DE102021213732A1

DE102021213732A1 - Brennstoffzelle sowie Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102021213732A1
Application number: DE102021213732.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Hendrik Ohs; Robert Landvogt; Andreas Ringk; Andreas Gehrold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-12-02
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2023-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1), umfassend eine Membran (2), die beidseits zur Ausbildung von Katalysatorschichten (3) mit einem katalytischen Material beschichtet ist und beidseits jeweils von einer Gasdiffusionslage (5) sowie einem Metallblech (6) eingefasst ist, wobei die Metallbleche (6) der Ausbildung einer Monopolar- oder Bipolarplatte dienen und jeweils auf ihrer der Membran (2) zugewandten Seite mit einer Beschichtung (7) zur Senkung des Kontaktwiderstands und/oder zum Schutz vor Korrosion versehen sind. Erfindungsgemäß ist über die Beschichtungen (7) jeweils eine stoffschlüssige Verbindung der Gasdiffusionslagen (5) mit den Metallblechen (6) hergestellt.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, die Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser wandeln. Ein typischer Aufbau einer Brennstoffzelle ist beispielhaft in der 3 dargestellt.
Die in der 3 dargestellte Brennstoffzelle 1 weist als zentralen Bestandteil eine Membran 2 auf, die zur Ausbildung von Katalysatorschichten 3 beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist. Die Membran 2 und die Katalysatorschichten 3 bilden gemeinsam eine Membran-Elektroden-Anordnung 9 aus. Auf die Katalysatorschichten 3 folgen beidseits jeweils eine Gasdiffusionslage 5 sowie ein Metallblech 6 zur Ausbildung einer Monopolar- oder Bipolarplatte. Die beidseits angeordneten Metallbleche 6 bilden jeweils Kanäle 8 zum Einleiten des jeweiligen Reaktionsgases in die Brennstoffzelle 1 aus. Über die Kanäle 8 werden einer Anode 10 Wasserstoff (H₂) und einer Kathode 11 Luft als Sauerstofflieferant (O₂) zugeführt. Die Reaktionsgase diffundieren dann über die jeweilige Gasdiffusionslage 5 in die jeweilige Katalysatorschicht 3, in der die elektrochemische Reaktion abläuft.
Die Gasdiffusionslagen einer Brennstoffzelle besitzen unter anderem die Funktion, das jeweilige Reaktionsgas gleichmäßig über die gesamte aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung zu verteilen. In der Regel bestehen sie daher aus einem porösen Material, insbesondere Kohlenstoffmaterial, das beispielsweise als Papier oder Vlies vorliegen kann. Das an der Gasdiffusionslage anliegende Metallblech zur Ausbildung einer Monopolar- oder Bipolarplatte kann insbesondere aus Edelstahl oder Titan gefertigt sein.
Sofern ein Edelstahlblech zum Einsatz gelangt, muss dieses beschichtet werden. Denn Edelstahl bildet eine Oxidschicht aus, die eine schlechte elektrische Leitfähigkeit bzw. einen hohen Kontaktwiderstand aufweist. Da in einem Brennstoffzellenstapel die einzelnen Schichten bzw. Lagen einer Brennstoffzelle wiederkehrend in Reihe aufeinandergestapelt sind und der Strom senkrecht zur Katalysatorschicht über die Gasdiffusionslage in die Monopolar- bzw. Bipolarplatte hin zur nächsten Brennstoffzelle fließt, spielt der Kontaktwiderstand zwischen den Schichten bzw. Lagen eine signifikante Rolle. Ist der Kontaktwiderstand hoch, kommt es zu einem signifikanten Spannungsverlust mit der Folge, dass sich die Zellperformance verschlechtert. Ein zur Ausbildung einer Monopolar- oder Bipolarplatte vorgesehenes Edelstahlblech weist daher zumindest im Kontaktbereich mit der Gasdiffusionslage eine Beschichtung zur Senkung des Kontaktwiderstands auf. Zugleich ist das Edelstahlblech durch die Beschichtung vor Korrosion geschützt.
