DE102021122496A1

DE102021122496A1 - Bipolar plate and manufacturing process

Info

Publication number: DE102021122496A1
Application number: DE102021122496.9A
Authority: DE
Inventors: Simon Schlirf
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2023-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, welche aus einem Verbundwerkstoff (3) mit einer Mehrzahl von Schichten (2) voneinander verschiedener Materialen gebildet ist, wobei die Schichten (2) jeweils eine Schichtdicke zwischen 10 - 40 µm aufweisen, und wenigstens eine der äußeren Schichten (4) des Verbundwerkstoffs (3) aus einem Edelstahl geformt ist, während wenigstens eine der anderen Schichten (2) aus einem von Edelstahl abweichenden Material gebildet ist.

The invention relates to a bipolar plate (1) for a fuel cell, which is formed from a composite material (3) with a plurality of layers (2) of different materials, the layers (2) each having a layer thickness of between 10 - 40 µm, and at least one of the outer layers (4) of the composite material (3) is formed from a stainless steel, while at least one of the other layers (2) is formed from a material other than stainless steel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, welche aus einem Verbundwerkstoff mit einer Mehrzahl von Schichten voneinander verschiedener Materialen gebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bipolarplatten.The present invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, which is formed from a composite material having a plurality of layers of different materials from one another. The invention also relates to a manufacturing method for producing bipolar plates.

Elektrische Maschinen finden in weiten Bereichen der Technik Anwendung, zunehmend auch im Kraftfahrzeugbereich als Elektromotoren zum Antrieb von Kraftfahrzeugen. Die Bereitstellung elektrischer Energie für Elektromotoren kann auf verschiedene Weisen erfolgen, im Bereich der Mobilität etwa über mitgeführte Akkumulatoren oder Brennstoffzellen, in letzterem Fall in Verbindung mit einem adäquaten Kraftstoffvorrat. Brennstoffzellen und ihre elektrochemische Funktionsweise sind in verschiedenen Varianten hinlänglich bekannt.Electrical machines are used in many areas of technology, increasingly also in the motor vehicle sector as electric motors for driving motor vehicles. The provision of electrical energy for electric motors can take place in various ways, in the area of mobility, for example, by means of accumulators or fuel cells that are carried along, in the latter case in connection with an adequate supply of fuel. Fuel cells and their electrochemical functioning are well known in different variants.

Das Grundprinzip einer Brennstoffzelle besteht darin, einer Elektrode der Brennstoffzelle einen Brennstoff, insbesondere in Form von Wasserstoff, der anderen Elektrode Sauerstoff zuzuführen. Die Wasserstoffmoleküle werden am Katalysator der Elektrode gespalten und geben Elektronen an die Elektrode ab, welche über einen Leiter zur anderen Elektrode fließen, um dort zusammen mit dem Sauerstoff Sauerstoffionen zu bilden. Letztlich entsteht dabei Wasser sowie Wärme und es resultiert ein Stromfluss im Leiter zwischen den Elektroden. Sauerstoff und Wasserstoff können in Reinform bevorratet und der Brennstoffzelle zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu verwenden. Wasserstoff kann aus Verbindungen wie Methan oder Ammoniak durch Reformierung gewonnen werden; dabei wird die jeweilige Verbindung elektrolytisch aufgespalten.The basic principle of a fuel cell consists in supplying fuel, in particular in the form of hydrogen, to one electrode of the fuel cell and oxygen to the other electrode. The hydrogen molecules are split at the electrode's catalyst and give off electrons to the electrode, which flow via a conductor to the other electrode, where they form oxygen ions together with the oxygen. Ultimately, this produces water and heat, resulting in a current flow in the conductor between the electrodes. Oxygen and hydrogen can be stored in pure form and fed to the fuel cell. However, it is also possible to use oxygen from the ambient air. Hydrogen can be obtained from compounds such as methane or ammonia by reforming; the respective connection is split electrolytically.

Brennstoffzellenstapel bestehen beispielsweise aus mehreren dünnen Platten (häufig als Separatoren oder Bipolarplatten bezeichnet), die mit Membran-Elektroden-Einheiten zu einem Paket verbunden werden. Diese wiederum bestehen aus jeweils einer gefügten Anode und einer Kathode (Bipolarplatte). Eine Brennstoffzelle besteht z.B. typischerweise aus 300-700 solcher Einzelplatten (Bipolarplatten). Diese Formelemente umfassen Kanäle oder Einzelformen, die umformtechnisch hergestellt werden.For example, fuel cell stacks consist of several thin plates (often referred to as separators or bipolar plates) that are connected to form a package with membrane-electrode assemblies. These in turn each consist of a joined anode and a cathode (bipolar plate). A fuel cell, for example, typically consists of 300-700 such individual plates (bipolar plates). These form elements include channels or individual forms that are produced by metal forming.

