EP1470604A2 - Bipolarplatte, pressvorrichtung sowie verfahren zur herstellung einer solchen - Google Patents

Bipolarplatte, pressvorrichtung sowie verfahren zur herstellung einer solchen

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EP1470604A2
EP1470604A2 EP02792836A EP02792836A EP1470604A2 EP 1470604 A2 EP1470604 A2 EP 1470604A2 EP 02792836 A EP02792836 A EP 02792836A EP 02792836 A EP02792836 A EP 02792836A EP 1470604 A2 EP1470604 A2 EP 1470604A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bipolar plate
fine structure
press
plate
bipolar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02792836A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietrich Kehr
Günter Rinn
Volker Banhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Original Assignee
Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schunk Kohlenstofftechnik GmbH filed Critical Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Publication of EP1470604A2 publication Critical patent/EP1470604A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Bipolar plate Press device and method for producing such
  • the invention relates to a bipolar plate of a fuel cell, which consists of a thermosetting and / or thermoplastic and a carbon filler with a filler content of preferably 70 wt.% To 95 wt.%,
  • the bipolar plate having a structure such as open or has closed channels for guiding or flowing through a fluid.
  • the invention further relates to a pressing device for forming a bipolar plate of a fuel cell.
  • the invention also relates to a method for producing a bipolar plate of a fuel cell consisting of a thermosetting or thermoplastic plastic with carbon filler with a filler content of preferably 70% by weight to 95% by weight, one containing the plastic and the carbon filler Starting mixture is poured into a press mold and then molded with a press die, which has a structure like open or closed channels having a bipolar plate.
  • the electrodes often consist of a soot layer provided with a catalyst, which is applied to the membrane, platinum but also other suitable noble metals such as palladium being used as catalysts.
  • the reactants can be supplied to the electrodes via bipolar plates which consist of a thermosetting plastic with carbon filler with a filler content of in particular 70% to 95% by weight. Channels along which the reactants flow are embedded in the surfaces of the bipolar plates facing the electrodes.
  • hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell as the reaction gas, cations are formed in the catalyst layer of the anode and electrons are simultaneously released to the electron-conducting anode.
  • Oxygen or air is supplied to the cathode side of the cell as the oxidizing agent.
  • the reaction gas oxygen is reduced by taking up the hydrogen ions (protons) diffused through the ion-conductive membrane and the electrons flowing through the external circuit from the anode to the cathode. This reaction takes place in the catalyst layer of the cathode which is in contact with the membrane. Water is the reaction product.
  • the reaction enthalpy is released in the form of electrical energy and heat.
  • a diffusion layer is arranged between the respective electrode and the bipolar plate so that the reactants come into contact with the respective electrode or the catalyst present therein to a sufficient extent.
  • the electrode is not covered by the webs or walls between the channels of the bipolar plate, as a result of which the efficiency could otherwise be impaired.
  • Bipolar plates with the same or similar composition are known from DE 100 19 094 AI and DE 198 23 880 AI.
  • DE 195 42 721 discloses a process for producing moldings from plastic / filler mixtures, the moldings also serving as plates for electrical or electrochemical purposes.
  • the plates can have a coating that gives them electrical, chemical, mechanical, optical or color properties.
  • the application of a catalytic is stated. in particular an electrochemically acting catalytic layer, for example metal or metal compounds of the elements of the V11I. Subgroup of the periodic table of elements or electrically semiconducting substances contains or consists of them.
  • bipolar plates are produced, the channel density of which is relatively large in relation to the plate surface.
  • the cross sections of the channel or channels are relatively small, with the result that there is a risk that the channels will be blocked by the resulting reaction product, water, and thus water drops that form.
  • the present invention is based on the problem of developing a bipolar plate or a method for producing such or a pressing device for producing a bipolar plate in such a way that it is ensured that liquid drops cannot block the channels of the bipolar plate without influencing the electrical properties ,
  • the problem with a bipolar plate of the type mentioned at the outset is solved in that the structured area of the bipolar plate is at least partially hydrophobic or provided with a hydrophobic layer.
