DE20305084U1 - Stromabnahmeplatte für eine Brennstoffzelle - Google Patents

Stromabnahmeplatte für eine Brennstoffzelle

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Description

P 21 - Power for the 21 st Century GmbH
Unser Zeichen: 112 055 G
Datum: 28. März 2003
Beschreibung Stromabnahmeplatte für eine Brennstoffzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromabnahmeplatte für eine Brennstoffzelle.
Brennstoffzellen sind seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.
Bei der Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über einen Elektrolyten räumlich getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil, an den ein Brennstoff zugeführt wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf, an dem ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden- und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten kann es sich beispielsweise um eine Membran handeln. Solche Membranen haben die Fähigkeit, Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten.
Bei einer PEM-Brennstoffzelle können gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden. Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leichter zu speichernden Brennstoff wie etwa Erdgas, Methanol, Benzin, Diesel oder anderen Kohlenwasserstoffen betreiben, muss man den Kohlenwasserstoff in einer Vorrichtung zum Erzeugen bzw. Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln.
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Eine aus einer Brennstoffzelle bestehende Brennstoffzellenanordnung weist in der Regel mehrere Schichten auf, die sandwichartig übereinander angeordnet sind. Ebenso sind Brennstoffzellenanordnungen bekannt, bei denen eine Anzahl von Brennstoffzellen hintereinander angeordnet sind. Eine solche Brennstoffzellenanordnung wird dann als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack bezeichnet.
In einer Brennstoffzelle bzw. in einer Brennstoffzellenanordnung sind in der Regel eine Reihe von Plattenelementen vorgesehen. Hierbei kann es sich um sogenannte Bipolarplatten und/oder Endplatten handeln. Bipolarplatten sind beispielsweise auf der Anoden und/oder Kathodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen. Sie können wenigstens einen Führungskanal für ein Medium aufweisen, beispielsweise Führungskanäle zum Zuführen des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels. Zwischen den Bipolarplatten kann dann der jeweilige Elektrolyt der Brennstoffzelle angeordnet sein. Die Endplatten einer Brennstoffzelle bzw. einer Brennstoffzellenanordnung bilden den äußeren Abschluss der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstacks. Derartige Endplatten können ebenfalls Führungskanäle für entsprechende Medien aufweisen. Weiterhin verfügen die Endplatten in der Regel über zentrale Medieneinlässe und -auslasse.
Zur Stromabnahme an Stapeln von Brennstoffzellenelementen werden beispielsweise an den Endseiten - Stromabnahmeplatten angebracht, die mit Speicherelementen und/oder Verbrauchern und/oder Steuerelektroniken verbunden sind. Hierbei werden üblicherweise metallische Platten, die unter Umständen korrosionsgeschützt sind, als Stromabnahmeplatten verwendet. Dadurch gelangen jedoch metallische Komponenten in Kontakt mit den Betriebsmedien Kühlwasser, Wasserstoff und/oder Luft, sodass es zu Korrosionsprozessen kommen kann. Nur durch aufwendige leitfähige Beschichtung, beispielsweise mit galvanisch aufgebrachten Gold, kann eine lange Lebensdauer der Platten überhaupt erreicht werden. Aufgrund der unterschiedlichen Materialien kann es zu einem erhöhten Übergangswiderstand zwischen der metallischen Stromabnahmeplatte und den aus
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einem Graphitkomposit bestehenden Bipolarplatten der Brennstoffzelle kommen, was die Energieeffizienz der Brennstoffzelle senkt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zugleich preisgünstige und haltbare Stromabnahmeplatte für Brennstoffzellen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Stromabnahmeplatte für Brennstoffzellen gemäß dem unabhängigen Schutzanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Aspekte und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Schutzansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, statt einer monolithischen, metallischen Stromabnahmeplatte eine Schichtenfolge - beispielsweise ein Laminat - aus jeweils optimal angepassten Materialien zu verwenden.
