DE19805683A1

DE19805683A1 - Connector element especially a bipolar plate in a fuel cell for mobile applications, e.g. automobiles

Info

Publication number: DE19805683A1
Application number: DE19805683A
Authority: DE
Inventors: Lorenz Singheiser; Hans-Hermann Bolt; Hermann Kabs
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1998-02-12
Publication date: 1999-08-19

Abstract

A connector element, comprising a metal core with an electrically conductive nonmetallic surface layer, is new. Preferred Features: The layer consists of carbon and/or electrically conductive ceramic, especially a boride, nitride or carbide ceramic.

Description

Die Erfindung betrifft ein verbindendes Element für Brennstoffzellen.The invention relates to a connecting element for Fuel cells.

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.A fuel cell has a cathode, an electric lyte and an anode. The cathode becomes an oxide tion means, e.g. B. air and the anode becomes a focal fabric, e.g. B. supplied hydrogen.

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druck schrift DE 44 30 958 C1 oder die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.Different types of fuel cells are known for example the SOFC fuel cell from the print DE 44 30 958 C1 or the PEM fuel cell from the publication DE 195 31 852 C1.

Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei ca. 80°C. An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels ei nes Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elek trische Energie erzeugt.The operating temperature of a PEM fuel cell is at approx. 80 ° C. At the anode of a PEM fuel cell are formed in the presence of the fuel by means of egg Proton catalyst. The protons pass that Electrolytes and connect on the cathode side with the oxygen coming from the oxidizing agent Water. Electrons are released and elec generates tric energy.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie lung großer Leistungen durch verbindende Elemente zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 bekannte bipolare Platte dar. Several fuel cells are usually used to educate great achievements through connecting elements a so-called fuel cell stack mechanically and electrically connected to each other. An example of a such a connecting element is that from DE 44 10 711 C1 known bipolar plate.

Es ist bekannt, verbindende Elemente für PEM-Brenn stoffzellen aus Graphit durch mechanische Bearbeitung des Materials herzustellen. Alternativ kann gemäß der Druckschrift "M. S. Wilson, T. E. Springer, T. A. Zawodzinski, J. R. Davey, C. R. Derouin, S. Gottesfeld, Development of Components for a Polymer Electrolyte Fuell Cell of Low Cost and High Performance, 1994 Fuel Cell Seminar, 28 Nov.-1 Dec. 1994, p. 281 ff" ein derartiges verbindendes Element aus einem korrosionsbe ständigen Edelstahl wie AISI 316L bestehen. Der Edel stahl ist dann mit einem Edelmetall wie Gold oder Pla tin beschichtet.It is known to have connecting elements for PEM firing Graphite fabric cells by mechanical processing of the material. Alternatively, according to the Publication "M. S. Wilson, T. E. Springer, T. A. Zawodzinski, J.R. Davey, C.R. Derouin, S. Gottesfeld, Development of Components for a Polymer Electrolyte Fuell Cell of Low Cost and High Performance, 1994 Fuel Cell Seminar, Nov. 28-Dec. 1 1994, p. 281 ff " such connecting element from a corrosion permanent stainless steel such as AISI 316L. The noble steel is then made with a precious metal such as gold or pla tin coated.

Die Edelmetallbeschichtung auf dem Edelstahl ist erfor derlich, da sich andernfalls elektronisch nichtleitende Oxidschichten auf der Oberfläche bilden können und dann der gewünschte elektrische Kontakt zwischen zwei Brenn stoffzellen unterbrochen wäre.The precious metal coating on the stainless steel is required This is because otherwise electronically non-conductive And then oxide layers can form on the surface the desired electrical contact between two burners would be interrupted.

Nachteilhaft ist eine solche Edelmetallbeschichtung aufgrund des hohen Materialpreises sehr teuer.Such a noble metal coating is disadvantageous very expensive due to the high material price.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines preiswer ten verbindenden Elementes für eine Brennstoffzelle, dessen gute elektrische Leitfähigkeit dauerhaft sicher gestellt ist.The object of the invention is to create an inexpensive th connecting element for a fuel cell, its good electrical conductivity is permanently safe is posed.

Die Aufgabe wird durch ein verbindendes Element mit den Merkmalen des Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Eine be vorzugte Verwendungsweise weist die Merkmale des Ver wendungsanspruchs auf.The task is linked to the Features of the claim solved. Advantageous design cations result from the subclaims. A be preferred use shows the characteristics of Ver right to use.