  • the bipolar plate is further developed in such a way that droplet formation is prevented without, however, influencing the electrical properties of the bipolar plate.
  • the so-called lotus effect is used in particular, which prevents water from sticking to a surface, i.e. it allows water to bead off well. Any dirt present is also removed at the same time.
  • the lotus effect itself is known in and of itself.
  • Coatings that have a corresponding lotus effect are only for large areas such as the outer skin of buildings. Vehicles, planes, ships, machines determine and have the basic task of making the corresponding surfaces dirt-repellent.
  • the structure of a bipolar plate is in turn provided with a fine structure or microstructure, that is to say to form a structure in a structure, the function of the bipolar plates for generating electrical energy not being negatively influenced.
  • the fine or micro structure is preferably formed by elevations which have an average height H with 5 nm ⁇ H ⁇ 1 ⁇ m.
  • the fine structure can also be formed by embossing, in particular when the structure is being formed.
  • the fine structure can also be formed by roughening the structure by preferably etching or radiation.
  • the bipolar plate has a corresponding fine or microstructure on its structure running on the cathode side.
  • the fine structure can also be produced by plasma deposition, mask technology, screen printing, lithographically, by plasma etching or applied as a slurry, that is to say a technology which corresponds to that of an inkjet printer is used.
  • a press device comprising a press mold (die) and press stamps for producing a bipola plate having a structure
  • the press mold and / or the press stamp has a geometry such that both the shape of the plate and an at least regionally fine structuring thereof can be formed
  • the mold and / or the press ram can have a fine structure formed by elevations, the elevations on average having a flea H with 5 nm ⁇ H ⁇ 1 ⁇ m.
  • a method for producing a bipolar plate of a fuel cell consisting of a thermosetting and / or thermoplastic plastic with carbon filler with a filler content of preferably 70% by weight to 95% by weight, a starting mixture containing the plastic and the carbon filler being filled into a mold and then with a press stamp to which a structure in the form of open or closed channels is formed bipole plate, is characterized in that the structure is finely structured at least in some areas in order to achieve water repellency, in particular the fine structure can be obtained by plasma deposition, radiation, mask technology, screen printing , lithographic process, plasma etching or embossing. However, it is preferably provided that the fine structure is formed at the same time as the plate is being shaped.
  • Fig. 1 is an exploded perspective view of a portion of a
  • Fig. 2 shows a section of a bipolar plate
  • Fig. 3 is a schematic diagram of a press tool.
  • a section of a fuel cell is shown purely in principle and in an exploded view, a membrane electrode arrangement (MEA) 10 being arranged between two bipolar plates 12, 14.
  • the Bipola ⁇ latten can consist of one or more sections or parts 16, 18.
  • the bipola slats 12, 14 should consist of a thermosetting ⁇ n ⁇ V or thermoplastic plastic (thermoset or thermoplastic) with carbon filler with a filler content of in particular 70% by weight to 95% by weight.
  • thermosetting ⁇ n ⁇ V or thermoplastic plastic thermoset or thermoplastic
  • carbon filler with a filler content of in particular 70% by weight to 95% by weight.
  • the bipolar plates 12, 14 also have a structure, at least on the surface 20 facing the membrane electrode assembly 10, in the form of channels 22 which preferably run in a meandering pattern and which are optionally subdivided into sections. Then reactants flow through the channels 22 — hydrogen or methane on the anode side and air or oxygen on the cathode side.
  • the bipolar plate 12 is formed in one piece, whereas the bipolar plate 14 consists of sections 16, 18 which are aligned in the form of plates and which can be connected by means of ultrasound or friction welding. Furthermore, the bipolar plate 12, 14 can have cooling channels as shown in the bipolar plate 14.