Dementsprechend ist die Erfindung gerichtet auf eine Stromabnahmeplatte für Brennstoffzellen mit aufeinander gestapelten Schichten, die aufweist:
eine erste Plattenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Polymer oder Polymerkompositen zur Verbindung mit einer Brennstoffzelle;
eine zweite, an die erste Plattenschicht angrenzende Plattenschicht aus einer metallischen Struktur; und
eine dritte, an die zweite Plattenschicht angrenzende Plattenschicht.
Durch die Verwendung dreier Schichten für eine erfindungsgemäße Stromabnahmeplatte kann nicht nur die Menge an notwendigem Metall gegenüber dem Kunststoff vermindert werden, sondern es ist auch möglich, aufgrund der laminierenden Einbettung der zweiten Plattenschicht auf passivierende Oberflächenbeschichtungen des verwendeten Metalls zu verzichten. Auch kann durch die Verwendung mehrerer Schichten in der Schichtenfolge - beispielsweise dem einem Laminat - jede Schicht gemäß ihren Verwendungen optimal angepasst werden.
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Unter einer Schicht ist hier im weitesten Sinne ein flächiger Bereich mit einer gewissen Dicke in einem Objekt zu verstehen, der im wesentlichen einen einheitlichen Materialaufbau aufweist. Benachbarte Schichten können durchaus fließend ineinander übergehen bzw. sich einen bestimmten Raumbereich eines Objekts teilen. Vielmehr muss eine Schicht nicht das gesamte zur Verfügung stehende Volumen einnehmen, sondern kann von dem Material zumindest einer anderen Schicht durchdrungen werden. In diesem Sinne ist auch ein Vliess oder Schwamm eine Schicht, wenn sie von dem Material einer weiteren Schicht durchdrungen wird.
Vorzugsweise weist die erste Plattenschicht ein Basismaterial aus einem Duroplasten oder einem Thermoplasten auf. Der Fachmann kann hier anhand seines Fachwissens und abgestimmt auf Einsatztemperatur, Verwendung und Kontaktmaterialien einen geeigneten Kunststoff problemlos bestimmen.
Um die Leitfähigkeit des Polymers oder Polymerkompositen der ersten Plattenschicht zu gewährleisten, wird dem Material der ersten Plattenschicht eine leitfähige Beimischung aus Graphit und/oder einem Metall beigefügt. Um die Verarbeitbarkeit des für die erste Plattenschicht verwendeten Materials zu erhalten, werden vorzugsweise Beimischungen aus feinpulvrigem Material bevorzugt. Die Beimischung kann beispielsweise korn- oder faserförmig sein.
Alternativ besteht die Möglichkeit, das Material für die erste Plattenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Polymer auszuwählen. Auf diese Weise kann der Vorgang der Beimischung und die Auswahl eines entsprechend leitfähigen Beimischungsmaterials vermieden werden. Eine Entscheidung über eine Beimischung oder die Verwendung eines leitenden Polymers kann der Fachmann anhand der zu erwartenden Ströme beziehungsweise Spannungen leicht treffen.
Die erfindungsgemäß verwendete zweite Plattenschicht aus einer metallischen Struktur dient der Abführung der erzeugten Elektrizität aus der Brennstoffzelle. Die
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zweite Plattenschicht muss daher in elektrisch leitendem Kontakt mit der ersten Plattenschicht stehen. Bezüglich der konkreten Ausführungen stehen dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Vorzugsweise weist die zweite Plattenschicht eine Metallplatte, ein Metallgitter, ein Metallvlies, ein Metallgeflecht oder Kombinationen davon auf. Unter einer Metallplatte ist ein flaches, massives Stück Metall zu verstehen, unter einem Metallgitter eine plattenförmige Metallstruktur, in die Öffnungen eingebracht sind, unter einem Metallvlies ein Gewirke aus Metallfäden beziehungsweise Fasern, und unter einem Metallgeflecht ein verflochtenes Gewebe aus ineinander geschränkten Metallfäden.
Die metallische Struktur der zweiten Plattenschicht kann zumindest teilweise aus wenigstens einem der üblicherweise zur elektrischen Leitung verwendeten Materialien angefertigt sein, beispielsweise Kupfer, Silber, Aluminium, Neusilber oder Eisen. Auch ist es denkbar, das die gesamte Schicht aus einem solchen Material besteht.