DE 10 2014 223 735 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle, die eine Katalysatorschicht umfasst, an der Wasserstoffgas oder Luft durch ihre beiden Oberflächen eingeführt wird; einen ersten Separator, der an einer ersten Seite der Katalysatorschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von ersten Kanälen umfasst, so dass ein erstes Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft strömen kann; und einen zweiten Separator, der an der zweiten Seite der Katalysatorschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen umfasst, die in einer Richtung senkrecht zu den ersten Kanälen angeordnet sind. Insbesondere umfasst jeder der zweiten Kanäle eine Mehrzahl von Lüftungsöffnungen, so dass ein zweites Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft in einer Richtung senkrecht zu den zweiten Kanälen strömen kann. DE 10 2014 223 735 A1 describes a fuel cell comprising a catalyst layer at which hydrogen gas or air is introduced through both surfaces thereof; a first separator disposed on a first side of the catalyst layer and including a plurality of first passages so that a first reactant can flow among the hydrogen gas and the air; and a second separator arranged on the second side of the catalyst layer and including a plurality of second channels arranged in a direction perpendicular to the first channels. In particular, each of the second channels includes a plurality of vent holes so that a second reactant can flow among the hydrogen gas and the air in a direction perpendicular to the second channels.

Die Dicke derartiger Bipolarplatten bewegt sich in der Regel im Zehntelmillimeter-Bereich. Diese Bipolarplatten sind in der Regel entweder aus Graphit oder Metall gefertigt. Als Werkstoff für die metallischen Bipolarplatten wird meist Edelstahl verwendet, welcher beschichtet wird. Es sind auch Bipolarplatten bekannt, bei denen Titan verwendet wird. Ein Blech, das für die Bipolarplattenfertigung verwendet wird, ist meist 50 bis 100 µm dick. Die Verwendung einer geringeren Blechdicke hätte Kostenvorteile durch Materialeinsparungen und eine erhöhte Effizienz im Gesamtsystem zur Folge. Die Reduzierung der Blechdicke des Rohmaterials stellt für den Umformvorgang jedoch eine große Herausforderung dar. Das Material muss gleichmäßig an das Werkzeug angedrückt werden, ohne dass es zu Rissbildung kommt. Die Materialverschiebung in der Blechebene ist mit herkömmlichen Verfahren und Materialien begrenzt.The thickness of such bipolar plates is usually in the tenths of a millimeter range. These bipolar plates are usually made of either graphite or metal. The material used for the metallic bipolar plates is mostly stainless steel, which is coated. Bipolar plates using titanium are also known. A metal sheet that is used for the production of bipolar plates is usually 50 to 100 µm thick. The use of a lower sheet thickness would result in cost advantages through material savings and increased efficiency in the overall system. However, reducing the sheet thickness of the raw material poses a major challenge for the forming process. The material must be pressed evenly onto the tool without cracks forming. The material displacement in the sheet plane is limited with conventional methods and materials.

Zur Herstellung derartiger Bipolarplatten sind beispielsweise Umformverfahren mit einer starren Werkzeugpaarung im Folgeverbund bekannt. Hierbei wird üblicherweise ein metallisches Band von einem Coil abgewickelt und ggf. gerichtet einer Umformmaschine zugeführt. Bei einem Folgeverbundwerkzeug werden die Werkstücke im Bandstreifen hängend durch diverse Beschneide- und Umformstufen getaktet. Das Prägen erfolgt in einer oder mehreren Stufen. Ober- und Untergesenk sind starr ausgeführt. In der letzten Stufe werden die Einzelbleche (Anode oder Kathode) ausgeschnitten und vereinzelt. Diese Fertigungsverfahren lassen sich zwar mit einer großserientauglichen Geschwindigkeit von größer 20 Teilen/Minute realisieren, doch sind hierfür äußerst genaue Werkzeuge inkl. der Führung Ober- zu Unterwerkzeug erforderlich. Dies ist mit hohen Kosten, vor allem aber auch mit einem großen zeitlichen Aufwand verbunden, entsprechende Werkzeuge abzustimmen.For the production of such bipolar plates, for example, forming processes with a rigid pair of tools in progressive assembly are known. In this case, a metallic strip is usually unwound from a coil and, if necessary, fed to a forming machine in a straightened manner. With a progressive tool, the workpieces are cycled through various trimming and forming stages while hanging in the strip strip. The embossing takes place in one or more stages. The upper and lower dies are rigid. In the last stage, the individual sheets (anode or cathode) are cut out and separated. Although these manufacturing processes can be implemented at a speed of more than 20 parts/minute, which is suitable for large-scale production, extremely precise tools, including the guide from the upper to the lower tool, are required for this. This is associated with high costs, but above all with a great deal of time, to coordinate appropriate tools.

