DE102022203941A1 - Bipolarelement, insbesondere Bipolarplatte, und Herstellungsverfahren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bipolarelement (1) für eine Brennstoffzelle (10). Das Bipolarelement (1) umfasst eine als Bipolarplatte (2) fungierende Folie (3) aus einem Metall. Auf einer Oberseite oder/und auf einer Unterseite der Folie (3) ist eine Faserstruktur (6) angeordnet, welche Fasern (5) aus einem Metall umfasst. Bevorzugt besteht die Faserstruktur (6) aus den Fasern (5). Erfindungsgemäß sind die Fasern (5) der Faserstruktur (6) mittels einer Lötverbindung (8) stoffschlüssig mit der Folie (3) verbunden. Die Lötverbindung (8) erzeugt einen elektrisch hochleitfähigen metallischen Übergang zwischen der Folie und den Fasern der Faserstruktur. Auf diese Weise wiederum kann die Faserstruktur (5) bzw. Mikrofaserstruktur als Gasdiffusionslage fungieren. Erfindungsgemäß weisen die Fasern (5) der Faserstruktur (6) einen Faserdurchmesser von höchstens 10 µm auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bipolarelement für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzelle mit solchen Bipolarelementen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bipolarelements.
  • Bipolarelemente mit Bipolarplatte und Gasdiffusionslage dienen der elektrischen Verschaltung von Brennstoffzellen sowie der Zuführung und Verteilung von Reaktionsgasen und auch zur Trennung der Elektrodenräume der Brennstoffzellen.
  • Vor diesem Hintergrund offenbart die DE 10 2018 203 827 A1 eine Bipolarplatte mit Gewebeanordnung. Das Gewebe umfasst Drähte in makroskopischer Dimension.
  • Die DE 10 2018 204 602 A1 beschreibt eine Bipolarplatte mit Gasverteilungsstruktur. Zur Herstellung der Bipolarplatte wird eine Oberflächenstrukturierung der Bipolarplatte durch einen Sinterprozess erzeugt und eine Gasdiffusionslage aus einem Kohlenstoffvlies mechanisch angelegt.
  • Die WO 02/101859 A2 behandelt eine Bipolarplatte mit Draht- und Gewebestruktur, wobei die Drähte schweißtechnisch verbunden sind.
  • Herkömmliche Bipolarelemente bzw. Bipolarplatten sind oftmals durch Folien aus einem Metall gebildet, da sie leicht umgeformt und gefügt werden können.
  • Als nachteilig erweist sich dabei, dass solche Metallfolien schnell korrodieren und eine Passivschicht in Form einer Oxidschicht aufbauen, welche einen für die ordnungsgemäße Funktionsweise des Bipolarelements in einer Brennstoffzelle zwingend erforderlichen Elektronenübergang durch die Metallfolie in erheblichem Maße behindern können.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für ein Bipolarelement bereitzustellen, bei welcher oben genannter Nachteil der Ausbildung einer Passivschicht beseitigt ist. Weiterhin soll ein verbessertes Herstellungsverfahren zur Herstellung eines solchen Bipolarelements bzw. einer solchen Bipolarplatte geschaffen werden.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Grundidee der Erfindung ist demnach, zur Ausbildung eines Bipolarelements auf einer Metallfolie eine Mikrofaserstruktur mit Metallfasern anzuordnen, die einen Faserdurchmesser von höchstens 10 µm aufweisen und mittels einer Lötverbindung stoffschlüssig mit der Metallfolie verbunden sind. Auf diese Weise wird ein Bipolarelement mit einer Bipolarplatte - verwirklicht durch die Metallfolie - und mit einer Gasdiffusionslage - gebildet durch die Mikrofaserstruktur - geschaffen. Die metallische und somit elektrisch leitfähige Gasdiffusionslage ist dabei mittels besagter Lötverbindung elektrisch leitend mit der Metallfolie verbunden. Mittels der voranstehen erläuterten, erfindungsgemäßen Konfiguration wird eine optimale elektrische Leitfähigkeit erzielt und gleichzeitig eine ideale Verteilung der Reaktanden in einer Brennstoffzelle gewährleistet.