Aufgrund der chemischen Isolierung können hierbei auch unedle Metalle, wie eben Eisen, zum Einsatz kommen.
Die dritte Plattenschicht schließlich ist vorzugsweise ein thermoplastisches oder duroplastisches Polymer beziehungsweise umfasst dieses. Auch hier kann der Fachmann anhand seines üblichen Wissens geeignete Polymere identifizieren und zum Einsatz bringen.
Die dritte Plattenschicht kann aus demselben Material bestehen wie die erste Plattenschicht. Dies kann die Herstellung der erfindungsgemäßen Stromabnahmeplatte gegenüber der Verwendung unterschiedlicher Materialien vereinfachen.
Es besteht auch die Möglichkeit, die dritte Schicht aus einem anderen Material herzustellen, um bestimmte, optimal abgestimmte Eigenschaften für diese Schicht zu
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erreichen. Eine bevorzugte Möglichkeit besteht darin, die dritte Plattenschicht aus einem Material herzustellen, das zumindest elektrisch isolierend ist.
Eine zusätzliche Eigenschaft, welche die dritte Plattenschicht aufweisen kann, kann beispielsweise sein, dass sie eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Beispielsweise kann diese auch thermisch isolierend sein.
Um den Strom der erfindungsgemäßen Stromabnahmeplatte tatsächlich entnehmen zu können, wird bevorzugt, dass sie weiterhin eine Stromabnahmevorrichtung aufweist, die mit der zweiten Plattenschicht verbunden ist und von außerhalb der ersten und dritten Plattenschicht zugänglich ist. Eine solche Stromabnahmevorrichtung kann beispielsweise eine mit der zweiten Plattenschicht verbundene Stromabnahmeöse oder ein Stromabnahmekabel sein.
Die erste und dritte Plattenschicht umgeben vorzugsweise gemeinsam die zweite Plattenschicht in abdichtender Weise. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass zu keiner Seite hin die zweite Plattenschicht korrosiven Einflüssen ausgesetzt wird.
Die drei Plattenschichten können in unterschiedlicher Weise miteinander verbunden sein. So ist es möglich, dass die drei Plattenschichten miteinander durch Heisspressung laminiert sind. Hierzu werden alle drei Teile als Festkörper, dass heisst Platten oder plattenähnliche Strukturen unter Druck und Temperatureinwirkung verpresst und geformt. Hierzu können entsprechend geformte Presswerkzeuge verwendet werden, die beheizbar sind. Alternativ kann auch ein Pressgussverfahren auf Pulverbasis, Granulatbasis oder pastös (compression molding) für die Fertigung genutzt werden. Schließlich besteht die Möglichkeit, mittels eines Spritzgusses der dritten Plattenschicht nach Verbindung von erster und zweiter Plattenschicht diese beiden zu umschließen. Dabei muss gewährleistet sein, dass die mittels Spritzguss aufgebrachte dritte Plattenschicht hier noch die elektrische Leitfähigkeit von der Brennstoffzelle in die erste Plattenschicht zulässt.
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Die zweite Plattenschicht ist hierzu beispielsweise nur teilweise umschlossen, so dass die erste Plattenschicht zumindest bereichsweise freibleibt.
Falls erste und dritte Plattenschicht aus demselben Material bestehen, kann ein vereinfachtes Herstellungsverfahren eingesetzt werden, bei dem die zweite Plattenschicht, beispielsweise eine Metallplatte oder ein Vliess, in der Mitte einer Hohlform aufgehängt wird und per Spritzguß oder ähnlicher Verfahren die Form mit dem Material für die ersten und dritten Plattenschichten verfüllt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung übernehmen die Stromabnahmeplatten zusätzlich Funktionen der Bipolarplatten der zugehörigen Brennstoffzellen. So können in die Platten notwendige HilfsStrukturen eingebettet sein. Vorzugsweise weist beispielsweise die erste Plattenschicht Kanäle für ein Anoden-, Kathoden- oder Verteilerfeld oder für ein Kühlmedium auf. Dabei können die Kanäle beispielsweise in eine oder mehrere Plattenschichten der Stromabnahmeplatte eingebracht - etwa eingeprägt - sein. Auch ist denkbar, dass die Kanäle in einer oder beiden Oberfläche(n) der Plattenschicht(en) ausgebildet sind.
