DE10219384A1

DE10219384A1 - Bipolarplatte für Brennstoffzellenstapel und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10219384A1
Application number: DE10219384A
Authority: DE
Inventors: Michael Goetz
Original assignee: Proton Motor Fuel Cell GmbH
Current assignee: Proton Motor Fuel Cell GmbH
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2003-11-20
Also published as: WO2003094270A2; WO2003094270A3; AU2003232240A1; EP1532705A2

Abstract

Bipolarplatte für Brennstoffzellenstapel (2), dadurch gekennzeichnet, dass sie DOLLAR A - Faserverstärkungsstruktur (26); DOLLAR A - eine Kunststoff-Matrix (40); DOLLAR A - und einen Zusatz (42) in der Kunststoff-Matrix zur Schaffung elektrischer Leitfähigkeit DOLLAR A aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bipolarplatte für Brennstoffzellenstapel.

Brennstoffzellenstapel enthalten, wie bekannt, eine gestapelte Folge von Brennstoffzellen (wobei die Achse des Stapels insbesondere vertikal oder horizontal sein kann), wobei jeweils zwei benachbarte Brennstoffzellen durch eine Bipolarplatte voneinander getrennt sind. An einer Seite gehört jede Bipolarplatte einer Anodenseite einer anschließenden Brennstoffzelle an, während die Bipolarplatte an ihrer anderen Seite der Kathodenseite der anderen anschließenden Brennstoffzelle angehört. Da alle Brennstoffzellen oder zumindest eine Teilanzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels elektrisch in Reihe geschaltet sind, fließt beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels über die Dicke jeder Bipolarplatte ein elektrischer Strom. Geringer elektrischer Widerstand des Materials der Bipolarplatte ist eine erwünschte Eigenschaft, weil größerer elektrischer Widerstand gleichbedeutend mit Erwärmung der Bipolarplatte und somit der Erzeugung von Verlusten ist. - Da in den meisten Fällen auf der Anodenseite einer ersten anschließenden Brennstoffzelle und an der Kathodenseite einer zweiten anschließenden Brennstoffzelle im Wesentlichen der gleiche Druck oder ein nicht sehr stark unterschiedlicher Druck herrscht, sind die aus Druckunterschied auf die Bipolarplatte kommenden Kräfte in den meisten Fällen nicht groß. Andererseits werden jedoch Brennstoffzellenstapel in den meisten Fällen durch Zuganker zusammengespannt; da die Bauteile der einzelnen Brennstoffzellen normalerweise nicht perfekt gleich dick über die Fläche der Brennstoffzelle sind, sind die über das Zusammenspannen des Brennstoffzellenstapels auf die Bipolarplatten kommenden Kräfte in der Regel nicht gleichmäßig über die Fläche einer betrachteten Bipolarplatte verteilt. Infolgedessen sind Bipolarplatten von Brennstoffzellenstapeln nicht unerheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. - An jedem Ende des Brennstoffzellenstapels sitzt eine Endplatte, die man bei Berücksichtigung des Wortsinns nicht Bipolarplatte nennen sollte. Die Endplatten bestehen häufig aus dem gleichen Material wie die Bipolarplatten im Inneren des Brennstoffzellenstapels; zuweilen sind die Endplatten allerdings in größerer Materialdicke ausgeführt.

Man kennt Bipolarplatten für Brennstoffzellenstapel, die aus Kunststoff mit einem Zusatz zur Schaffung elektrischer Leitfähigkeit bestehen. Konkret kennt man den Einsatz von thermoplastischem Kunststoff und einen in dem Kunststoff verteilten Zusatz von Kohlenstoff (in Form pulverförmiger Teilchen und/oder in Form kurzer Kohlefasern). Da für geringen elektrischen Widerstand der Anteil des Zusatzes hoch sein muss, sind heutige Bipolarplatten normalerweise deutlich über einen Millimeter dick, damit eine ausreichende mechanische Festigkeit sichergestellt ist; eine Dicke von mehreren Millimetern ist nicht selten. Der elektrische Widerstand einer Bipolarplatte nimmt proportional zu ihrer Dicke zu.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Bipolarplatte in einer Bauweise verfügbar zu machen, die bei gleicher Festigkeit zu einer verringerten Dicke der Bipolarplatte führt. Bei gleichem spezifischen elektrischen Widerstand ergibt sich eine Verringerung des elektrischen Widerstands durch die Verringerung der Dicke der Bipolarplatte. Außerdem verringert sich die Abmessung des Brennstoffzellenstapels gemessen in Richtung der Achse des Stapels. Dementsprechend verringert sich auch das Gewicht des Brennstoffzellenstapels.