Da auf Grund der Vielzahl der notwendigen Bipolarplatten die Baugröße und die Materialkosten einer Brennstoffzelle auch von der Dicke der Platten bestimmt werden, besteht an anhaltendes Bedürfnis daran, möglichst dünne Bleche zu verwenden. Das Walzen der Bleche wird mit abnehmender Dicke jedoch immer kostenintensiver.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, diesen Widerspruch aufzulösen und eine für eine Fertigung verbesserte Bipolarplatte sowie einen optimierten und kostengünstigen Herstellungsprozess bereitzustellen.Because the size and material costs of a fuel cell are also determined by the thickness of the plates due to the large number of bipolar plates required, there is a continuing need to use metal sheets that are as thin as possible. However, the rolling of the sheet metal becomes more and more expensive as the thickness decreases.
It is therefore the object of the invention to resolve this contradiction and one for production provide improved bipolar plate and an optimized and cost-effective manufacturing process.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, welche aus einem Verbundwerkstoff mit einer Mehrzahl von Schichten voneinander verschiedener Materialen gebildet ist, wobei die Schichten jeweils eine Schichtdicke zwischen 10-40 µm aufweisen, und wenigstens eine der äußeren Schichten des Verbundwerkstoffs aus einem Edelstahl geformt ist, während wenigstens eine der anderen Schichten aus einem von Edelstahl abweichenden Material gebildet ist.This object is achieved by a bipolar plate for a fuel cell, which is formed from a composite material with a plurality of layers of different materials, the layers each having a layer thickness of between 10-40 μm, and at least one of the outer layers of the composite material made of stainless steel formed while at least one of the other layers is formed of a material other than stainless steel.

Anstelle eines einlagigen Bleches werden also erfindungsgemäß mehrere sehr dünne Bleche (10 - 40 µm) verwendet, um einen Verbundwerkstoff zu bilden Diese Schichten werden vor dem Umformprozess nicht miteinander verbunden, sondern ausschließlich aufeinandergelegt. Die Ebenen zwischen den einzelnen Schichten ermöglichen einen vereinfachten Materialfluss in Blechebene. Die einzelnen Schichten werden dann durch den Umformvorgang zu einem die Bipolarplatte bildenden Bauteil verbunden.According to the invention, instead of a single layer of sheet metal, several very thin sheets (10-40 μm) are used to form a composite material. These layers are not connected to one another prior to the forming process, but are only placed one on top of the other. The levels between the individual layers enable a simplified material flow in the sheet metal level. The individual layers are then joined by the forming process to form a component that forms the bipolar plate.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Bipolarplatte besteht in den geringeren Korngrößen der dünn gewalzten Schichten/Bleche. Die feinere Körnung erlaubt eine genauere Abbildung der Werkzeuggeometrie durch den Verbundwerkstoff. A further advantage of the bipolar plate according to the invention consists in the smaller grain sizes of the thinly rolled layers/sheets. The finer granulation allows the tool geometry to be reproduced more precisely by the composite material.

Durch den schichtweisen Aufbau des Verbundwerkstoffs ist es ferner möglich, den vergleichsweise teuren Edelstahl nur als Decklage zu verwenden und günstigeren Kohlenstoffstahl für die inneren Lagen zu nutzen. Dadurch lassen sich die Kosten deutlich reduzieren. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die beiden äußeren Schichten aus einem Edelstahl geformt sind.Due to the layered structure of the composite material, it is also possible to use the comparatively expensive stainless steel only as the top layer and to use cheaper carbon steel for the inner layers. This significantly reduces costs. According to an advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the two outer layers are formed from stainless steel.

