DE102022102192A1 - BIPOLAR PLATE FOR A FUEL CELL - Google Patents

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Ann-Kathrin Henss
Martin SCHLOFFER
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (4) für eine Brennstoffzelle (3), mit einem Plattenkern (20) und einer metallische Grundschicht (25.1), die auf dem Plattenkern (20) angeordnet ist und diesen bedeckt, wobei der Plattenkern (20) aus einem Aluminiummaterial vorgesehen ist, und wobei die metallische Grundschicht eine Dicke von mindestens 2 µm hat.The present invention relates to a bipolar plate (4) for a fuel cell (3), with a plate core (20) and a metallic base layer (25.1) which is arranged on the plate core (20) and covers it, the plate core (20) consisting of an aluminum material, and wherein the metallic base layer has a thickness of at least 2 µm.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.The present invention relates to a bipolar plate for a fuel cell.

Stand der TechnikState of the art

Eine Bipolarplatte kann mit einer Brennstoffzelle zusammengesetzt werden und diese im Betrieb bspw. mit einem Reaktionsgas und/oder einem Kühlfluid versorgen. Die Herstellung einer solchen Bipolarplatte mit integrierter Kanalstruktur kann bspw. durch einen Materialabtrag erfolgen, in der Regel durch Fräsen aus einem Vollmaterial. In einem sog. Stack, also einem Brennstoffzellenstapel, kann die Bipolarplatte zwischen zwei Brennstoffzellen angeordnet sein, es können insbesondere eine Mehr- bzw. Vielzahl Brennstoffzellen und Bipolarplatten jeweils abwechselnd aufeinander folgend angeordnet sein. Über die Anzahl der somit in Reihe geschalteten Brennstoffzellen lässt sich die Leistung bzw. Spannung des Stapels auf die Anwendung anpassen.A bipolar plate can be assembled with a fuel cell and supply it with a reaction gas and/or a cooling fluid during operation, for example. Such a bipolar plate with an integrated channel structure can be produced, for example, by removing material, usually by milling from a solid material. In a so-called stack, ie a fuel cell stack, the bipolar plate can be arranged between two fuel cells; in particular, a plurality of fuel cells and bipolar plates can be arranged in alternating succession. The power or voltage of the stack can be adapted to the application via the number of fuel cells connected in series.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle anzugeben.The present invention is based on the technical problem of specifying an advantageous bipolar plate for a fuel cell.

Dies wird erfindungsgemäß mit der Bipolarplatte nach Anspruch 1 gelöst. Diese weist einen Plattenkern mit einer metallischen Grundschicht auf, die den Plattenkern bedeckt. Der Plattenkern ist aus einem Aluminiummaterial vorgesehen, das bereits an sich aufgrund der vergleichsweise geringen Dichte eine gewichtsoptimierte Bauweise ermöglichen kann. Zudem lässt sich das Aluminiummaterial auch noch bei relativ kleinen Schicht- bzw. Foliendicken handhaben, was das Gewicht der Bipolarplatte weiter reduzieren kann.According to the invention, this is achieved with the bipolar plate according to claim 1 . This has a disk core with a metallic base layer that covers the disk core. The core of the plate is made of an aluminum material, which in itself can enable a weight-optimized construction due to its comparatively low density. In addition, the aluminum material can also be handled with relatively small layer or foil thicknesses, which can further reduce the weight of the bipolar plate.