Das genannte technische Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Bipolarplatte

- eine Faserverstärkungsstruktur;
- eine Kunststoff-Matrix;
- und einen Zusatz in der Kunststoff-Matrix zur Schaffung elektrischer Leitfähigkeit

aufweist.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Faserverstärkungsstruktur erhöht - wenn man zum Zwecke des Vergleichs den Kunststoff und den Leit-Zusatz gegenüber dem Stand der Technik ungeändert lässt - die mechanische Festigkeit der Bipolarplatte so erheblich, dass sie - zur Erreichung der gleichen Belastungsfähigkeit wie beim Stand der Technik - erheblich dünner als bisher ausgebildet werden kann.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte kann, wie im zweiten Absatz der Beschreibung genauer ausgeführt, eine Bipolarplatte sein, die mit ihren Großseiten unmittelbar an benachbarte Brennstoffzellen angrenzt. Es wird ausdrücklich betont, dass alternativ die erfindungsgemäße Bipolarplatte auch dafür geeignet und bestimmt sein kann, dass sie mit einer ersten Großseite an eine Anodenseite oder eine Kathodenseite einer Brennstoffzelle unmittelbar angrenzt, aber mit ihrer zweiten Großseite an eine weitere Bipolarplatte angrenzt, die dann ihrerseits an eine Kathodenseite oder eine Anodenseite einer weiteren Brennstoffzelle angrenzt. In diesem Fall ist also ein Paar von Bipolarplatten an die Stelle einer einzigen Bipolarplatte zwischen zwei benachbarten Brennstoffzellen getreten. Ein weiter hinten zu beschreibendes Ausführungsbeispiel wird dies noch näher erläutern. Derartige Paare von Bipolarplatten sind ganz besonders günstig einsetzbar, wenn der Zwischenraum zwischen den beiden Bipolarplatten zum Hindurchströmenlassen von gasförmigem oder flüssigem Kühlfluid genutzt wird.

Die Faserverstärkungsstruktur ist vorzugsweise eine flächige Faserverstärkungsstruktur. "Flächig" bedeutet nicht, dass die Faserverstärkungsstruktur exakt in einer Ebene liegt. Es soll vielmehr zum Ausdruck gebracht werden, dass die Dicke der Faserverstärkungsstruktur relativ klein im Vergleich zu der Flächenausdehnung bei Draufsicht auf die Faserverstärkungsstruktur ist.

Vorzugsweise weist die Faserverstärkungsstruktur Kohlefasern auf, besonders bevorzugt besteht sie aus Kohlefasern. Kohlefasern haben neben ihrer hohen Festigkeit den für die Bipolarplatte wichtigen Vorteil der elektrischen Leitfähigkeit. Andere Fasern sind jedoch ebenfalls einsetzbar, insbesondere Glasfasern und Polyamidfasern. Wenn man sich vor Augen hält, dass die Faserverstärkungsstruktur in einer elektrisch leitend gemachten Kunststoff-Matrix eingebettet ist und normalerweise einen nicht sehr großen Volumenanteil der Bipolarplatte einnimmt, wird deutlich, dass auch elektrisch nicht leitende Fasern brauchbar sind.

Bevorzugte Ausbildungsformen der Faserverstärkungsstruktur sind gerichtete Faserlagen (bei der z. B. Fasern einigermaßen parallel zueinander ausgerichtet liegen; man kann gut mit zwei aufeinander gelegten, sich kreuzenden Faserlagen arbeiten), Vlies, auch als Nadelvlies, Gewebe, Gestrick. Praktisch alle auf dem Gebiet der Faserverstärkung von Kunststoffen üblichen Arten von Faserverstärkungsstrukturen sind bei der Erfindung brauchbar.

Vorzugsweise weist die Kunststoff-Matrix einen Duroplast auf, besonders bevorzugt ein Epoxidharz oder ein Phenolharz. Insbesondere relativ langsam härtende Duroplaste lassen sich besonders gut mit einer Faserverstärkungsstruktur verarbeiten. Es wird jedoch betont, dass auch andere Kunststoffe, insbesondere Thermoplaste, verwendbar sind.

Vorzugsweise weist der leitfähig machende Zusatz Graphit-Teilchen, vorzugsweise Flockengraphit-Pulver, auf. Derartige Teilchen bringen eine hohe elektrische Leitfähigkeit in die Kunststoff-Matrix ein.