Das anspruchsgemäße verbindende Element besteht im Kern aus einem Metall. Besonders gut geeignete Metalle sind korrosionsbeständig wie zum Beispiel Edelstähle wie V2A oder V4A. Der Metallkern ist mit einer elektrisch leit fähigen, nichtmetallischen Schicht beschichtet. Das elektrisch leitfähige, nichtmetallische Material ist so auszuwählen, daß es korrosionsbeständig unter Betriebs bedingungen ist.The core element of the demanding connecting element from a metal. Metals are particularly suitable corrosion resistant such as stainless steel such as V2A or V4A. The metal core is electrically conductive capable, non-metallic layer coated. The electrically conductive, non-metallic material is like this select that it is corrosion resistant under operation is conditions.

Die Beschichtung kann durch die bekannten Beschich tungsverfahren wie zum Beispiel durch plasmagestützte PVD- oder CVD-Verfahren, durch thermische Zersetzung organischer Verbindungen oder durch lasergestützte Ver fahren erfolgen.The coating can be done by the known coating processing methods such as plasma-assisted PVD or CVD process, by thermal decomposition organic compounds or by laser-assisted ver drive done.

Das anspruchsgemäße verbindende Element besteht aus preiswerten Materialien. Es ist leicht, flexibel und weist eine dauerhaft hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Es kann mit einfachen Verarbeitungstechniken her gestellt werden.The demanding connecting element consists of inexpensive materials. It is light, flexible and exhibits permanently high electrical conductivity on. It can be made using simple processing techniques be put.

Aufgrund des geringen Gewichtes ist die anspruchsgemäße bipolare Platte besonders für einen Einsatz in mobilen Vorrichtungen, wie zum Beispiel in einem Auto geeignet.Due to the low weight is the most demanding bipolar plate especially for use in mobile Devices such as suitable in a car.

Geeignete nichtmetallische Materialien sind insbeson dere Kohlenstoff oder elektrisch leitfähige Keramiken. Beispiele für geeignete, elektrisch leitfähige Keramiken sind Boride wie TiB₂, CrB₂, ZrB₂, Carbide wie TiC, ZrC oder Nitride wie TiN, ZrN. Mit Stickstoff dotiertes SiC stellt ein weiteres Beispiel für eine geeignete, elektrisch leitfähige Keramik dar. Kombinationen der nichtmetallischen Materialien, so zum Beispiel in Form von mehreren Schichten, sind möglich. Kohlenstoff und Keramiken sind besonders korrosionsbe ständig und daher vorteilhaft.Suitable non-metallic materials are in particular carbon or electrically conductive ceramics. Examples of suitable, electrically conductive ceramics are borides such as TiB ₂ , CrB ₂ , ZrB ₂ , carbides such as TiC, ZrC or nitrides such as TiN, ZrN. SiC doped with nitrogen represents another example of a suitable, electrically conductive ceramic. Combinations of the non-metallic materials, for example in the form of several layers, are possible. Carbon and ceramics are particularly corrosion resistant and therefore advantageous.

Einen Metallkern vorzusehen, führt zu einer hohen Festigkeit und einer großen mechanischen Stabilität im Vergleich zu verbindenden Elementen, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen. Es sind infolgedessen ver gleichsweise geringe Dicken, geringe Massen und folg lich niedrige Herstellungskosten möglich.Providing a metal core leads to a high one Strength and great mechanical stability in the Compared to connecting elements that are complete consist of carbon. As a result, equally small thicknesses, small masses and follow low manufacturing costs possible.

Grundsätzlich genügt eine teilweise Beschichtung des Metallkerns, da lediglich die Bildung einer Oxidschicht an den Kontaktstellen vermieden werden soll. Bei einer teilweisen Beschichtung ist darauf zu achten, daß die Kontaktstellen zu angrenzenden Elektroden beschichtet sind.Basically, a partial coating of the Metal core, since only the formation of an oxide layer should be avoided at the contact points. At a partial coating must be ensured that the Contact points to adjacent electrodes coated are.

Claims

1. Connecting element with the characteristics:

- The connecting element has a core made of metal,
- The metallic core has at least one electrically conductive, non-metallic layer on its surface.

2. connecting element according to the preceding claim, in which the metallic core with carbon and / or an electrically conductive ceramic is.

3. connecting element according to the preceding claim, with the borides, nitrides or carbides as ceramics is provided.

4. Use of a connecting element with the Features according to one of the preceding claims in a high temperature fuel cell.