  • Im Einzelnen umfasst das erfindungsgemäße Bipolarelement für eine Brennstoffzelle eine als Bipolarplatte fungierende Folie aus einem Metall. Eine solche, vorzugsweise geprägte, Metallfolie erweist sich aus prozesstechnischen Gründen als vorteilhaft, insbesondere, wenn das Bipolarelement in großen Stückzahlen gefertigt werden soll. Auf einer Oberseite oder/und auf einer Unterseite der Folie ist eine Faserstruktur angeordnet, welche Fasern aus einem Metall umfasst. Bevorzugt kann die Faserstruktur aus den Fasern bestehen. Erfindungsgemäß sind die Fasern der Faserstruktur mittels einer Lötverbindung stoffschlüssig mit der Folie verbunden. Die Lötverbindung erzeugt einen elektrisch hochleitfähigen metallischen Übergang zwischen der Folie und den Fasern der Faserstruktur. Auf diese Weise wiederum kann die Faserstruktur bzw. Mikrofaserstruktur als Gasdiffusionslage fungieren. Korrosive Nebenreaktionen, die zur Ausbildung einer elektrisch isolierenden Oxidschicht zwischen Bipolarplatte und Gasdiffusionslage führen, haben somit keine Auswirkung mehr auf den Elektronentransport. Erfindungsgemäß weisen die Fasern der Faserstruktur einen Faserdurchmesser von höchstens 10µm auf. Somit handelt es sich bei der Faserstruktur um eine Mikrofaserstruktur. Mithilfe der Mikrofaserstruktur wird eine besonders homogene Verteilung der Reaktanden erreicht, wenn das Bipolarelement in einer Brennstoffzelle eingesetzt wird.
  • Besonders zweckmäßig kann die Lötverbindung eine Hartlötverbindung sein. Zweckmäßig kann die Faserstruktur mit den Fasern aus Metall als Faservlies ausgebildet sein.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt eine Foliendicke der Folie höchstens 75 µm, vorzugsweise ungefähr 75 µm.
  • Besonders bevorzugt kann die Faserstruktur zusätzlich zur stoffschlüssigen Lötverbindung auch kraftschlüssig mit der Folie verbunden sein.
  • Als besonders vorteilhaft erweist sich eine weitere Ausführungsform, bei welcher das Metall der Folie ein Edelstahl ist oder zumindest einen Edelstahl umfasst.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle umfasst zwei entlang einer Erstreckungsrichtung der Brennstoffzelle nebeneinander angeordnete, voranstehend vorgestellte und somit erfindungsgemäße Bipolarelemente. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Bipolarelements übertragen sich daher auf die erfindungsgemäße Brennstoffzelle. Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind die Faserstrukturen der beiden Bipolarelemente einander in der Erstreckungsrichtung zugewandt. Ferner umfasst die Brennstoffzelle eine, vorzugsweise sandwichartig, in der Erstreckungsrichtung zwischen den beiden Faserstrukturen angeordnete, insbesondere protonenleitfähige, Membran, an welcher sich die beiden Faserstrukturen der Bipolarelemente abstützen.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Bipolarelements, insbesondere eines voranstehend vorgestellten erfindungsgemäßen Bipolarelements. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Bipolarelements übertragen sich daher auf das erfindungsgemäße Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest drei Maßnahmen a) bis c), kann aber optional um drei weitere Maßnahmen d), e) und f) erweitert werden. Gemäß einer ersten Maßnahme a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Folie aus einem Metall bereitgestellt. Gemäß einer zweiten Maßnahme b) wird eine Faserstruktur auf der Folie angeordnet, die Fasern aus einem Metall umfasst, welche jeweils einen Faserdurchmesser von höchstens 10 µm aufweisen. In einer dritten Maßnahme c) wird die Faserstruktur mittels Verlötens stoffschlüssig an die Folie gefügt. Bevorzugt erfolgt das Fügen mittels Hartlötens.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Verlöten mittels einer Lötpaste erfolgen, welche als Bestandteil Nickel aufweist oder welche aus Nickel besteht.