Vorzugsweise weist der leitfähig machende Zusatz gemahlene Kohlefasern auf. Besonders geeignete, gemahlene Kohlefasern sind in einem Längenbereich von 100 bis 900 Mikrometern, besonders bevorzugt 200 bis 500 µm. Ganz besonders bevorzugt ist es, als Zusatz sowohl Flockengraphit-Pulver als auch zusätzlich gemahlene Kohlefasern einzusetzen. Die relativ kurzen Kohlefasern bringen zwar in die Kunststoff-Matrix einen gewissen festigkeitssteigernden Effekt ein. Sie werden aber im Kontext der Erfindung nicht unter den Begriff der Faserverstärkungsstruktur subsumiert. Unter Faserverstärkungsstruktur wird vorzugsweise eine Struktur verstanden, bei welcher die Fasern mindestens einen gewissen gegenseitigen Zusammenhalt haben.

Vorzugsweise beträgt die Menge des leitfähig machenden Zusatzes 70 bis 90 Masse-Prozent der Gesamtmenge von Kunststoff und Zusatz. Die Einbringung einer derart großen Menge von Zusatz ist zur Sicherstellung einer hohen elektrischen Leitfähigkeit der Bipolarplatte empfehlenswert.

Es sind Duroplaste verfügbar, die vor dem Härten eine fließfähige Konsistenz haben. In derartige Duroplaste lässt sich der Zusatz einmischen. Bei Thermoplasten kommt ein Vermischen von gemahlenen Kunststoffteilchen im festen Aggregatzustand mit dem pulverförmigen Zusatz in Betracht. Um das Einbringen einer großen Menge des Zusatzes in flüssigen Kunststoff zu erleichtern und um das weitere Verarbeiten des daraus gebildeten Mischmaterials beim Zusammenbringen mit der Faserverstärkungsstruktur zu erleichtern, ist es bevorzugt, ein, vorzugsweise leicht flüchtiges, Lösungsmittel zuzugeben. Typische geeignete Lösungsmittel sind Isopropanol und Aceton.

Vorzugsweise weist die Bipolarplatte einseitig oder beidseitig eine vertiefte Strömungskanalanordnung und Stege dazwischen ("flowfield") auf. Die Strömungskanalanordnung kann insbesondere der Zuführung von Reaktanden, vorzugsweise Wasserstoff an der Anodenseite der jeweiligen Brennstoffzelle und Luft an der Kathodenseite der jeweiligen Brennstoffzelle, dienen. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte wird besonders bevorzugt bei Brennstoffzellenstapeln eingesetzt, deren Brennstoffzellen eine Polymerelektrolytmembran ("PEM") haben und mit Wasserstoff und Luft als Reaktanden betrieben werden.

Die Bipolarplatte ist vorzugsweise im Bereich der Stege des Flowfield frei von Faserverstärkungsstruktur, d. h. die Faserverstärkungsstruktur befindet sich im massiven "Rücken" der Bipolarplatte, der sich einseitig von der Strömungskanalanordnung oder mittig zwischen zwei Strömungskanalanordnungen befindet.

Erfindungsgemäße Bipolarplatten haben vorzugsweise eine Dicke des Rückens von 0,4 bis 0,6 mm (wohingegen bekannte Bipolarplatten eine Dicke des Rückens von meist über 1 mm haben); wenn die Bipolarplatte keine Strömungskanalanordnung besitzt, entspricht die Dicke des Rückens der Dicke der Bipolarplatte. Im Fall des Vorhandenseins einer Strömungskanalanordnung und Stegen dazwischen beträgt die Dicke bzw. Höhe der Stege 0,5 bis 0,7 mm. Hier wird gegenüber den bekannten Bipolarplatten keine Änderung erreicht, weil man ja die Strömungsquerschnitte der Strömungskanäle nicht verkleinern will. Bei Bipolarplatten mit einseitigem Flowfield hat man somit vorzugsweise eine Gesamtdicke von 0,9 bis 1,3 mm.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung von zwei Bipolarplatten, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Bipolarplatte mit einseitiger Strömungskanalanordnung und eine zweite Bipolarplatte mit beidseitiger Strömungskanalanordnung aufweist. Vorzugsweise sind die zwei Bipolarplatten des Paars so ausgebildet, wie weiter vorn für eine einzelne Bipolarplatte offenbart.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für Brennstoffzellenstapel, dadurch gekennzeichnet,
dass Kunststoff und ein Zusatz, der zur Schaffung elektrischer Leitfähigkeit dient, zu einem Mischmaterial gemischt werden;
dass eine Faserverstärkungsstruktur einseitig oder beidseitig mit dem Mischmaterial, das sich in einem fließfähigen Zustand befindet, versehen wird;
und dass das Mischmaterial und die Faserverstärkungsstruktur in einer Pressform zu einem Formteil für die Bipolarplatte geformt werden.