In Kontakt mit dem bzw. den Reaktionsgas/-gasen, bzw. auch in Kontakt mit Wasser, könnten aus dem Aluminiummaterial jedoch Aluminium-Ionen abgegeben werden, die z. B. für die Brennstoffzelle schädlich sein können. Dem wird mit der Beschichtung des Plattenkerns vorgebeugt, die ferner ein Oxidationsrisiko des Aluminiummaterials verringern kann. Die Ausbildung einer nicht leitfähigen Aluminiumoxidschicht an der Oberfläche des Plattenkerns würde nämlich Kontaktwiderstände und infolgedessen eine Verlustleistung in der Brennstoffzelle erhöhen. Bevorzugt bedeckt die metallische Grundschicht den Plattenkern vollständig, also seine beiden einander abgewandten Seitenflächen jeweils komplett.However, aluminum ions could be released from the aluminum material in contact with the reaction gas(es), or also in contact with water. B. can be harmful to the fuel cell. This is prevented by the coating of the plate core, which can also reduce the risk of oxidation of the aluminum material. The formation of a non-conductive aluminum oxide layer on the surface of the plate core would namely increase contact resistance and consequently power loss in the fuel cell. The metallic base layer preferably covers the plate core completely, that is to say completely in each case on its two side surfaces facing away from one another.

Unabhängig von bzw. zusätzlich zu der Korrosionsschutzfunktion wird die metallische Grundschicht mit einer Mindestdicke von 2 µm vorgesehen, wobei weitere Untergrenzen bspw. bei mindestens 3 µm, 4 µm bzw. 5 µm liegen können. Eine vorteilhafte und bevorzugte Obergrenze kann bspw. bei 20 µm liegen. Auch wenn mit der relativ dicken Schicht ggf. der Materialverbrauch für die Grundschicht höher ist, als es allein zu Korrosionsschutzzwecken erforderlich wäre, kann dies in der Gesamtschau Vorteile ergeben. Die vergleichsweise dick gefasste Grundschicht kann nämlich den Plattenkern stabilisieren, ihm also eine strukturelle Stabilität verleihen, sodass der Plattenkern dünner gefasst werden kann.Independently of or in addition to the anti-corrosion function, the metallic base layer is provided with a minimum thickness of 2 μm, with further lower limits being at least 3 μm, 4 μm or 5 μm, for example. An advantageous and preferred upper limit can be 20 μm, for example. Even if, with the relatively thick layer, the material consumption for the base layer is possibly higher than would be necessary for corrosion protection purposes alone, this can result in advantages overall. The base layer, which is comparatively thick, can stabilize the panel core, i.e. give it structural stability, so that the panel core can be made thinner.

In der Gesamtschau wird so mit dem Aluminium-Plattenkern ein gewichtsoptimierter Aufbau möglich, was mit Blick auf Mobilitätsanwendungen von besonderem Interesse sein kann. Dort werden einerseits große Leistungen abgerufen, können also bspw. großflächige Bipolarplatten bzw. kann eine große Anzahl Bipolarplatten zum Einsatz kommen, sodass deren Gewicht eine besondere Bedeutung zukommt. Andererseits kann ein erhöhtes Gewicht speziell bei den Mobilitätsanwendungen nachteilig sein, weil es den Energieverbrauch erhöhen kann.Overall, a weight-optimized structure is possible with the aluminum plate core, which can be of particular interest with a view to mobility applications. On the one hand, high levels of performance are called up there, e.g. large-area bipolar plates or a large number of bipolar plates can be used, so that their weight is of particular importance. On the other hand, increased weight can be disadvantageous, especially in mobility applications, because it can increase energy consumption.

Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. eine in bestimmter Weise hergestellte Bipolarplatte beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung des entsprechenden Herstellungsverfahrens zu verstehen, und umgekehrt. Ferner bezieht sich die Beschreibung einer bestimmten Bipolarplatte stets auch auf eine Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Bipolarplatte.Preferred configurations can be found in the dependent claims and the entire disclosure, with the presentation of the features not always making a distinction between device and method or application aspects; at least implicitly, the disclosure is to be read with regard to all categories of claims. If, for example, a bipolar plate manufactured in a specific way is described, this is also to be understood as a disclosure of the corresponding manufacturing process, and vice versa. Furthermore, the description of a specific bipolar plate always also refers to a fuel cell or a fuel cell stack with such a bipolar plate.

Die metallische Grundschicht grenzt bevorzugt direkt an den Plattenkern. Unabhängig davon enthält sie vorzugsweise zumindest anteilig Titan, besonders bevorzugt kann sie im Wesentlichen aus Titan bestehen, bspw. zu 99,9 Gew.-%.The metallic base layer preferably borders directly on the panel core. Irrespective of this, it preferably contains at least a proportion of titanium, particularly preferably it can essentially consist of titanium, for example 99.9% by weight.