  • Alternativ dazu kann auch Lötpaste verwendet werden, die als Bestandteil Kupfer aufweist oder aus Kupfer besteht.
  • Bevorzugt kann eine zum Verlöten verwendete Lötmenge der Lötpaste höchstens 600g/m2, vorzugsweise zwischen 300 g/m2 und 400 g/m2, betragen. Dadurch können besonders gute Lötergebnisse erzielt werden.
  • Das Verlöten kann besonders zweckmäßig mittels einer Lötfolie erfolgen, welche als Bestandteil Nickel oder/und Kupfer aufweist oder welche aus Nickel oder aus Kupfer besteht. Besonders bevorzugt kann eine Schichtdicke der Lötfolie dabei höchstens 25 µm, vorzugsweise ungefähr 25 µm, betragen.
  • Besonders bevorzugt beträgt eine zum Verlöten verwendete Lötmenge der Lötfolie zwischen 190 g/m2 und 300 g/m2.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren drei weitere, auf Maßnahme c) folgende Maßnahmen d), e) und f), die bevorzugt nacheinander ausgeführt werden. In Maßnahme d) wird eine von der Folie abgewandten Oberfläche der Faserstruktur bzw. Mikrofaserstruktur durch fluoridische Beizung oberflächenfunktionalisiert. In Maßnahme e) wird die in Maßnahme e) funktionalisierte Oberfläche durch Aufbringen eines Grünkörpers für eine katalytische Membran, insbesondere für eine Nafion-Membran oder Teflon-Membran, oder mit katalytischen Partikeln beschichtet. In Maßnahme f) wird der in Maßnahme e) auf die Oberfläche aufgebrachte Grünkörper thermisch in die Faserstruktur eingesintert. Die Katalysator-Partikel haben somit nach dem Sintern gemäß Maßnahme f) einen direkten mechanischen Kontakt zu den fluorierten Fasern und bilden somit einen idealen Elektronenübergang. Zudem sind die Fasern der Mikrofaserstruktur von außen von den Polymeren der Membran umschlossen und so vor der oben erwähnten, unerwünschten korrosiven Nebenreaktion geschützt.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
  • Es zeigen, jeweils schematisch:
    • 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Bipolarelements,
    • 2 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit zwei Bipolarelementen gemäß 1.
  • Die 1 illustriert in grobschematischer, stark vereinfachter Darstellung ein Beispiel eins erfindungsgemäßen Bipolarelements 1. Das Bipolarelement 1 umfasst eine Folie 3 aus einem Metall, die eine Bipolarplatte 2 des Bipolarelements 1 bildet. Das Metall der Folie 3 kann beispielsweise Edelstahl sein. Eine Foliendicke FD der Folie 3 beträgt im Beispiel ungefähr 75 µm. Denkbar sind in Varianten des Beispiels aber auch geringere Werte für die Foliendicke FD. Auf einer Oberseite 10 der Folie 3 ist zur Ausbildung einer Gasdiffusionslage 7 eine Faserstruktur 6 angeordnet, welche Fasern 5 aus einem Metall umfasst. Die Faserstruktur 6 mit den Fasern 5 kann als Faservlies 9 ausgebildet sein. Die Fasern 5 der Faserstruktur 6 bzw. des Faservlieses 9 weisen zur Ausbildung einer Gasdiffusionslage 7 jeweils einen Faserdurchmesser von höchstens 10 µm auf. Somit handelt es sich bei der Faserstruktur 6 um eine Mikrofaserstruktur. Die Fasern 5 der Faserstruktur 6 sind mittels einer Lötverbindung 8 stoffschlüssig mit der Folie 3 verbunden. Die Lötverbindung 8 kann bevorzugt eine Hartlötverbindung sein. Die Fasern 5 der Faserstruktur 6 können zusätzlich zur stoffschlüssigen Lötverbindung 8 auch kraftschlüssig mit der Folie 3 verbunden sein. Zweckmäßig kann das Metall der Folie 3 Edelstahl sein oder zumindest Edelstahl umfassen.