Das aus der Pressform entnommene Formteil kann schon die fertige Bipolarplatte sein. Alternativ können nach der Entnahme aus der Pressform noch weitere Bearbeitungen durchgeführt werden, z. B. mechanische Bearbeitung in den Bereichen, wo Zuganker zum Zusammenspannen des Zellenstapels hindurchführen werden. Abgesehen von diesem oder anderen Nachbearbeitungen führt das erfindungsgemäße Verfahren zu der erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Vorzugsweise wird das Verfahren konkreter so geführt, dass ein Formteil für eine Bipolarplatte, wie sie bisher beschrieben worden ist, hergestellt wird. Die vorstehend als bevorzugte Merkmale der Bipolarplatte offenbarten Merkmale sind auch Vorzugsmerkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Vorzugsweise wird die Faserverstärkungsstruktur, ehe sie mit dem genannten Mischmaterial versehen wird, mit einem weiteren Mischmaterial imprägniert, das sich in einem fließfähigen Zustand befindet und Kunststoff sowie einen elektrische Leitfähigkeit schaffenden Zusatz aufweist. Auf diese Weise stellt man eine vorimprägnierte Faserverstärkungsstruktur her, die leichter mit dem erstgenannten Mischmaterial, welches gehärtet die Kunststoff-Matrix bildet, versehen werden kann. Es ist gut, das weitere Mischmaterial zur Imprägnierung in einem relativ dünnflüssigen Zustand aufzubringen, um die Faserverstärkungsstruktur optimal zu benetzen.

Der Kunststoff des weiteren Mischmaterials weist vorzugsweise einen Duroplast auf, besteht besonders bevorzugt aus einem Duroplast, wobei Epoxidharz oder Phenolharz besonders bevorzugt sind. Es kommen aber auch andere Kunststoffe als Duroplaste in Betracht, z. B. Thermoplaste. Es ist besonders günstig, wenn der Kunststoff des weiteren Mischmaterials gleich dem Kunststoff des erstgenannten Mischmaterials ist.

Vorzugsweise weist der Zusatz des weiteren Mischmaterials Graphit-Teilchen, besonders bevorzugt Flockengraphit-Pulver, auf. Der für das erstgenannte Mischmaterial weiter vorn genannte Zusatz von gemahlenen Graphitfasern ist auch bei dem weiteren Mischmaterial möglich, aber nicht besonders bevorzugt. Ohne einen Zusatz an gemahlenen Graphitfasern bettet das weitere Mischmaterial die Faserverstärkungsstruktur optimaler ein.

Vorzugsweise enthält das weitere Mischmaterial, wenn die Imprägnierung vorgenommen wird, Lösungsmittel, wobei als besonders geeignet Isopropanol und Aceton genannt werden. Analoges gilt für das erstgenannte Mischmaterial, wenn die Faserverstärkungsstruktur mit ihm versehen wird. Bei dem weiteren Mischmaterial wird man eher noch stärkere Dünnflüssigkeit bei der Imprägnierung anstreben als bei dem erstgenannten Mischmaterial.

Vorzugsweise wird die Faserverstärkungsstruktur mit dem erstgenannten Mischmaterial versehen, nachdem das Lösungsmittel aus dem weiteren Mischmaterial mindestens größtenteils verdampft ist. Auf diese Weise bleibt das weitere Mischmaterial besser an Ort und Stelle, wenn die Faserverstärkungsstruktur mit dem ersten Mischmaterial versehen wird.