Obwohl das aus dem Verbundwerkstoff gebildete Bauteil als Bipolarplatte bezeichnet ist, kann es neben einer Anwendung in einer Brennstoffzelle auch beispielsweise als Batterieplatte für Redoxflow-Batterien, Elektrolyseplatte zur Wasserstofferzeugung und dergleichen verwendet werden.Although the component formed of the composite material is referred to as a bipolar plate, it can also be used, for example, as a battery plate for redox flow batteries, an electrolytic plate for hydrogen generation and the like, in addition to an application in a fuel cell.

Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die nicht aus Edelstahl geformten Schichten aus einem Kohlenstoffstahl gebildet sind.According to a further preferred further development of the invention, it can also be provided that the layers not formed from high-grade steel are formed from carbon steel.

Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Verbundwerkstoff wenigstens drei Schichten aufweist.Furthermore, according to a likewise advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the composite material has at least three layers.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Verbundwerkstoff eine Dicke zwischen 50 bis 150 µm, bevorzugt zwischen 75 bis 100 µm, aufweist.According to a further particularly preferred embodiment of the invention, it can be provided that the composite material has a thickness of between 50 and 150 μm, preferably between 75 and 100 μm.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für eine Brennstoffzelle, umfassen die folgenden Schritte:

a) Bereitstellung einer Mehrzahl von Schichten voneinander verschiedener Materialen,
b) Schichtweise Anordnung der einzelnen Schichten übereinander zur Ausbildung eines Verbundwerkstoffs,
c) Umformung des Verbundwerkstoffs,
d) Fixierung der einzelnen Schichten des Verbundwerkstoffs

The object of the invention is also achieved by a manufacturing method for producing bipolar plates for a fuel cell, comprising the following steps:

a) providing a plurality of layers of different materials,
b) layered arrangement of the individual layers on top of each other to form a composite material,
c) forming of the composite material,
d) Fixation of the individual layers of the composite material

In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Fixierung der einzelnen Schichten des Verbundwerkstoffs mittels Widerstandsschweißen erfolgt.In a likewise preferred embodiment variant of the invention, it can also be provided that the individual layers of the composite material are fixed by means of resistance welding.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to figures without restricting the general inventive idea.

Es zeigt:

1 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte,
2 ein Fertigungsverfahren für eine erfindungsgemäße Bipolarplatte.

It shows:

1 a sectional view through a bipolar plate according to the invention,
2 a manufacturing method for a bipolar plate according to the invention.

Die Figur zeigt eine Bipolarplatte 1 für eine Brennstoffzelle, welche aus einem Verbundwerkstoff 3 mit einer Mehrzahl von Schichten 2 voneinander verschiedener Materialen gebildet ist. Die insgesamt vier Schichten 2 weisen jeweils eine Schichtdicke zwischen 10 - 40 µm auf. Die beiden äußeren Schichten 4 sind aus einem Edelstahl geformt. Die anderen, inneren Schichten 2 sind aus einem von Edelstahl abweichenden Material gebildet, beispielsweise aus einem Kohlenstoffstahl. Der Verbundwerkstoff 3 besitzt eine Dicke zwischen 50 bis 150 µm, bevorzugt zwischen 75 bis 100 µm.The figure shows a bipolar plate 1 for a fuel cell, which is formed from a composite material 3 with a plurality of layers 2 of different materials. The total of four layers 2 each have a layer thickness of between 10-40 μm. The two outer layers 4 are formed from stainless steel. The other, inner layers 2 are made of a material other than stainless steel, for example carbon steel. The composite material 3 has a thickness of between 50 and 150 μm, preferably between 75 and 100 μm.

Durch die Kombination der verschiedenen Werkstoffe können die Kosten für eine Bipolarplatte 1 deutlich reduziert werden. Die äußeren Schichten 4 erfüllen die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, die Schichten 2 darunter dienen der Steifigkeit. Ein solcher Verbundwerkstoff realisiert so ein deutliches Potential an Kostenreduzierung.By combining the different materials, the costs for a bipolar plate 1 can be significantly reduced. The outer layers 4 meet the requirements for corrosion resistance, the layers 2 underneath are used for rigidity. Such a composite material thus realizes a significant potential for cost reduction.

In der 2 ist ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bipolarplatten 1 für eine Brennstoffzelle, wie sie aus der 1 bekannt sind, gezeigt, was nachfolgend näher erläutert wird.In the 2 is a manufacturing process for the production of bipolar plates 1 for a fuel cell, as from 1 are known, shown, which is explained in more detail below.