  • the membrane electrode assembly 10 comprises a membrane 24 which is permeable to cations, along the surfaces of which a soot layer with a noble metal catalyst such as platinum or Palladium are arranged as anode 26 or cathode 28.
  • Anode 26 and cathode 28 are in turn covered by a gas diffusion layer 30, 32, which completely cover the channels 22 of the bipolar plates 12, 14 when the unit is composed of the bipolar plates 12, 14 and the membrane electrode arrangement 10, but at the same time the possibility offer that the reactants flowing in the channels 22 can be distributed over the entire electrode surfaces, so that the desired chemical reaction can take place with high efficiency.
  • the channels 22 Since the channel density per bipolar surface should be relatively large, in contrast to the basic illustration in FIG. 1, the channels 22 have a small cross section, with the result that water or water drops formed in the channels 22 on the cathode side due to the chemical reaction taking place Block the channels 22 can cause.
  • at least the channels 22 have a fine or microstructure in their flanks 34, 36 and / or their bottom surface 38, through which the walls 34, 36, 38 of the channels 22 become hydrophobic.
  • the fine structure can be formed in the walls 34, 36, 38 itself or can be produced by applying a coating.
  • a powder can be applied to the channel walls 34, 36, 38, which is made hydrophobic by organic silicon compounds.
  • the desired fine structure can also be formed by plasma deposition, radiation, mask technology, screen printing, lithographic processes or plasma etching.
  • the fine structure in the actual sense is formed by elevations and between these valleys, the elevations should have an average flea H with 5 nm ⁇ H ⁇ 1 ⁇ m.
  • the distance between the individual surveys should average 10 nm to 5 ⁇ m.
  • the fine structure is also formed during the pressing or shaping of the respective bipolar plate 18, 20.
  • 3 shows a press device 40 consisting of a die or mold 42 and a press die 46 which can be adjusted in the interior 44 thereof.
  • the die 42 has a structured bottom surface 48 which corresponds to the negative shape of a bipolar plate to be produced.
  • the areas of the structure that are intended to limit the channels 22 in the finished bipolar plate have a microstructure. which corresponds to the negative form of the fine microstructure to be produced of the finished bipolar plate.
  • the corresponding areas have a surface geometry formed by pointed elevations and valleys, which creates the desired hydrophobic properties in the finished bipolar plate.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, die aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff und einem Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew. % bis 95 Gew. % besteht, wobei die Bipolarplatte zumindest bereichsweise eine Struktur wie offene oder geschlossene Kanäle zum Führen bzw. Durchströmen eines Fluids aufweist. Um ein Versperren der Kanäle durch zum Beispiel Flüssigkeitstropfen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass strukturierter Bereich (22) der Bipolarplatte (12, 14) zumindest abschnittsweise hydrophob ausgebildet oder mit einer hydrophoben Schicht versehen ist.

Description

Beschreibung
Bipolarplatte. Pressvorrichtung sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, die aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff und einem Kohlenstoff- Füllstoff mit eine Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.% bis 95 Gew.% besteht, wobei die Bipolarplatte zumindest bereichsweise eine Struktur wie offene oder geschlossene Kanäle zum Führen bzw. Durchströmen eines Fluids aufweist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Pressvorrichtung zum Formen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle bestehend aus einem wärmeaushärtbaren oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.% bis 95 Gew.%, wobei eine den Kunststoff und den Kohlenstoff-Füllstoff enthaltende Ausgangsmischung in eine Pressform eingefüllt und sodann mit einem Pressstempel der eine Struktur wie offene oder geschlossene Kanäle aufweisenden Bipolarplatte geformt wird.