Vorzugsweise werden die Faserverstärkungsstruktur und das erstgenannte Mischmaterial in der Pressform zusammengebracht. Wenn die Faserverstärkungsstruktur einseitig mit dem erstgenannten Mischmaterial versehen werden soll, kann man insbesondere die - gegebenenfalls mit dem weiteren Mischmaterial imprägnierte - Faserverstärkungsstruktur als Erstes in die offene Pressform einlegen und dann mit einer Schicht des erstgenannten Mischmaterials bedecken. Wenn die Faserverstärkungsstruktur beidseitig mit dem erstgenannten Mischmaterial versehen werden soll, kann man insbesondere zuerst eine Schicht des erstgenannten Mischmaterials in die offene Pressform einbringen, dann die - gegebenenfalls imprägnierte - Faserverstärkungsstruktur auflegen und schließlich darauf eine weitere Schicht von erstgenanntem Mischmaterial aufbringen. Alternativ ist es bevorzugt, die - gegebenenfalls imprägnierte - Faserverstärkungsstruktur außerhalb der Pressform einseitig oder beidseitig mit einer Schicht von erstgenanntem Mischmaterial zu versehen und erst danach das Ganze in die Pressform einzubringen. Vorzugsweise geschieht Letzteres erst, wenn das vorzugsweise in dem erstgenannten Mischmaterial enthaltene Lösungsmittel mindestens zu einem erheblichen Teil verdampft ist. Wenn man das erstgenannte Mischmaterial in der Pressform einbringt, lässt man am besten die Pressform noch einige Zeit offen, um ein Verdampfen mindestens eines erheblichen Teils des vorzugsweise vorgesehenen Lösungsmittels zu erleichtern, ehe die Pressform geschlossen wird. Das Verdampfen des Lösungsmittels aus dem erstgenannten Mischmaterial erfolgt vorzugsweise bei Raumtemperatur unter vermindertem Druck (Vakuumkammer); man kann aber auch bei erhöhter Temperatur arbeiten; man kann auch ohne Unterdruck arbeiten. Für das Verdampfen des vorzugsweise vorgesehenen Lösungsmittels des weiteren Mischmaterials gelten analoge, bevorzugte Verfahrensmerkmale. Generell ist jedoch das Verdampfen des Lösungsmittels aus dem weiteren Mischmaterial wesentlich einfacher, weil das weitere Mischmaterial in kleiner Menge bzw. dünner Schicht zur Imprägnierung der Faserverstärkungsstruktur aufgebracht wird.

Vorzugsweise wird die Faserverstärkungsstruktur mit dem weiteren Mischmaterial in einem Herstellungsschritt imprägniert, der vor dem Einlegen der Faserverstärkungsstruktur in die Pressform liegt. Es ist aber auch möglich, die Faserverstärkungsstruktur in dem bereits in die Pressform eingelegten Zustand zu imprägnieren.

Vorzugsweise wird der Druck auf die gefüllte Pressform aufgebracht, nachdem das Lösungsmittel aus dem erstgenannten Mischmaterial größtenteils verdampft ist. Das Schließen etwaiger restlicher Poren in dem Kunststoff kann mit Hilfe des Drucks auf die gefüllte Pressform erfolgen.

Vorzugsweise wird die Pressform zum Härten des Kunststoffs des erstgenannten Mischmaterials, gegebenenfalls auch zum Härten des Kunststoffs des weiteren Mischmaterials, erwärmt. Erwärmung auf geeignete Härtungstemperatur für den Kunststoff beschleunigt das Härten und führt zu bester Endfestigkeit der Bipolarplatte.

Wenn vorstehend von einseitig mit Strömungskanalanordnung versehener Bipolarplatte bzw. von einseitig mit erstem Mischmaterial versehener Faserverstärkungsstruktur gesprochen worden ist, kann es um die Herstellung von Endplatten für den Brennstoffzellenstapel gehen; es kann aber auch um Bipolarplatten gehen, die wegen des konkreten Aufbaus des Brennstoffzellenstapel nur auf einer Seite ein Flowfield haben; es kann schließlich um Bipolarplatten gehen, die im Paar mit einer beidseitig mit Flowfield versehenen Bipolarplatte eingesetzt werden.