Insbesondere in mobilen Anwendungen von Brennstoffzellen kann es aufgrund von Vibrationen und/oder Kalt-Warm-Zyklen zu einer starken mechanischen Belastung im Kontaktbereich eines beschichteten Metallblechs mit einer Gasdiffusionslage kommen, so dass die Funktion der Beschichtung über die Lebensdauer der Brennstoffzelle beeinträchtigt wird und sich die Zellperformance verschlechtert.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Robustheit einer Brennstoffzelle zu steigern, so dass die vorstehend genannten Nachteilen über die Lebensdauer der Brennstoffzelle nicht auftreten oder zumindest verringert werden.
Zur Lösung der Aufgabe werden die Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgeschlagene Brennstoffzelle umfasst eine Membran, die beidseits zur Ausbildung von Katalysatorschichten mit einem katalytischen Material beschichtet und beidseits jeweils von einer Gasdiffusionslage sowie einem Metallblech eingefasst ist. Die Metallbleche dienen der Ausbildung einer Monopolar- oder Bipolarplatte und sind jeweils auf ihrer der Membran zugewandten Seite mit einer Beschichtung zur Senkung des Kontaktwiderstands und/oder zum Schutz vor Korrosion versehen. Erfindungsgemäß ist über die Beschichtungen jeweils eine stoffschlüssige Verbindung der Gasdiffusionslagen mit den Metallblechen hergestellt.
Durch die stoffschlüssige Verbindung der Gasdiffusionslagen mit den Metallblechen sinkt die mechanische Belastung der Brennstoffzelle im Bereich der auf den Metallblechen aufgebrachten Beschichtungen. Denn der Stoffschluss verhindert, dass es, beispielsweise aufgrund von Vibrationen, zu Relativbewegungen zwischen diesen Schichten kommt. Entsprechend steigt die Robustheit der auf den Metallblechen aufgebrachten Beschichtungen, so dass ihre Funktion über längere Zeit, vorzugsweise über die Lebensdauer der Brennstoffzelle, erhalten bleibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Gasdiffusionslagen Fasern auf, die zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zumindest teil- und/oder bereichsweise in den Beschichtungen der Metallbleche eingebettet sind. Über die eingebetteten Fasern werden die Gasdiffusionslagen jeweils in den Beschichtungen verankert, so dass eine hohe mechanische Integrität zwischen den Schichten erreicht wird.
Ferner bevorzugt bilden die Metallbleche jeweils auf ihrer der Membran zugewandten Seite Kanäle für das jeweilige Reaktionsgas aus. Über die Kanäle kann das jeweilige Reaktionsgas in die Brennstoffzelle, insbesondere in die jeweilige Gasdiffusionslage eingeleitet werden. Die auf der gleichen Seite aufgebrachte Beschichtung der Metallbleche kann dabei auf die Kanäle trennende Stegbereiche beschränkt sein, so dass die Gasdiffusionslagen im Bereich der Kanäle für das jeweilige Reaktionsgas offenbleiben. Zugleich wird Beschichtungsmaterial eingespart. Beispielsweise können die Metallbleche zur Ausbildung der Kanäle erst geprägt und anschließend beschichtet werden, so dass lediglich die Stegbereiche zwischen den Kanälen von der Beschichtung abgedeckt werden.
Vorteilhafterweise enthalten die Gasdiffusionslagen und/oder die Beschichtungen der Metallbleche ein Kohlenstoffmaterial. Mit Hilfe des Kohlenstoffmaterials kann der Kontaktwiderstand zwischen den Gasdiffusionslagen und den Metallblechen gesenkt werden. Ferner kann die Korrosion verlangsamt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Beschichtungen der Metallbleche ein elektrisch leitfähiges Bindermaterial enthalten. Mit der elektrischen Leitfähigkeit des Bindermaterials steigt zugleich die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung, so dass mit Hilfe dieser Beschichtung insbesondere eine Senkung des Kontaktwiderstands bewirkt werden kann.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, wobei die Brennstoffzelle eine Membran umfasst, die beidseits zur Ausbildung von Katalysatorschichten mit einem katalytischen Material beschichtet und beidseits jeweils von einer Gasdiffusionslage sowie einem Metallblech eingefasst ist. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Metallbleche, die der Ausbildung einer Monopolar- oder Bipolarplatte dienen, jeweils auf ihrer der Membran zugewandten Seite mit einer Beschichtung zur Senkung des Kontaktwiderstands und/oder zum Schutz vor Korrosion versehen. Erfindungsgemäß wird über die Beschichtungen jeweils eine stoffschlüssige Verbindung der Gasdiffusionslagen mit den Metallblechen hergestellt.
Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich somit insbesondere zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, bei der die Gasdiffusionslagen und die Metallbleche jeweils über eine auf den Metallblechen zur Senkung des Kontaktwiderstands und/oder zum Schutz vor Korrosion aufgebrachten Beschichtung stoffschlüssig verbunden sind. Die mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens hergestellte Brennstoffzelle weist demnach die gleichen Vorteile auf. Insbesondere kann durch die stoffschlüssige Verbindung die mechanische Belastung der auf den Metallblechen aufgebrachten Beschichtungen reduziert werden, so dass die Robustheit der Brennstoffzelle steigt. Insbesondere wird über die Beschichtungen der Kontaktwiderstand gesenkt und/oder ein Korrosionsschutz geschaffen. Zugleich verbessert sich das Alterungsverhalten der Brennstoffzelle.
Bevorzugt wird jeweils vor dem Aufbringen der Beschichtungen auf den Metallblechen eine auf den Metallblechen vorhandene Oxidschicht entfernt. Durch Entfernen der Oxidschicht kann der Kontaktwiderstand zwischen den Metallblechen und den anliegenden Gasdiffusionslagen (weiter) verringert werden.
Des Weiteren bevorzugt werden die Gasdiffusionslagen jeweils gleichzeitig mit den Beschichtungen auf die Metallbleche aufgebracht. Auf diese Weise ist das Eindringen der Gasdiffusionslagen, insbesondere von einzelnen Fasern der Gasdiffusionslagen, in die jeweilige Beschichtung sichergestellt, so dass über die eindringenden Fasern eine optimale Verankerung der Gasdiffusionslagen in den Beschichtungen erreicht wird.
Vorteilhafterweise werden zur Ausbildung der Beschichtungen ein Kohlenstoffmaterial und ein elektrisch leitfähiger Binder verwendet. Da Kohlenstoffmaterialien elektrisch leitfähig sind und eine hohe chemische Stabilität aufweisen, eignet sich ein Kohlenstoffmaterial besonders gut. Der elektrisch leitfähige Binder trägt ebenfalls zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Beschichtungen bei. Gleichzeitig sinkt der Kontaktwiderstand im Bereich der Beschichtungen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Bereich einer an einem Metallblech angrenzenden Gasdiffusionslage,
2 einen schematischen Querschnitt durch eine herkömmliche Brennstoffzelle im Bereich einer an einem Metallblech angrenzenden Gasdiffusionslage und
3 einen schematischen Querschnitt durch eine herkömmliche Brennstoffzelle.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der 3 wurde eingangs bereits der typische Aufbau einer herkömmlichen Brennstoffzelle 1 erläutert, so dass in Bezug auf die 3 auf die Beschreibungseinleitung verwiesen wird.
2 stellt einen vergrößerten Ausschnitt einer herkömmlichen Brennstoffzelle 1 im Bereich eines eine Monopolar- oder Bipolarplatte ausbildenden Metallblechs 6 sowie einer hieran angrenzenden Gasdiffusionslage 5 dar. Das Metallblech 6 bildet Kanäle 8 aus, die durch Stegbereiche 12 getrennt sind. Die Stegbereiche 12 sind mit einer Beschichtung 7 zur Senkung des Kontaktwiderstands des Metallblechs 6 und/oder zum Schutz des Metallblechs 6 vor Korrosion versehen. Die an das Metallblech 6 angrenzende Gasdiffusionslage 5 enthält Fasern 4, die der Gasdiffusionslage 5 eine vliesartige, poröse Struktur verleihen. Dadurch, dass die Gasdiffusionslage 5 in der 2 lediglich lose an dem beschichteten Metallblech 6 anliegt, kann sich die Gasdiffusionslage 5 relativ zum Metallblech 6 bewegen. Durch diese Bewegungen ist die Beschichtung 7 des Metallblechs 6 einer hohen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, so dass über die Zeit die Funktion der Beschichtung 7 beeinträchtigt wird.
Bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1, wie beispielhaft in der 1 dargestellt, ist über die Beschichtung 7 ein stoffschlüssiger Verbund zwischen der Gasdiffusionslage 5 und dem Metallblech 6 hergestellt. Wie der 1 zu entnehmen ist, sind die Fasern 4 der Gasdiffusionslage 5 zumindest teil- und/oder bereichsweise in die auf dem Metallblech 6 aufgebrachte Beschichtung 7 eingebettet, so dass ein fester Verbund zwischen der Gasdiffusionslage 5 und dem Metallblech 6 geschaffen wird, der Relativbewegungen verhindert. Dementsprechend sinkt die mechanische Belastung der Beschichtung 7, so dass ihre Funktion länger erhalten bleibt.

Claims

Brennstoffzelle (1), umfassend eine Membran (2), die beidseits zur Ausbildung von Katalysatorschichten (3) mit einem katalytischen Material beschichtet ist und beidseits jeweils von einer Gasdiffusionslage (5) sowie einem Metallblech (6) eingefasst ist, wobei die Metallbleche (6) der Ausbildung einer Monopolar- oder Bipolarplatte dienen und jeweils auf ihrer der Membran (2) zugewandten Seite mit einer Beschichtung (7) zur Senkung des Kontaktwiderstands und/oder zum Schutz vor Korrosion versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass über die Beschichtungen (7) jeweils eine stoffschlüssige Verbindung der Gasdiffusionslagen (5) mit den Metallblechen (6) hergestellt ist.
Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslagen (5) Fasern (4) aufweisen, die zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zumindest teil- und/oder bereichsweise in den Beschichtungen (7) der Metallbleche (6) eingebettet sind.
Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbleche (6) jeweils auf ihrer der Membran (2) zugewandten Seite Kanäle (8) für das jeweilige Reaktionsgas ausbilden, wobei vorzugsweise die Beschichtung (7) der Metallbleche (6) auf die Kanäle (8) trennende Stegbereiche (12) beschränkt ist.
Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslagen (5) und/oder die Beschichtungen (7) der Metallbleche (6) ein Kohlenstoffmaterial enthalten.
Brennstoffzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungen (7) der Metallbleche (6) ein elektrisch leitfähiges Bindermaterial enthalten.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (1), umfassend eine Membran (2), die beidseits zur Ausbildung von Katalysatorschichten (3) mit einem katalytischen Material beschichtet und beidseits jeweils von einer Gasdiffusionslage (5) sowie einem Metallblech (6) eingefasst ist, wobei die Metallbleche (6), die der Ausbildung einer Monopolar- oder Bipolarplatte dienen, jeweils auf ihrer der Membran (2) zugewandten Seite mit einer Beschichtung (7) zur Senkung des Kontaktwiderstands und/oder zum Schutz vor Korrosion versehen werden, dadurch gekennzeichnet, dass über die Beschichtungen (7) jeweils eine stoffschlüssige Verbindung der Gasdiffusionslagen (5) mit den Metallblechen (6) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils vor dem Aufbringen der Beschichtungen (7) auf den Metallblechen (6) eine auf den Metallblechen (6) vorhandene Oxidschicht entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslagen (5) jeweils gleichzeitig mit den Beschichtungen (7) auf die Metallbleche (6) aufgebracht werden, vorzugsweise in inerter Atmosphäre.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Beschichtungen (7) ein Kohlenstoffmaterial und ein elektrisch leitfähiger Binder verwendet werden.