Wenn die Kanäle etwa in der ersten Plattenschicht ausgebildet sind, können die für Kühlmittel vorgesehenen Kanäle dabei vorzugsweise auf der, der zweiten Plattenschicht zugewandten, Oberfläche liegen, während die reaktionsbezogenen Kanäle auf der anderen Oberfläche der ersten Plattenschicht angeordnet sind.
Durch die vorbeschriebenen Ausführungsformen der Erfindung lassen sich die Brennstoffzellen kompakter konstruieren.
Die zweite und/oder dritte Plattenschicht kann gleichermaßen Durchbrüche zur Verbindung der Kanäle der ersten Plattenschicht mit der Außenwelt aufweisen. Je nach Bedarf müssen entsprechende Kanalleitungen in der zweiten Plattenschicht
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vorgesehen sein, welche die Kanäle der ersten und dritten Plattenschicht miteinander verbinden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Einsatz im Zusammenhang mit bestimmten Brennstoffzellentypen beschränkt. Beispielsweise können die Brennstoffzellen als PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Bei einer solchen Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt aus einer protonenleitenden Membran. Ebenso ist es möglich, dass die wenigstens eine Brennstoffzelle als alkalische Brennstoffzelle (AFC), als Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC), als Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), als Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle (MCFC), als Oxidkeramische-Brennstoffzelle (SOFC) oder dergleichen ausgebildet ist.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von konkretisierten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen Folgendes dargestellt ist:
Figur 1: zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer plattenförmigen zweiten Plattenschicht; und
Figur 2: zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromabnehmerplatte mit einem eingebetteten Metallvlies.
Figur 1 zeigt eine Stromabnahmeplatte 1 gemäß der Erfindung, die aus einer ersten Plattenschicht 2, einer zweiten Plattenschicht 3 und einer dritten Plattenschicht 4 in einer laminierten Struktur aufgebaut ist. Die erste Plattenschicht 1 besteht aus einem Polymer, welches durch eingearbeitete Graphitpartikel 5 leitfähig gemacht worden ist, während die dritte Plattenschicht 4 aus einem elektrisch isolierenden Material besteht. In dieser Ausführungsform reicht die zweite Plattenschicht 3 aus einem Metall bis zum Rand der Sandwichkonstruktion 1. Es versteht sich jedoch, dass auch die Kanten der zweiten Plattenschicht 3 von polymerem Material, entweder der
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ersten Plattenschicht 2 oder der zweiten Piattenschicht 4 oder einer Kombination beider Plattenschichten abgedeckt sein kann. Ein Kabel 6 verbindet die zweite Plattenschicht 3 mit der Außenwelt. Dieses Kabel kann beispielsweise angelötet oder aufgelegt und durch den Laminationsprozess in elektrischen Kontakt mit der zweiten Plattenschicht gebracht worden sein.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Stromabnahmeplatte gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der anstelle der in der Ausführungsform gemäß Figur 1 verwendeten Metallplatte als zweite Plattenschicht ein Metallvlies 7 Verwendung findet. Dieses ist auf der einen Seite mit einer ersten Plattenschicht 2 mit eingearbeiteten Leitfähigkeitsgraphitkörnern 5 und auf der anderen Seite mit der nicht leitfähigen dritten Plattenschicht 4 laminiert. Diese Ausführungsform der Erfindung kann beispielsweise hergestellt werden, in dem auf die heiße, beziehungsweise noch nicht polymerisierte, in eine Form gegossene erste Plattenschicht 2 das Metallvlies aufgelegt wird und nach Aushärten des Materials auf diese Verbindung die dritte Plattenschicht 4 aufgesetzt oder aufgegossen wird. Hier dient der eigentlichen Stromabführung aus der Stromabnahmeplatte eine Stromabnahmeöse 8, die mit einem Loch zur Durchführung einer Befestigungsschraube für ein Kabel versehen ist.