Das „Aluminiummaterial“ muss im Allgemeinen kein reines Aluminium sein, es ist bspw. auch eine Legierung möglich. Bevorzugt ist aber ein zumindest überwiegender Aluminiumanteil (mindestens 50 Gew -%), wobei mindestens 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-%, 90 Gew.-% bzw. 95 Gew.-% in der Reihenfolge der Nennung zunehmend weiter bevorzugt sind. Es kann auch weitgehend reines Aluminium vorgesehen sein, bspw. mit einem Aluminiumanteil von rund 99,98 Gew.-%.The "aluminum material" does not generally have to be pure aluminium, for example an alloy is also possible. However, an at least predominant proportion of aluminum (at least 50% by weight) is preferred, with at least 60% by weight, 70% by weight, 80% by weight, 90% by weight or 95% by weight being in that order the mention are increasingly more preferred. Largely pure aluminum can also be provided, for example with an aluminum content of around 99.98% by weight.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Plattenkern eine Dicke von höchstens 100 µm, weiter und besonders bevorzugt höchstens 80 µm bzw. 70 µm. Mit dem Aluminiummaterial, das z. B. in Form einer Folie vorgesehen wird, können auch Dicken kleiner 70 µm zugänglich sein (bspw. von höchstens 65 µm bzw. 60 µm), anders als z. B. bei der Verwendung einer Titanfolie (die zudem auch eine höhere Dichte hätte). Mit Blick auf die Herstell- und Handhabbarkeit kann eine mögliche Untergrenze der Plattenkerndicke bspw. bei mindestens 30 µm liegen.According to a preferred embodiment, the plate core has a thickness of at most 100 μm, further and particularly preferably at most 80 μm or 70 μm. With the aluminum material z. B. is provided in the form of a film, thicknesses less than 70 microns can be accessible (e.g. of at most 65 microns or 60 microns), unlike z. B. when using a titanium foil (which would also have a higher density). With regard to manufacturability and handling, a possible lower limit for the panel core thickness can be at least 30 µm, for example.

Wie vorstehend erwähnt, bildet die Bipolarplatte bevorzugt an ihren beiden einander abgewandten Seitenflächen jeweils eine Kanalstruktur, die im Betrieb der Brennstoffzelle bzw. des Stapels von Reaktionsgas(en) und/oder Kühlfluid durchströmt wird und/oder dem Abführen von Wasser dient. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Kanalstruktur in den Plattenkern eingeprägt, es kann insbesondere die Kanalstruktur auf einer Seite der Bipolarplatte komplementär zur Kanalstruktur auf der anderen Seite sein, also eine Erhebung auf der einen mit einer Vertiefung auf der anderen Seite korrespondieren, und umgekehrt. Zur Herstellung kann das Aluminiummaterial bspw. in Form einer Folie vorgesehen und kann die Kanalstruktur dann unter Druck mit einem Umformwerkzeug eingebracht werden, sodass die Kanalstruktur als Relief gebildet wird. Die Grundschicht wird dann bevorzugt erst danach aufgebracht, auf den zuvor umgeformten Plattenkern.As mentioned above, the bipolar plate preferably forms a channel structure on each of its two opposite side faces, through which reaction gas(es) and/or cooling fluid flows during operation of the fuel cell or stack and/or serves to remove water. In a preferred embodiment, the channel structure is embossed in the plate core; in particular, the channel structure on one side of the bipolar plate can be complementary to the channel structure on the other side, i.e. an elevation on one side can correspond to a depression on the other side, and vice versa. For production, the aluminum material can be provided, for example, in the form of a foil and the channel structure can then be introduced under pressure with a forming tool, so that the channel structure is formed as a relief. The base layer is then preferably only applied afterwards, to the previously shaped panel core.