In Brennstoffzellen kann chemische Energie mit hohem Wirkungsgrad direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. Das Grundprinzip wird durch eine räumliche Trennung von Reaktionspartnern wie Wasserstoff oder Methan einerseits und Sauerstoff bzw. Luft andererseits durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten wie Polymerelektrolytmembran verwirklicht, die auf beiden Seiten mit porösen Elektroden - der Anode und der Kathode - in Kontakt steht. Auf diese Weise kann eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff nicht explosionsartig als Knallgasreaktion ablaufen, sondern so kontrolliert durchgeführt werden, dass ein Elektronenaustausch zwischen den Reaktionspartnern über einen äußeren Stromkreis erfolgt und somit die elektrische Energie liefert.
Die Elektroden bestehen häufig aus einer mit einem Katalysator versehener Rußschicht, die auf der Membran aufgebracht ist, wobei als Katalysatoren vorzugsweise Platin aber auch andere geeignete Edelmetalle wie Palladium verwendet werden.
Die Zufuhr der Reaktionspartner zu den Elektroden kann über Bipolarplatten erfolgen, die aus einem wärmeaushärtbaren Kunststoff mit Kohlenstofffüllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew% bis 95 Gew% bestehen. In die den Elektroden zugewandten Flächen der Bipolarplatten sind Kanäle eingelassen, entlang der die Reaktionspartner strömen. Wird als Reaktionsgas Wasserstoff der Anode der Brennstoffzelle zugeführt, so werden in der Katalysatorschicht der Anode Kationen gebildet und gleichzeitig Elektronen an die elektronenleitende Anode abgegeben. Als Oxidationsmittel wird Sauerstoff oder Luft der Kathodenseite der Zelle zugeführt. Durch Aufnahme der durch die ionenleitfähige Membran diffundierten Wasserstoffionen (Protonen) und der durch den Außenstromkreis von der Anode zur Kathode fließenden Elektronen wird das Reaktionsgas Sauerstoff reduziert. Diese Reaktion läuft in der Katalysatorschicht der Kathode ab, die mit der Membran kontaktiert ist. Als Reaktionsprodukt entsteht Wasser. Die Reaktionsenthalpie wird in Form von elektrischer Energie und Wärme frei.
Damit die Reaktionspartner im hinreichenden Umfang mit der jeweiligen Elektrode bzw. dem in dieser vorhandenen Katalysator in Kontakt gelangen, wird zwischen der jeweiligen Elektrode und der Bipolarplatte eine Diffussionsschicht angeordnet. Somit wird die Elektrode durch die zwischen den Kanälen der Bipolarplatte vorhandenen Stege oder Wandungen nicht abgedeckt, wodurch andernfalls der Wirkungsgrad beeinträchtigt werden könnte. Bipolarplatten mit einer gleichen oder ähnlichen Zusammensetzung sind aus der DE 100 19 094 AI und der DE 198 23 880 AI bekannt. Die DE 195 42 721 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Fonukörpern aus Kunststoff-Füllstoff-Mischungen, wobei die Formkörper auch als Platten für elektrische bzw. elektrochemische Zwecke dienen. Dabei können die Platten eine Beschichtυng aufweisen, die diesen elektrische, chemische, mechanische, optische oder farbliche Eigenschaften verleiht. Angegeben wird das Aufbringen einer katalytisch. insbesondere einer elektrochemisch wirkenden katalytischen Schicht, die beispielsweise Metall oder Metallverbindungen der Elemente der V11I. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder elektrisch halbleitende Substanzen enthält oder aus ihnen besteht.
Nach der US 5,858.574 werden auf der Innenseite eines Gehäuses oder auch hochgezogener Randbereiche von übereinander angeordneten Bipolarplatten elektrisch isolierende hydrophobe Schichten aus Teflon^ aufgebracht.