Die Erfindung und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Ausschnitt einen Brennstoffzellenstapels, und zwar in einem Schnitt parallel zur Achse des Stapels;
Fig. 2 eine Bipolarplatte aus dem Brennstoffzellenstapel von Fig. 1, und zwar in vergrößertem Maßstab und einem Schnitt gemäß II-II in Fig. 1, d. h. parallel zur Achse des Stapels, aber mit einer Lage der Schnittebene rechtwinklig zur Schnittebene der Fig. 1;
Fig. 3 eine leere Pressform in geschnittener Darstellung;
Fig. 4 ein Bipolarplatten-Paar in Darstellung analog Fig. 2.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapels 2 dargestellt. Konkret sieht man eine vollständige Brennstoffzelle 4, gebildet aus einer zentralen Polymerelektrolytmembran 6, darüber einer anodenseitigen Gasdiffusionselektrode 8, darunter einer kathodenseitigen Gasdiffusionselektrode 10, über der Gasdiffusionselektrode 8 einer Bipolarplatte 12 (die gleichsam zur Hälfte der betrachteten Brennstoffzelle 4 zuzuordnen ist), und unterhalb der Gasdiffusionselektrode 10 einer identischen Bipolarplatte 12 (die gleichsam mit ihrer oberen Hälfte der betrachteten Brennstoffzelle 4 zuzuordnen ist). Die Achse des Brennstoffzellenstapels 2 ist mit 14 bezeichnet und als unterbrochene Linie eingezeichnet. In Draufsicht auf die Flachseite der nicht eingezeichneten, oberen Endplatte des Stapels 2 hat der Stapel quadratische oder rechteckige Form. Mit den strichpunktierten Linien 16 sind schematisiert Zuganker angedeutet, die in den vier Eckbereichen des Stapels 2 vorgesehen sind und den gesamten Stapel zusammenspannen. Konkret muss man sich etwa zehn bis fünfzig Brennstoffzellen 4 in dem Stapel 2 vorstellen. Die Stapelachse 14 kann insbesondere vertikal verlaufen (dann ist Fig. 1 ein Vertikalschnitt mit horizontaler Blickrichtung) oder kann horizontal verlaufen (dann ist Fig. 1 ein Horizontalschnitt mit Blickrichtung von oben nach unten).
Die Strömungskanalanordnungen 18a und 18k kann man sich konkret insgesamt jeweils als mäanderförmig verlaufende Rinne vorstellen. Eine mögliche Alternative ist eine Anzahl parallel verlaufender Rinnen, die durch einen quer dazu verlaufenden Verteilungskanal gespeist wird und am Ende in einem quer verlaufenden Sammelkanal mündet.
Die Polymerelektrolytmembran 6 ist an jeder Flachseite mit einem Edelmetallkatalysator versehen, der nicht eingezeichnet ist. Die Gasdiffusionselektroden 8 und 10 können aus einem elektrisch leitenden, gasdurchlässigen Vlies bestehen. Die Bipolarplatten weisen jeweils sowohl in ihrer oberen Flachseite als auch in ihrer unteren Flachseite eine Strömungskanalanordnung 18 auf, die schematisiert als Anordnung rinnenartiger Vertiefungen 20 mit Stegen 22 dazwischen angedeutet ist. Durch die Strömungskanalanordnung 18a benachbart der anodenseitigen Gasdiffusionselektrode 8 wird der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt (Pfeil H₂). Durch die Strömungskanalanordnung 18k benachbart der kathodenseitigen Gasdiffusionselektrode 10 wird der Brennstoffzelle 4 Luft zugeführt (Pfeil "Luft"). Bei der Reaktion in der Brennstoffzelle 4 nicht verbrauchte Luft, enthaltend auch durch die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle 4 gebildetes Wasser, verlässt die betrachtete Brennstoffzelle 4 gemäß Pfeil "Luft + H₂O". Die vorstehende Beschreibung gilt naturgemäß für alle Brennstoffzellen 4 des Stapels 2.
Fig. 2 veranschaulicht, wie eine bevorzugte erfindungsgemäße Bipolarplatte 12 aufgebaut ist.
Die gezeichnete Bipolarplatte 12 hat eine Gesamtdicke 24. Etwa im mittleren Bereich der Gesamtdicke 24 befindet sich eine Faserverstärkungsstruktur 26, hier dargestellt als Gewebe aus Fäden, die ihrerseits aus Kohlefasern bestehen.
Unten in Fig. 2 erkennt man einen Abschnitt der Strömungskanalanordnung 18a. Oben in Fig. 2 ist ein hinter der Zeichnungsebene liegender Abschnitt der Strömungskanalanordnung 18k in unterbrochener Linie angedeutet. Abgesehen von der Faserverstärkungsstruktur 26 ist das Material der Bipolarplatte 12 ein gehärtetes Epoxidharz, welches 80 Masse-% (der Gesamtmasse von Epoxidharz und Zusatz, ohne das Lösungsmittel) eines elektrische Leitfähigkeit verleihenden Zusatzes aufweist, der seinerseits überwiegend aus Flockengraphit- Pulver und zum Rest aus gemahlenen Kohlefasern mit einer einer Faserlänge von etwa 350 µm besteht.
In Fig. 3 ist eine Pressform 30 in einem Maßstab wie Fig. 2 dargestellt. Die Pressform 30 hat einen unteren, höheren Formteil 32 und einen oberen Formteil 34, der abgenommen werden kann.