Die Grundschicht ist in bevorzugter Ausgestaltung Teil eines Mehrschichtsystems, das aus mindestens zwei Schichten aufgebaut ist. Die Schichten werden sequenziell aufgebracht bzw. abgeschieden, sie können sich bspw. in ihrem Material bzw. ihrer Materialzusammensetzung unterscheiden. Zusätzlich zu der Versiegelungsfunktion kann das Mehrschichtsystem bspw. auch aufgrund der mechanischen Eigenschaften von Vorteil sein, etwa im Vergleich zu einer Einzelschicht eine höhere mechanische Stabilität bieten und damit auch den relativ dünnen Plattenkern stabilisieren.In a preferred embodiment, the base layer is part of a multi-layer system that is made up of at least two layers. The layers are applied or deposited sequentially; they can differ, for example, in their material or their material composition. In addition to the sealing function, the multi-layer system can also be advantageous due to the mechanical properties, for example, compared to a single layer, it can offer greater mechanical stability and thus also stabilize the relatively thin panel core.

In bevorzugter Ausgestaltung weist das Mehrschichtsystem bzw. die Beschichtung eine nitridische Mittelschicht auf, die auf der metallischen Grundschicht angeordnet ist. Generell muss im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein „Angeordnet-Sein auf nicht zwingend ein Angrenzen implizieren, kann es also dazwischen auch noch eine weitere Schicht geben. Bevorzugt ist jedoch ein Angrenzen, wird also bspw. die Mittelschicht direkt auf die metallische Grundschicht aufgebracht. Die nitridische Mittelschicht kann bspw. vergleichsweise hart sein, also z. B. eine mechanische Stabilisierung schaffen, und/oder auch der Haftvermittlung bzw. dem Korrosionsschutz dienen. Die Schichtfolge metallisch/nitridisch kann in dem Mehrschichtsystem auch mehrfach, also in wiederholter Abfolge vorgesehen sein. Generell kann als nitridisches Material Titannitrid bevorzugt sein, besonders bevorzugt in Kombination mit einer Titan-Grundschicht.In a preferred embodiment, the multi-layer system or the coating has a nitridic middle layer, which is arranged on the metallic base layer. In general, within the scope of the present disclosure, being “arranged on” does not necessarily imply adjoining, so there can also be another layer in between. Adjacent is preferred, however, ie the middle layer is applied directly to the metallic base layer, for example. The nitridic middle layer can, for example, be comparatively hard, e.g. B. create a mechanical stabilization, and / or serve to promote adhesion or corrosion protection. The metallic/nitridic layer sequence can also be provided multiple times in the multilayer system, that is to say in a repeated sequence. In general, titanium nitride can be preferred as the nitridic material, particularly preferred in combination with a titanium base layer.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Mehrschichtsystem bzw. die Beschichtung eine Deckschicht auf, die eine Leitfähigkeit von mindestens 1 · 106 S/m hat. Bevorzugt kann die Deckschicht aus Kohlenstoff vorgesehen sein, insbesondere zur Erhöhung der Leitfähigkeit dotiertem Kohlenstoff.According to a preferred embodiment, the multilayer system or the coating has a top layer which has a conductivity of at least 1×10 6 S/m. The cover layer can preferably be made of carbon, in particular carbon that is doped to increase the conductivity.

Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit einer vorliegend offenbarten Bipolarplatte. Die Brennstoffzelle kann bspw. eine Katalysatorbeschichtete Membranlage (catalyst coated membrane, CCM) aufweisen, die im Betrieb bspw. Wasser- und Sauerstoff trennt und zugleich die Protonen von der Anode zur Kathode transportiert. Ferner kann die Brennstoffzelle eine Gasdiffusionslage, insbesondere beidseits der katalysatorbeschichteten Membranlage jeweils eine Gasdiffusionslage aufweisen. Diese kann bzw. können einerseits das Reaktionsgas an die Elektrode der katalysatorbeschichteten Membranlage verteilen und andererseits den Strom von dort abführen (und bspw. auch Wasser und Wärme).The invention also relates to a fuel cell or a fuel cell stack with a bipolar plate disclosed in the present case. The fuel cell can, for example, have a catalyst-coated membrane layer (CCM), which separates, for example, hydrogen and oxygen during operation and at the same time transports the protons from the anode to the cathode. Furthermore, the fuel cell can have a gas diffusion layer, in particular a gas diffusion layer on both sides of the catalyst-coated membrane layer. This can, on the one hand, distribute the reaction gas to the electrode of the catalyst-coated membrane layer and, on the other hand, remove the current from there (and, for example, also water and heat).