Weitere Brennstoffzellen bzw. für diese bestimmte Bipolarplatten sind der DE 195 42 721 AI, DE 91 14 247 Ul , DE 26 35 636 C2, WO 96/33520 oder der DE 198 29 142 AI zu entnehmen.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades werden Bipolarplatten hergestellt, deren Kanaldichte zur Plattenfläche relativ groß ist. Hierdurch bedingt sind die Querschnitte des bzw. der Kanäle relativ gering mit der Folge, dass die Gefahr besteht, dass die Kanäle durch das entstehende Reaktionsprodukt Wasser und somit sich ausbildende Wassertropfen versperrt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Bipolarplatte bzw. ein Verfahren zum Herstellen einer solchen bzw. eine Pressvorrichtung zum Herstellen einer Bipolaφlatte derart weiterzubilden, dass sichergestellt ist, dass Flüssigkeitstropfen die Kanäle der Bipolaφlatte nicht versperren können, ohne dass die elektrischen Eigenschaften beeinflusst werden. Erfindungsgemäß wird das Problem bei einer Bipolaφlatte der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass strukturierter Bereich der Bipolaφlatte zumindest abschnittsweise hydrophob ausgebildet oder mit einer hydrophoben Schicht versehen ist.
Mit anderen Worten wird die Bipolaφlatte derart weitergebildet, dass eine Tropfenbildung unterbunden wird, ohne jedoch die elektrischen Eigenschaften der Bipolaφlatte zu beeinflussen. Hierzu wird insbesondere der sogenannte Lotus-Effekt ausgenutzt, der ein Anhaften von Wasser an einer Oberfläche verhindert, also Wasser gut abperlen lässt. Gleichzeitig wird eventuell vorhandener Schmutz mit entfernt.
Der Lotus-Effekt selbst ist an und für sich bekannt. Insoweit wird zum Beispiel auf das DE 201 01 170 Ul, die DE 19941 048 AI, die DE 199 43 299 AI oder die DE 199 17 366 AI verwiesen. Beschichtυngen, die einen entsprechenden Lotus-Effekt bewirken, sind dabei jedoch ausschließlich für große Flächen wie Außenhaut von Gebäuden. Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen, Maschinen bestimmt und haben die grundsätzliche Aufgabe, die entsprechenden Flächen schmutzabweisend auszubilden.
Erfindungsgemäß ist dagegen vorgesehen, dass die Struktur einer Bipolaφlatte ihrerseits mit einer Feinstruktur oder MikroStruktur versehen ist, also eine Struktur in einer Struktur auszubilden, wobei die Funktion der Bipolaφlatten zur Erzeugung elektrischer Energie nicht negativ beeinflusst wird. Die Fein- oder MikroStruktur wird vorzugsweise durch Erhebungen gebildet, die eine mittlere Höhe H mit 5 nm < H < 1 μm aufweisen. Dabei kann die Feinstruktur durch Prägen, insbesondere beim Ausbilden der Struktur selbst mit ausgebildet sein. Die Feinstruktur kann aber auch durch eine Aufrauhung der Struktur durch vorzugsweise Ätzen oder Strahlung gebildet sein. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Feinstruktur durch Aufbringen eines Pulvers eines Polymers auszubilden, das zum Beispiel durch organische Siliziumverbindungen hydrophobiert ist. Insbesondere weist die Bipolarplatte auf ihrer kathodenseitig verlaufenden Struktur eine entsprechende Fein- oder Mi- krostruktur auf. Die Feinstruktur kann aber auch durch Plasmaabscheidung, Maskentechnik, Siebdruck, lithographisch, durch Plasmaätzen hergestellt sein oder als Slurry aufgebracht werden, also eine Technik zur Anwendung gelangt, die der eines Tintenstrahldruckers entspricht.