  • Die 2 zeigt stark vereinfacht ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 20. Diese zwei entlang einer Erstreckungsrichtung ER der Brennstoffzelle 20 nebeneinander angeordnete, erfindungsgemäße Bipolarelementen 1, 1. Die Faserstrukturen 6, 6 der beiden Bipolarelemente 1, 1 sind einander in der Erstreckungsrichtung ER zugewandt. Ferner umfasst die Brennstoffzelle 20 eine in der Erstreckungsrichtung ER zwischen den beiden Faserstrukturen 6 angeordnete, insbesondere protonenleitfähige, Membran 11, an welcher sich die beiden Faserstrukturen 6, 6 abstützen. Die Membran 11 ist also sandwichartig zwischen den beiden Bipolarelementen 1, 1 angeordnet.
  • Im Folgenden wird das erfindungsgemäßen Verfahren beispielhaft erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest drei Maßnahmen a) bis c). Gemäß einer ersten Maßnahme a) wird eine als Bipolarplatte 2 fungierenden Folie 3 aus einem Metall bereitgestellt. Gemäß einer zweiten Maßnahme b) wird eine Faserstruktur 6 auf der Folie 3 angeordnet, die Fasern 5 aus einem Metall umfasst, welche jeweils einen Faserdurchmesser von höchstens 10 µm aufweisen. In einer dritten Maßnahme c) wird die Faserstruktur 6 mittels Verlötens stoffschlüssig an die Folie 3 gefügt. Bevorzugt erfolgt das Fügen mittels Hartlötens. Das Verlöten kann beispielsweise mittels einer Lötpaste erfolgen, welche als Bestandteil Nickel oder/und Kupfer aufweist oder welche aus Nickel oder aus Kupfer besteht. Eine zum Verlöten verwendete Lötmenge der Lötpaste beträgt im Beispiel zwischen 300 g/m2 und 400 g/m2. Möglich sind auch andere Werte, die 600g/m2 nicht überschreiten.
  • Das Verlöten kann alternativ zur Verwendung einer Lötpaste auch mittels einer Lötfolie erfolgen, welche als Bestandteil Nickel oder/und Kupfer aufweist oder welche aus Nickel oder aus Kupfer besteht. Eine Schichtdicke einer solchen Lötfolie beträgt höchstens 25 µm, vorzugsweise ungefähr 25 µm, möglich sind aber auch kleinere Werte. Eine zum Verlöten verwendete Lötmenge der Lötfolie kann zwischen 190 g/m2 und 300 g/m2 betragen.
  • Optional kann das Verfahren drei weitere, auf Maßnahme c) folgende Maßnahmen d), e) und f), die bevorzugt nacheinander ausgeführt werden. In Maßnahme d) wird eine von der Folie 3 abgewandte Oberfläche 4 (vgl. 1 und 2) der Faserstruktur 6 bzw. Mikrofaserstruktur durch fluoridische Beizung oberflächenfunktionalisiert. In Maßnahme e) wird die in Maßnahme e) funktionalisierte Oberfläche 4 durch Aufbringen eines Grünkörpers einer katalytischen Membran, insbesondere einer Nafion-Membran oder Teflon-Membran, oder mit katalytischen Partikeln beschichtet. In Maßnahme f) wird der Grünkörper thermisch in die Faserstruktur 6 eingesintert. Insbesondere Maßnahme f) kann in einem Schutzgasofen ausgeführt 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
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    • DE 102018204602 A1 [0004]
    • WO 02101859 A2 [0005]

Claims (16)

  1. Bipolarelement (1), für eine Brennstoffzelle, - mit einer als Bipolarplatte (2) fungierenden Folie (3) aus einem Metall, - mit einer auf der Folie (3) angeordneten und Fasern (5) aus einem Metall umfassenden Faserstruktur (6), insbesondere einer Mikrofaserstruktur, zur Ausbildung einer Gasdiffusionslage (7), - wobei die Fasern (5) der Faserstruktur (6) einen Faserdurchmesser von höchstens 10 µm aufweisen und mittels einer Lötverbindung (8) stoffschlüssig mit der Folie (3) verbunden sind.