Die Bipolarplatte grenzt dann an eine Seite der Brennstoffzelle, insbesondere an deren Gasdiffusionslage. Auch an der entgegengesetzten Seite der Brennstoffzelle kann eine Bipolarplatte angeordnet sein, eine jeweilige Bipolarplatte ist in dem Stapel also jeweils zwischen zwei Brennstoffzellen platziert.The bipolar plate then borders on one side of the fuel cell, in particular on its gas diffusion layer. A bipolar plate can also be arranged on the opposite side of the fuel cell, so a respective bipolar plate is placed in the stack between two fuel cells.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte bzw. einer Brennstoffzelle oder eines Stapels mit einer entsprechenden Bipolarplatte, wobei der Plattenkern mit der Grundschicht versehen, insbesondere beschichtet wird. Bevorzugt wird er zuvor hinsichtlich seines Außenumfangs in seine finale Form gebracht, wird er also bspw. vor dem Beschichten aus einer Folie ausgetrennt, z. B. ausgestanzt.The invention also relates to a method for producing a bipolar plate or a fuel cell or a stack with a corresponding bipolar plate, the plate core being provided with the base layer, in particular being coated. It is preferably brought into its final shape beforehand with regard to its outer circumference, i.e. it is, for example, separated from a film before coating, e.g. B. punched out.

In bevorzugter Ausgestaltung wird dem Plattenkern die Kanalstruktur vor dem Beschichten mit einem Umformwerkzeug eingeprägt. Es wird also bspw. mit einem Stempel, vorzugsweise in Verbindung mit einer komplementären Matrix an der entgegengesetzten Seite, ein die Kanalstruktur bildendes Relief in das Folienmaterial eingedrückt. Die unbeschichtete Folie kann z. B. einfacher umzuformen sein, und es kann auch einer Beschädigung der Beschichtung beim Umformen vorgebeugt werden.In a preferred embodiment, the channel structure is embossed into the plate core using a forming tool before coating. A relief forming the channel structure is thus pressed into the film material, for example with a stamp, preferably in conjunction with a complementary matrix on the opposite side. The uncoated film can, for. B. easier to form, and it can also damage the coating during forming can be prevented.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Plattenkern vor dem Aufbringen der Beschichtung gereinigt, vorzugsweise in einem Ätzprozess. Die Reinigung kann insbesondere nach dem Umformen, also zwischen dem Einprägen der Kanalstruktur und vor dem Aufbringen der Beschichtung vorgenommen werden. Bevorzugt ist ein Ionen-Ätzprozess, bspw. ein Ätzen mit Titan-Ionen. Auch unabhängig von der vorherigen Reinigung erfolgt die Beschichtung in bevorzugter Ausgestaltung durch Physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD), bspw. in einem Arc- oder Sputter-PVD-Prozess.According to a preferred embodiment, the plate core is cleaned before the coating is applied, preferably in an etching process. The cleaning can be carried out in particular after the forming, ie between the embossing of the channel structure and before the application of the coating. An ion etching process, for example etching with titanium ions, is preferred. In a preferred embodiment, the coating is also carried out independently of the previous cleaning by physical gas phase deposition (physical vapor deposition, PVD), for example in an arc or sputter PVD process.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Brennstoffzelle bzw. des Stapels mit einer vorliegend offenbarten Bipolarplatte in einer Antriebseinheit eines Flugzeugs oder Nutzfahrzeugs. Bei diesen Mobilitätsanwendungen können die Vorteile der gewichtsoptimierten Bauweise im Besonderen zum Tragen kommen.The invention also relates to the use of a fuel cell or the stack with a bipolar plate disclosed here in a drive unit of an aircraft or commercial vehicle. In these mobility applications, the advantages of the weight-optimized design can particularly come into play.

