direkt das Graphitmaterial der Verteilerplatte kontaktiert werden kann und dadurch der elektrische Übergangswiderstand reduziert wird. Dies ist insbesondere bei in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen eines Zellenstapels von sehr großem Vorteil, da dadurch der Wirkungsgrad des gesamten Zellenstapels gesteigert wird.
Die Erfindung umfasst auch eine Bipolarplatte mit zwei Verteilerplatten, wobei die beiden Verteilerplatten in ihren nachbearbeiteten Kontaktflächen zueinander angeordnet sind. Der elektrische Widerstand der Bipolarplatte in Stapelrichtung z bzw. in Dickenrichtung der Platte wird dadurch minimiert, womit die Leistungsverluste in der Bipolarplatte im Betrieb minimiert werden.
Eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einer Verteilerplatte bzw. einer Bipolarplatte weist weiterhin eine Diffusionslage auf. Die Unterseiten von die Kanäle begrenzenden Stegen bilden dann eine Kontaktfläche der Verteilerplatte bzw. Bipolarplatte zu der Diffusionslage. Die Erfindung umfasst somit auch eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, in welcher die Kontaktfläche der Verteilerplatte zu der angrenzenden Diffusionslage derart nachbearbeitet ist, dass die Kunststoffhaut in dieser Kontaktfläche entfernt ist. Der elektrische Übergangswiderstand zwischen Verteilerplatte und Diffusionslage ist dadurch minimiert.
Die Erfindung umfasst auch ein Herstellungsverfahren zur Fertigung einer Verteilerplatte bzw. Bipolarplatte nach einer der obigen Ausführungen. Der kennzeichnende Verfahrensschritt ist dabei die Entfernung der Kunststoffhaut auf der Kontaktfläche der Verteilerplatte. Die Kunststoffhaut wird bevorzugt mittels Laserbearbeitung entfernt, besonders bevorzugt mit einem Nanosekunden-Beschriftungslaser oder Ultrakurzpuls-Laser.
In vorteilhaften Weiterbildungen des Verfahrens wird während der Entfernung der Kunststoffhaut eine Strukturform verwendet, so dass lediglich eine definierte Struktur der Kunststoffhaut in der Kontaktfläche entfernt. Dadurch können beispielsweise nur die die Kanäle begrenzenden Stege der Verteilerplatte mit dem Laser bearbeitet werden. Bereiche, in denen die Entfernung der Kunststoffhaut keine Vorteile bringt, können durch Abdeckung mit der Strukturform von der Laserbearbeitung ausgespart werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 schematisch eine elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