Zunächst erfolgt die Bereitstellung einer Mehrzahl von Schichten 2 voneinander verschiedener Materialen, wobei die beiden äußeren Schichten 4 sind aus einem Edelstahl geformt sind. Aus diesen Schichten 2 wird ein Verbundwerkstoff 3 gebildet. Hierzu erfolgt also eine schichtweise Anordnung der einzelnen Schichten 2 übereinander zur Ausbildung eines Verbundwerkstoffs 3.First, a plurality of layers 2 of different materials are provided, with the two outer layers 4 being formed from stainless steel. A composite material 3 is formed from these layers 2 . For this purpose, the individual layers 2 are arranged in layers one above the other to form a composite material 3.

In der Umformstufe 5 des Fertigungsprozesses erfolgt dann die Umformung des Verbundwerkstoffs 3 mittels Stanzen oder Walzen. Die Trennebenen zwischen den Schichten 2 erlauben eine Materialverschiebung mit geringer Reibung. Dieser vereinfachter Materialfluss in den Zwischenebenen des Verbundwerkstoffs 3 reduziert die Gesamtverformung und erhöht die Genauigkeit, beispielsweise beim Prägen, insbesondere bei sehr dünnen Schichten.In the forming stage 5 of the manufacturing process, the composite material 3 is then formed by stamping or rolling. The parting planes between the layers 2 allow material displacement with low friction. This simplified flow of material in the intermediate planes of the composite material 3 reduces the overall deformation and increases accuracy, for example when embossing, particularly in the case of very thin layers.

Über eine Geschwindigkeitsausgleichsstufe 6 und eine erste Reinigungsstufe 7 wird der umgeformte Verbundwerkstoff 3 dann der Fügestufe 8 zugeführt, wo die einzelnen Schichten 2 des Verbundwerkstoffs mittels Widerstandschweißen gegeneinander fixiert werden.The formed composite material 3 is then fed via a speed compensation stage 6 and a first cleaning stage 7 to the joining stage 8, where the individual layers 2 of the composite material are fixed to one another by means of resistance welding.

Es folgt eine weitere Reinigungsstufe 9, eine Beschichtungsstufe 10 sowie eine Trennstufe 11, bevor die fertige Bipolarplatte 1 den Fertigungsprozess verlässt.A further cleaning stage 9 follows, a coating stage 10 and a separation stage 11 before the finished bipolar plate 1 leaves the manufacturing process.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.The invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The foregoing description is therefore not to be considered as limiting but as illustrative. The following patent claims are to be understood in such a way that a mentioned feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of other features. If the patent claims and the above description define 'first' and 'second' feature, this designation serves to distinguish between two similar features without establishing a ranking.

BezugszeichenlisteReference List

11: Bipolarplattebipolar plate
22: Schichtenlayers
33: Verbundwerkstoffcomposite
44: Schichtlayer
55: Umformstufe/ Stanze, WalzeForming stage/ stamping, roller
66: GeschwindigkeitsausgleichsstufeSpeed Compensation Level
77: Reinigungsstufecleaning level
88th: Fügestufe/ WiderstandsschweißenJoining stage/ resistance welding
99: Reinigungsstufecleaning level
1010: Beschichtungsstufecoating stage
1111: Trennstufeseparation stage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102014223735 A1 [0005]

Claims

Bipolar plate (1) for a fuel cell, which is formed from a composite material (3) with a plurality of layers (2) of different materials, characterized in that the layers (2) each have a layer thickness of between 10 - 40 µm, and at least one of the outer layers (4) of the composite material (3) is formed from a stainless steel, while at least one of the other layers (2) is formed from a material other than stainless steel.

Bipolar plate (1) after claim 1 , characterized in that the two outer layers (4) are formed from a stainless steel.

Bipolar plate (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the non-stainless steel formed layers (4) are formed from a carbon steel.

Bipolar plate (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the composite material (3) has at least three layers (2).

Bipolar plate (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the composite material (3) has a thickness of between 50 and 150 µm, preferably between 75 and 100 µm.

Manufacturing processes for the production of bipolar plates (1) for a fuel cell include the following steps: a) providing a plurality of layers (2) of different materials, b) layered arrangement of the individual layers (2) one above the other to form a composite material (3), c) forming of the composite material (3), d) fixation of the individual layers (2) of the composite material (3)

manufacturing process claim 6 , characterized in that the individual layers (2) of the composite material (3) are fixed by means of resistance welding.