Figurenlistecharacter list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment, with the individual features within the framework of the independent claims also being able to be essential to the invention in a different combination and no distinction being made in detail between the different claim categories.

Im Einzelnen zeigt

  • 1 einen Stack mit mehreren aneinandergesetzten Brennstoffzellen und jeweils einer Bipolarplatte dazwischen;
  • 2 einen schematischen Detailschnitt durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte.
In detail shows
  • 1 a stack with several fuel cells put together and a bipolar plate in between;
  • 2 a schematic detail section through a bipolar plate according to the invention.

Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention

1 zeigt einen Teil eines Brennstoffzellenstapels 1, der aus mehreren in einer Stapelrichtung 2 aneinandergesetzten Brennstoffzellen 3 aufgebaut ist. Die Brennstoffzellen 3 weisen jeweils eine katalysatorbeschichtete Membranlage mit beidseits davon angeordneten Gasdiffusionslagen auf, wobei dieser Detailaufbau der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Zwischen zwei Brennstoffzellen 3 ist jeweils eine Bipolarplatte 4 angeordnet, die an ihren beiden einander entgegengesetzten Seiten 4.1, 4.2 jeweils eine Kanalstruktur 5.1, 5.2 zur Versorgung der Brennstoffzelle bzw. - zellen 3 mit dem Reaktionsgas bildet, also für den Verbrennungsprozess von Gas durchströmt wird, im vorliegenden Beispiel von Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft. 1 1 shows part of a fuel cell stack 1 which is constructed from a plurality of fuel cells 3 placed next to one another in a stacking direction 2 . The fuel cells 3 each have a catalyst-coated membrane layer with gas diffusion layers arranged on both sides thereof, this detailed structure not being shown for the sake of clarity. A bipolar plate 4 is arranged between two fuel cells 3, which forms a channel structure 5.1, 5.2 on its two opposite sides 4.1, 4.2 for supplying the fuel cell or cells 3 with the reaction gas, i.e. gas flows through it for the combustion process. in the present example of hydrogen and oxygen or air.

Endseitig werden die gestapelten Brennstoffzellen 4 von einer Monopolarplatte 6 und einer Stromabnehmerplatte 7 eingefasst, den mechanischen Zusammenhalt schafft eine Abdeckplatte 8. Diese wird von Zugankern 9 durchsetzt, damit wird die Abdeckplatte 8 unter Zug gegen die gestapelten Brennstoffzellen 3 verspannt. Am entgegengesetzten Ende (hier nicht dargestellt) ist der Stapel 1 analog aufgebaut, sind also eine Monopolarplatte, eine Stromabnehmerplatte und eine mit den Zugankern 9 verspannte Abdeckplatte angeordnet.At the ends, the stacked fuel cells 4 are surrounded by a monopolar plate 6 and a current collector plate 7, the mechanical cohesion is created by a cover plate 8. This is penetrated by tie rods 9, so that the cover plate 8 is clamped against the stacked fuel cells 3 under tension. At the opposite end (not shown here), the stack 1 is constructed analogously, ie a monopolar plate, a current collector plate and a cover plate braced with the tie rods 9 are arranged.