Die vorliegende Erfindung stellt eine neuartige Stromabnahmeplatte bereit, die gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Vorschlägen verschiedene Vorteile aufweist. Die Zahl der Materialpaarungen kann bei der erfindungsgemäßen Stromabnahmeplatte vermindert werden. Durch die Wahl eines geeigneten Produktionsprozesses können darüber hinaus die Kosten gut reduziert werden. Des Weiteren ist es möglich, eine bessere, weil kompaktere Integration dieser Komponente durch Kombination von Eigenschaften einer Bipolarplatte und einer Stromabnahmeplatte zu erreichen. Ferner ist die elektrische Isolation der Stromabnahmeplatte zur Umgebung in leichter Weise zu realisieren. Auch eine thermische Isolation der erfindungsgemäßen Stromabnahmeplatte gegenüber der Umgebung kann in einfacher Weise durch geeignete Wahl der dritten Plattenschicht
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realisiert werden. Auch die elektrische Stabilität des Anschlusses kann insgesamt verbessert werden, indem die Stromabnahmeplatte direkt in einen geeigneten Kabelstrang übergeht.

Claims (16)

1. Stromabnahmeplatte (1) für Brennstoffzellen mit aufeinander gestapelten Schichten, aufweisend
eine erste Plattenschicht (2) aus einem elektrisch leitfähigen Polymer oder Polymer- Kompositen zur Verbindung mit einer Brennstoffzelle,
eine zweite, an die erste Plattenschicht angrenzende Plattenschicht (3, 7) aus einer metallischen Struktur, und
eine dritte, an die zweite Plattenschicht angrenzende Plattenschicht (4).
2. Stromabnahmeplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Plattenschicht (2) ein Basismaterial aus einem Duroplasten oder einem Thermoplasten aufweist.
3. Stromabnahmeplatte (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Plattenschicht (2) eine leitfähige Beimischung (5) aus Graphit und/oder einem Metall aufweist.
4. Stromabnahmeplatte (1) nach Anspruch 1 der 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Plattenschicht (2) aus einem elektrisch leitenden Polymer besteht.
5. Stromabnahmeplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Plattenschicht (3, 7) eine Metallplatte (3), ein Metallgitter, ein Metallvliess (7), ein Metallgeflecht oder Kombinationen davon aufweist.
6. Stromabnahmeplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Struktur der zweiten Plattenschicht (3, 7) zumindest teilweise aus wenigstens einem der Materialien Kupfer, Silber, Aluminium, Neusilber oder Eisen besteht.
7. Stromabnahmeplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Plattenschicht (4) ein thermoplastisches oder duroplastisches Polymer umfasst.
8. Stromabnahmeplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Plattenschicht (4) aus einem zumindest elektrisch isolierenden Material besteht.
9. Stromabnahmeplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Plattenschicht (4) aus demselben Material wie die erste Plattenschicht (2) besteht.
10. Stromabnahmeplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Plattenschicht (4) eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
11. Stromabnahmeplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Stromabnahmevorrichtung (6, 8) aufweist, die mit der zweiten Plattenschicht (3, 7) verbunden und von außerhalb der ersten und dritten Plattenschicht (2, 4) zugänglich ist.
12. Stromabnahmeplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass erste und dritte Plattenschicht (2, 4) gemeinsam die zweite Plattenschicht (3, 7) in abdichtender Weise umgeben.
13. Stromabnahmeplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Plattenschichten miteinander durch Heißpressung laminiert sind.
14. Stromabnahmeplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Plattenschicht (4) durch Spritzguss an den miteinander verbundenen ersten und zweiten Plattenschichten (2, 3, 7) angebracht ist.
15. Stromabnahmeplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Plattenschicht Kanäle für ein Anoden-, Kathoden- oder Verteilerfeld oder ein Kühlmedium enthält.
16. Stromabnahmeplatte (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und/oder dritte Plattenschicht (4) Durchbrüche zur Verbindung der Kanäle der ersten Plattenschicht (2) mit der Außenwelt aufweist.
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