  2. Bipolarelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (6) mit den Fasern (5) aus Metall als Faservlies (9) ausgebildet ist.
  3. Bipolarelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (6) aus den Fasern (5) besteht.
  4. Bipolarelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Foliendicke (FD) der Folie (3) höchstens 75 µm, vorzugsweise ungefähr 75 µm, beträgt.
  5. Bipolarelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (6) zusätzlich zur stoffschlüssigen Lötverbindung (8) auch kraftschlüssig mit der Folie (3) verbunden ist.
  6. Bipolarelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindung (8) eine Hartlötverbindung ist.
  7. Bipolarelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der Folie (3) Edelstahl ist oder umfasst.
  8. Brennstoffzelle (10), - mit zwei entlang einer Erstreckungsrichtung (ER) der Brennstoffzelle (10) nebeneinander angeordneten Bipolarelementen (1, 1), jeweils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Faserstrukturen (6, 6) der beiden Bipolarelemente (1, 1) einander in der Erstreckungsrichtung (ER) zugewandt sind, - mit einer in der Erstreckungsrichtung (ER) zwischen den beiden Faserstrukturen (6, 6), angeordneten, insbesondere protonenleitfähige, Membran (11), an welcher sich die beiden Faserstrukturen (6, 6) abstützen.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Bipolarelements (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Maßnahmen: a) Bereitstellen einer als Bipolarplatte (2) fungierenden Folie (3) aus einem Metall, b) Anordnen einer Faserstruktur (6), die einer Fasern (5) aus einem Metall umfasst, welche einen Faserdurchmesser von höchstens 10 µm aufweisen, auf der Folie (3), c) Stoffschlüssiges Fügen der Fasern (5) der Faserstruktur (6) an die Folie (3) mittels Verlötens, vorzugsweise mittels Hartlötens.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlöten mittels einer Lötpaste erfolgt, welche als Bestandteil Nickel oder/und Kupfer aufweist oder welche aus Nickel oder aus Kupfer besteht.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Verlöten verwendete Lötmenge der Lötpaste höchstens 600g/m2, vorzugsweise zwischen 300 g/m2 und 400 g/m2, beträgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlöten mittels einer Lötfolie erfolgt, welche als Bestandteil Nickel oder/und Kupfer aufweist oder welche aus Nickel oder aus Kupfer besteht.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der Lötfolie höchstens 25 µm, vorzugsweise ungefähr 25 µm, beträgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Verlöten verwendete Lötmenge der Lötfolie zwischen 190 g/m2 und 300 g/m2 beträgt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlöten in einem Lötofen unter reduzierter Atmosphäre erfolgt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden weiteren Maßnahmen d), e) und f) umfasst: d) Oberflächenfunktionalisierung einer von der Folie (3) abgewandten Oberfläche (4) der Faserstruktur (5) bzw. Mikrofaserstruktur durch fluoridische Beizung, e) Beschichten der funktionalisierten Oberfläche (4) durch Aufbringen eines Grünkörpers einer katalytischen Membran, insbesondere einer Nafion-Membran oder/und einer Teflon-Membran, oder eines Grünkörpers aus katalytischen Partikeln, f) Thermisches Einsintern des Grünkörpers in die Faserstruktur.
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