Die Herstellung der Bipolarplatte 12 von Fig. 2 läuft vorzugsweise folgendermaßen ab:
Außerhalb der Pressform 30 wird die Faserverstärkungsstruktur 26 zunächst mit einer Imprägnierung versehen. Die zum Imprägnieren verwendete "weitere Materialmischung" besteht aus noch nicht gehärtetem Epoxidharz, Lösungsmittel und etwa 80 Masse-% (bezogen auf die Gesamtmasse von Epoxidharz und Zusatz, ohne das Lösungsmittel) Flockengraphit-Pulver. Mittels des Lösungsmittels wird die "weitere Materialmischung" so dünnflüssig eingestellt, dass sie z. B. durch Pinseln oder Sprühen zum bequemen Imprägnieren der Faserverstärkungsstruktur 26 eingesetzt werden kann.
Alternativ kann man ohne die Imprägnierung arbeiten.
Nachdem das Lösungsmittel der Imprägnierung mindestens größtenteils verdampft ist, wird die Faserverstärkungsstruktur 26 auf eine Unterlage, z. B. eine Folie, gelegt, und auf die freie Oberseite wird eine Schicht aus einer "erstgenannten Materialmischung" aufgebracht. Man lässt einen Teil des Lösungsmittels ausgasen und wendet dann um 180° die einseitig beschichtete Faserverstärkungsstruktur 26 auf eine andere Unterlage, z. B. Folie. Jetzt wird die andere Großseite der Faserverstärkungsstruktur 26 mit einer Schicht aus der "erstgenannten Materialmischung" versehen. Anschließend lässt man die so entstandene Struktur gründlich ausgasen, vorzugsweise mit Hilfe von Wärme und/oder Unterdruck. Danach wird diese Struktur in den in Fig. 3 gezeichneten, unteren Formteil 32 eingesetzt. Der obere Formteil 34 wird aufgesetzt. Es wird Druck zum Zusammenpressen der Formteile 32 und 34 ausgeübt und die geschlossene Pressform 30 in einem Ofen platziert. Bei der erhöhten Temperatur in dem Ofen härtet der Duroplast sowohl der "erstgenannten Materialmischung" als auch der "weiteren Materialmischung". Danach wird die Pressform 30 aus dem Ofen genommen und geöffnet. Der darin befindliche Formling wird entnommen, mechanisch bearbeitet und stellt dann die Bipolarplatte 12 dar.
Alternativ kann man zunächst eine untere Schicht der "erstgenannten Materialmischung" in den unteren Formteil 32 einbringen, dann die Faserverstärkungsstruktur 26 auflegen, und danach eine obere Schicht der "erstgenannten Materialmischung" aufbringen.
In Fig. 2 ist eine Bipolarplatte 12 mit beidseitiger Strömungskanalanordnung 18 gezeichnet. Die Gesamtdicke 24 beträgt beispielsweise 1,7 mm, wobei auf jeder Seite die Dicke bzw. Höhe der Strömungskanalanordnung 18 bzw. der Stege 20 beispielsweise 0,6 mm beträgt, so dass für die Dicke 52 des "Rückens" zwischen den Strömungskanalanordnungen 18 0,5 mm verbleiben. Dies ist erheblich dünner als bei konventionellen Bipolarplatten.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei einer einseitig mit Strömungskanalanordnung 18 versehener Bipolarplatte 12 die Schichtdicke der "erstgenannten Materialmischung" auf der der Strömungskanalanordnung 18 abgewandten Seite der Faserverstärkungsstruktur 26 möglichst gering ist, also erheblich kleiner als bei beidseitig mit Strömungskanalanordnung 18 versehener Bipolarplatte 12.
Ein geeignetes Epoxidharz ist ein Epoxidharz der Firma Rhenatech, Kempen, angeboten unter den Bezeichnungen 5100 und 5600 (Harz und Härter). Ein geeignetes Produkt für die gemahlenen Kohlefasern ist Sigrafil C10 M 350EPY der Firma SGL Carbon, Meitingen. Bei diesem Produkt haben die Kohlefasern einen Durchmesser von etwa 8 µm und eine Länge in der Gegend von 350 µm. Die Kohlefasern sind im Kaufzustand mit sehr wenig Epoxidharz geschlichtet und wirken so besonders gut mit organischen Lösungsmitteln zusammen. Ein geeignetes Produkt für das Flockengraphit-Pulver ist MA 399 SC der Firma NGS Naturgraphit, Leinburg. Bei diesem Produkt haben mindestens 80% der Graphit-Teilchen eine Größe, die kleiner ist als eine Kugel von 45 µm Durchmesser.
In Fig. 4 ist dargestellt, wie ein Paar von Bipolarplatten 12a und 12b aussieht. Die eine Bipolarplatte 12a ist beidseitig mit einer Strömungskanalanordnung 18 versehen, wie die in Fig. 2 gezeigte Bipolarplatte 12. Die andere Bipolarplatte 12b ist nur einseitig mit einer Strömungskanalanordnung 18 versehen. Die Bipolarplatte 12b ist mit ihrer glatten (d. h. nicht mit Strömungskanalanordnung 18 versehenen) Seite gegen die erste Bipolarplatte 12a gelegt. Der Zwischenraum zwischen den Bipolarplatten 12a und 12b kann als kanalisierter Durchströmungsraum 54 zum Hindurchleiten von gasförmigem oder flüssigem Kühlfluid, insbesondere Mischung aus Wasser und üblichem Frostschutzmittel, dienen.