1 zeigt schematisch eine elektrochemische Zelle 1 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 1 weist einen Elektrolyten 2, beispielsweise eine Membran, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran auf. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 1a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 1b ausgebildet.
Im Kathodenraum 1a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 1b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet.
Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 1a und Wasserstoff im Anodenraum 1b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.
Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13, 13a der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
Üblicherweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 1 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte 20 zusammengefasst, so dass sich die beiden Verteilerplatten 7, 8 in einer gemeinsamen Kontaktfläche 13, 13b kontaktieren.
Bei den erfindungsgemäßen Verteilerplatten 7, 8 bzw. Bipolarplatten 20 handelt es sich um Verteilerplatten aus einem Graphit-Polymer-Kompositmaterial.
Erfindungsgemäß wird nun - zumindest in einer der Kontaktflächen 13, 13a, 13b - die prozessbedingt entstehende Kunststoffhaut des Graphit-Polymer-Kompositmaterials entfernt.
Den graphitischen Verteilerplatten 7, 8 bzw. Bipolarplatten 20 werden zur Minimierung der Gaspermeation und Vergrößerung der Stabilität Polymere, insbesondere thermoplastische und/oder duroplastische Kunststoffe, beigemischt, so dass ein Graphit-Polymer-Kompositmaterial entsteht. Nach dem Prägeprozess der Strukturen für die Kanäle 11 überzieht die Verteilerplatte 7,8 bzw. Bipolarplatte 20 eine Kunststoffhaut. Diese Haut wirkt isolierend gegenüber Strom und Wärme bzw. erhöht die elektrischen und thermischen Übergangswiderstände zu den Diffusionslagen 5, 6 und innerhalb der Bipolarplatte 20 zwischen den beiden Verteilerplatten 7, 8.
Diese Kunststoffhaut wird bevorzugt mittels Laser entfernt, besonders bevorzugt mittels Nanosekunden-Beschriftungslaser oder Ultrakurzpuls-Laser. Dabei kann die Kunststoffhaut auf einer oder mehrerer Kontaktflächen 13, 13a, 13b großflächig oder aber auch mit Hilfe einer Strukturform lokal definiert entfernt werden. Die Strukturform deckt dann beispielsweise die Kanäle 11 ab und spart die Stege 12 bzw. die Kontaktflächen 13a zu den Diffusionslagen 5, 6 aus, so dass nur an den Stegen 12 die Kunststoffhaut beim Lasern entfernt wird und demzufolge der elektrische Widerstand zwischen Verteilerplatte 7, 8 und angrenzender Diffusionslage 5, 6 reduziert wird.
Wird die Kunststoffhaut der beiden Verteilerplatten 7, 8 in der gemeinsamen Kontaktfläche 13, 13b entfernt, so wird entsprechend der elektrische Widerstand in Stapelrichtung z bzw. in Dickenrichtung innerhalb der so entstehenden Bipolarplatte 20 reduziert. In besonderen Ausführungen der Bipolarplatte 20 weist diese im Bereich der Kontaktfläche 13, 13b weitere Kanäle für ein Kühlmedium auf. Wird auch in diesen weiteren Kanälen die Kunststoffhaut entfernt, so ist der Wärmeübergangskoeffizient in den weiteren Kanälen von der Bipolarplatte 20 ins Kühlmedium größer, so dass die Kühlung der Bipolarplatte 20 effektiver ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10221951 B4 [0002]
DE 1020162020010 A1 [0003]

Claims

Verteilerplatte (7, 8, 20), insbesondere für eine elektrochemische Zelle (1), wobei die Verteilerplatte (7, 8, 20) aus einem Graphit-Polymer-Kompositmaterial besteht, wobei die Verteilerplatte (7, 8, 20) Kanäle (11) für eine Verteilung eines Fluids aufweist, wobei die Verteilerplatte (7, 8, 20) eine Kontaktfläche (13, 13a, 13b) für die elektrische Kontaktierung einer weiteren Komponente der elektrochemischen Zelle (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (13, 13a, 13b) derart nachbearbeitet ist, dass eine Kunststoffhaut entfernt ist.
Bipolarplatte (20) mit zwei Verteilerplatten (7, 8) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verteilerplatten (7, 8) in ihren nachbearbeiteten Kontaktflächen (13, 13b) zueinander angeordnet sind.
Elektrochemische Zelle (1) mit einer Verteilerplatte (7, 8, 20) nach Anspruch 1 und einer Diffusionslage (5, 6) dadurch gekennzeichnet, dass die nachbearbeitete Kontaktfläche (13, 13a) eine Kontaktfläche der Verteilerplatte (7, 8, 20) zu der Diffusionslage (5, 6) ist.
Verfahren zur Herstellung einer Verteilerplatte (7, 8, 20) nach Anspruch 1, wobei die Verteilerplatte (7, 8, 20) aus einem Graphit-Polymer-Kompositmaterial besteht, wobei die Verteilerplatte (7, 8, 20) Kanäle (11) für eine Verteilung eines Fluids aufweist, wobei die Verteilerplatte (7, 8, 20) eine Kontaktfläche (13, 13a, 13b) für die elektrische Kontaktierung einer weiteren Komponente der elektrochemischen Zelle (1) aufweist, durch folgenden Verfahrensschritt gekennzeichnet: - Entfernung der Kunststoffhaut auf der Kontaktfläche (13, 13a, 13b).
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffhaut mittels Laserbearbeitung entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass während der Entfernung der Kunststoffhaut eine Strukturform verwendet wird, so dass lediglich eine definierte Struktur der Kunststoffhaut in der Kontaktfläche (13, 13a, 13b) entfernt wird.