2 zeigt einen Detailschnitt durch eine Bipolarplatte 4. Diese weist einen Plattenkern 20 auf, der an beiden Seiten 20.1, 20.2 jeweils mit einer Beschichtung 21 versehen ist. Der Plattenkern 20 ist aus einer Aluminiumfolie gebildet (Aluminiumanteil von ca. 99,98 Gew.-%), die im vorliegenden Beispiel eine Dicke 22 von ca. 50 µm hat. Die Beschichtung 21 ist jeweils in Form eines Mehrschichtsystems 25 aufgebracht, beginnend mit einer metallischen Grundschicht 25.1, die vorliegend aus Titan vorgesehen ist (zu ca. 99,9 Gew.-%) und eine Dicke von rund 10 µm hat. 2 shows a detailed section through a bipolar plate 4. This has a plate core 20 which is provided with a coating 21 on both sides 20.1, 20.2. The plate core 20 is formed from an aluminum foil (aluminum content of approximately 99.98% by weight), which in the present example has a thickness 22 of approximately 50 μm. The coating 21 is applied in each case in the form of a multi-layer system 25, beginning with a metallic base layer 25.1, which is made of titanium in the present case (approximately 99.9% by weight) and has a thickness of around 10 μm.

Darauf ist eine nitridische Mittelschicht 25.2 angeordnet, hier aus Titannitrid, die mechanisch stabil ist und eine gute Sperrwirkung hat. Auf der Mittelschicht 25.2 ist optional eine Deckschicht 25.3 vorgesehen, die aus zur Erhöhung der Leitfähigkeit dotiertem Kohlenstoff gebildet werden kann. Wie in der Beschreibungseinleitung im Detail erläutert, lässt sich mit dem Plattenkern 20 aus Aluminium ein gewichtsoptimierter Aufbau realisieren, wobei die Beschichtung 21 einem Aluminiumeintrag in die Zellen bzw. einer Oxidation/Passivierung des Aluminiums vorbeugt.A nitridic middle layer 25.2 is arranged thereon, here made of titanium nitride, which is mechanically stable and has a good barrier effect. A cover layer 25.3 is optionally provided on the middle layer 25.2, which can be formed from carbon doped to increase the conductivity. As explained in detail in the introduction to the description, a weight-optimized structure can be realized with the plate core 20 made of aluminum, with the coating 21 preventing aluminum from entering the cells or oxidation/passivation of the aluminum.

BezugszeichenlisteReference List

11
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
22
Stapelrichtungstacking direction
33
Brennstoffzelle(n)fuel cell(s)
44
Bipolarplatte(n)bipolar plate(s)
4.1, 4.24.1, 4.2
Entgegengesetzte SeitenOpposite sides
5.1, 5.25.1, 5.2
Kanalstrukturchannel structure
66
Monopolarplattemonopolar plate
77
Stromabnehmerplattepantograph plate
88th
Abdeckplattecover plate
99
Zugankertie rod
2020
Plattenkerndisk core
20.1, 20.220.1, 20.2
Entgegengesetzte SeitenOpposite sides
2121
Beschichtungcoating
2222
Dickethickness
2525
Mehrschichtsystemmulti-layer system
25.125.1
Metallische GrundschichtMetallic base layer
25.225.2
Nitridische MittelschichtNitridic middle layer
25.325.3
Deckschichttop layer

Claims (15)