Claims

1. Bipolarplatte für Brennstoffzellenstapel (2), dadurch gekennzeichnet, dass sie

- Faserverstärkungsstruktur (26);

- eine Kunststoff-Matrix (40);

- und einen Zusatz (42) in der Kunststoff-Matrix zur Schaffung elektrischer Leitfähigkeit

aufweist.

2. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass eine flächige Faserverstärkungsstruktur (26) vorgesehen ist.

3. Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkungsstruktur (26) Kohlefasern aufweist.

4. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkungsstruktur (26) eine gerichtete Faserlage oder ein Vlies oder ein Gewebe oder ein Gestrick aufweist.

5. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Matrix (40) einen Duroplast aufweist, vorzugsweise ein Epoxidharz oder ein Phenolharz.

6. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass die Kunststoff-Matrix (40) einen Thermoplast aufweist.

7. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz (42) Graphit-Teilchen, vorzugsweise Flockengraphit-Pulver, aufweist.

8. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz (42) gemahlene Kohlefasern aufweist.

9. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Zusatzes (42) 70 bis 90 Masse-Prozent der Gesamtmenge von Kunststoff und Zusatz beträgt.

10. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet dass sie einseitig oder beidseitig eine vertiefte Strömungskanalanordnung (18) und Stege (22) dazwischen aufweist.

11. Bipolarplatte nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Bereich der Stege (22) frei von Faserverstärkungsstruktur (26) ist.

12. Anordnung von zwei Bipolarplatten, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Bipolarplatte (12) gemäß Anspruch 10 oder 11 mit einseitiger Strömungskanalanordnung (18) und eine zweite Bipolarplatte (12) gemäß Anspruch 10 oder 11 mit beidseitiger Strömungskanalanordnung (18) aufweist.

13. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (12) für Brennstoffzellenstapel (2), dadurch gekennzeichnet,
dass Kunststoff (40) und ein Zusatz (42), der zur Schaffung elektrischer Leitfähigkeit dient, zu einem Mischmaterial gemischt werden;
dass eine Faserverstärkungsstruktur (26) einseitig oder beidseitig mit dem Mischmaterial, das sich in einem fließfähigen Zustand befindet, versehen wird;
und dass das Mischmaterial und die Faserverstärkungsstruktur (26) in einer Pressform (30) zu einem Formteil für die Bipolarplatte (12) geformt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formteil für eine Bipolarplatte (12) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11 hergestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkungsstruktur (26), ehe sie mit dem genannten Mischmaterial versehen wird, mit einem weiteren Mischmaterial imprägniert wird, das sich in einem fließfähigen Zustand befindet und Kunststoff sowie einen elektrische Leitfähigkeit schaffenden Zusatz aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des weiteren Mischmaterials einen Duroplast aufweist, vorzugsweise ein Epoxidharz oder ein Phenolharz.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des weiteren Mischmaterials einen Thermoplast aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet dass der Kunststoff des weiteren Mischmaterials gleich dem Kunststoff des erstgenannten Mischmaterials ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz des weiteren Mischmaterials Graphit-Teilchen, vorzugsweise Flockengraphit-Pulver, aufweist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Mischmaterial, wenn die Imprägnierung vorgenommen wird, Lösungsmittel enthält.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das erstgenannte Mischmaterial, wenn die Faserverstärkungsstruktur (26) mit ihm versehen wird, Lösungsmittel enthält.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkungsstruktur (26) mit dem erstgenannten Mischmaterial versehen wird, nachdem das Lösungsmittel aus dem weiteren Mischmaterial mindestens größtenteils verdampft ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkungsstruktur (26) und das erstgenannte Mischmaterial in der Pressform (30) zusammengebracht werden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkungsstruktur (26) mit dem weiteren Mischmaterial in einem Herstellungsschritt imprägniert wird, der vor dem Einlegen der Faserverstärkungsstruktur (26) in die Pressform (30) liegt.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22 oder Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet dass die Faserverstärkungstruktur (26) und das erstgenannte Mischmaterial in einem Herstellungsschritt zusammengebracht werden, der vor dem Einlegen der Faserverstärkungstruktur (26) in die Pressform (30) liegt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck auf die gefüllte Pressform (30) aufgebracht wird, nachdem das Lösungsmittel aus dem erstgenannten Mischmaterial mindestens größtenteils verdampft ist.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressform (30) zum Härten des Kunststoffs (40) des erstgenannten Mischmaterials, gegebenenfalls auch zum Härten des Kunststoffs des weiteren Mischmaterials, erwärmt wird.