Bipolarplatte (4) für eine Brennstoffzelle (3), mit einem Plattenkern (20) und einer metallische Grundschicht (25.1), die auf dem Plattenkern (20) angeordnet ist und diesen bedeckt, wobei der Plattenkern (20) aus einem Aluminiummaterial vorgesehen ist, und wobei die metallische Grundschicht eine Dicke von mindestens 2 µm hat.Bipolar plate (4) for a fuel cell (3), with a disk core (20) and a metallic base layer (25.1), which is arranged on the panel core (20) and covers it, wherein the plate core (20) is provided from an aluminum material, and wherein the metallic base layer has a thickness of at least 2 µm. Bipolarplatte (4) nach Anspruch 1, bei welcher die Dicke der metallischen Grundschicht höchstens 20 µm beträgt.bipolar plate (4) after claim 1 , in which the thickness of the metallic base layer is at most 20 µm. Bipolarplatte (4) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Plattenkern (20) eine Dicke (22) von höchstens 100 µm hat.bipolar plate (4) after claim 1 or 2 , in which the plate core (20) has a thickness (22) of at most 100 microns. Bipolarplatte (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Plattenkern (20) an seinen beiden einander abgewandten Seitenflächen (20.1, 20.2) jeweils eine Kanalstruktur (5.1, 5.2) bildet, die in den Plattenkern (20) eingeprägt ist.Bipolar plate (4) according to one of the preceding claims, in which the plate core (20) forms a channel structure (5.1, 5.2) on each of its two opposite side faces (20.1, 20.2) which is embossed in the plate core (20). Bipolarplatte (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die metallische Grundschicht (25.1) Teil eines Mehrschichtsystems (25) ist.Bipolar plate (4) according to one of the preceding claims, in which the metallic base layer (25.1) is part of a multi-layer system (25). Bipolarplatte (4) nach Anspruch 5, bei welcher das Mehrschichtsystem (25) eine nitridische Mittelschicht (25.2) aufweist, die auf der metallischen Grundschicht (25.1) angeordnet ist.bipolar plate (4) after claim 5 , in which the multi-layer system (25) has a nitridic middle layer (25.2) which is arranged on the metallic base layer (25.1). Bipolarplatte (4) nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher das Mehrschichtsystem (25) eine Deckschicht (25.3) aufweist, die eine Leitfähigkeit von mindestens 1 · 106 S/m hat.bipolar plate (4) after claim 5 or 6 , in which the multi-layer system (25) has a cover layer (25.3) which has a conductivity of at least 1 × 10 6 S/m. Bipolarplatte (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die metallische Grundschicht (25.1), und falls vorhanden die nitridische Mittelschicht (25.2), Titan aufweist.Bipolar plate (4) according to one of the preceding claims, in which the metallic base layer (25.1) and, if present, the nitridic middle layer (25.2) contain titanium. Brennstoffzelle (3) mit einer Bipolarplatte (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche.Fuel cell (3) with a bipolar plate (4) according to one of the preceding claims. Brennstoffzellenstapel (1) mit mehreren Brennstoffzellen (3) nach Anspruch 9, die in einer Stapelrichtung (2) aufeinanderfolgend angeordnet sind.Fuel cell stack (1) with a plurality of fuel cells (3). claim 9 , which are arranged consecutively in a stacking direction (2). Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, einer Brennstoffzelle (3) nach Anspruch 9 oder eines Brennstoffzellenstapels (1) nach Anspruch 10, bei welchem - die metallische Grundschicht (25.1) auf den Plattenkern (20) aufgebracht wird.Method for producing a bipolar plate (4) according to one of Claims 1 until 8th , A fuel cell (3) after claim 9 or a fuel cell stack (1). claim 10 , in which - the metallic base layer (25.1) is applied to the panel core (20). Verfahren nach Anspruch 11 zum Herstellen einer Bipolarplatte (4) nach Anspruch 4, bei welchem vor dem Aufbringen der metallischen Grundschicht (25.1) - der Plattenkern (20) mit einem Umformwerkzeug umgeformt, also die Kanalstruktur (5.1, 5.2) in den Plattenkern (20) eingeprägt wird.procedure after claim 11 for producing a bipolar plate (4). claim 4 , in which before the metallic base layer (25.1) is applied - the plate core (20) is reshaped with a forming tool, ie the channel structure (5.1, 5.2) is embossed in the plate core (20). Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem der Plattenkern (20) vor dem Aufbringen der metallischen Grundschicht (25.1) in einem Ätzprozess gereinigt wird.procedure after claim 11 or 12 , in which the plate core (20) is cleaned in an etching process before the metallic base layer (25.1) is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei welchem metallische Grundschicht (25.1) durch Physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.Procedure according to one of Claims 11 until 13 , in which metallic base layer (25.1) is applied by physical vapor deposition. Verwendung einer Brennstoffzelle (3) nach Anspruch 9 oder eines Brennstoffzellenstapels (1) nach Anspruch 10 in einer Antriebseinheit eines Flugzeugs oder Nutzfahrzeugs.Use of a fuel cell (3) after claim 9 or a fuel cell stack (1). claim 10 in a propulsion unit of an aircraft or commercial vehicle.
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