Eine Pressvorrichtung umfassend eine Pressform (Gesenk) sowie Pressstempel zur Herstellung einer eine Struktur aufweisenden Bipolaφlatte zeichnet sich dadurch aus, dass die Pressform und/oder der Pressstempel eine Geometrie derart aufweist, dass sowohl die Form der Platte als auch eine zumindest bereichsweise Feinstrukturierung dieser ausbildbar ist. Dabei kann die Pressform und/oder der Pressstempel eine durch Erhebungen gebildete Feinstrukturierung aufweisen, wobei die Erhebungen im Mittel eine Flöhe H mit 5 nm < H < 1 μm aufweisen.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolaφlatte einer Brennstoffzelle bestehend aus einem wärmeaushärtbaren und oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.% bis 95 Gew.%, wobei eine den Kunststoff und den Kohlenstoff-Füllstoff enthaltende Ausgangsmischung in eine Pressform eingefüllt und sodann mit einem Pressstempel zu der eine Struktur in Form von offenen oder geschlossenen Kanälen aufweisenden Bipolaφlatte geformt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass die Struktur zumindest bereichsweise zur Erzielung einer Wasserabweisung feinstrukturiert wird, insbesondere kann die Feinstruktur durch Plasmaabscheidung, Strahlung, Maskentechnik, Siebdruck, lithographisches Verfahren, Plasmaätzen oder Prägen ausgebildet werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Feinstruktur gleichzeitig beim Formen der Platte gebildet wird.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer
Brennstoffzelle,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Bipolaφlatte und
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Presswerkzeuges.
In Fig. 1 ist rein prinzipiell und in auseinandergezogener Darstellung ein Ausschnitt einer Brennstoffzelle dargestellt, wobei eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 10 zwischen zwei Bipolaφlatte 12, 14 angeordnet ist. Die Bipolaφlatten können aus einem oder mehreren Abschnitten oder Teilen 16, 18 bestehen.
Unabhängig hiervon sollten die Bipola latten 12, 14 aus einem wärmeaushärtbaren υnαV- oder thermopl astischen Kunststoff (Duroplast bzw. Thermoplast) mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.% bis 95 Gew.% bestehen. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Techniken verwiesen. Auch weisen die Bipolarplatten 12, 14 zumindest auf der der Membran-Elektroden-Anordnung 10 zugewandten Fläche 20 eine Struktur in Form von vorzugsweise mäanderförmig verlaufenden Kanäle 22 auf, die gegebenenfalls in Sektionen unterteilt sind. Durch die Kanäle 22 strömen sodann Re- aktanden - anodenseitig Wasserstoff oder Methan und kathodenseitig Luft oder Sauerstoff.
Dabei ist im Ausfuhrungsbeispiel die Bipolaφlatte 12 einstückig ausgebildet, wohingegen die Bipolaφlatte 14 aus plattenförmig fluchtend zueinander ausgerichteten Abschnitten 16, 18 besteht, die mittels Ultraschall- oder Reibschweißen verbunden sein können. Ferner können die Bipolaφlatte 12, 14 Kühlkanäle aufweisen, wie diese in der Bipolaφlatte 14 eingezeichnet sind.
Die Membran-Elektroden- Anordnung 10 umfasst eine für Kationen permeable Membran 24, entlang deren Flächen eine Rußschicht mit einem Edelmetallkatalysator wie Platin oder Palladium als Anode 26 bzw. Kathode 28 angeordnet sind. Anode 26 und Kathode 28 sind ihrerseits von jeweils einer Gasdiffusionsschicht 30, 32 abgedeckt, die bei zusammengesetzter Einheit bestehend aus den Bipolaφlatten 12, 14 und der Membran-Elektroden- Anordnung 10 die Kanäle 22 der Bipolaφlatten 12, 14 vollständig abdecken, gleichzeitig jedoch die Möglichkeit bieten, dass die in den Kanälen 22 strömenden Reaktanden sich über die gesamten Elektrodenflächen verteilen können, damit die gewünschte chemische Reaktion mit hohem Wirkungsgrad ablaufen kann.
Da - abweichend von der Prinzipdarstellung in Fig. 1 - die Kanaldichte pro Bipolarfläche relativ groß sein sollte, weisen die Kanäle 22 einen kleinen Querschnitt mit der Folge auf, dass in den kathodenseitig verlaufenden Kanälen 22 durch die ablaufende chemische Reaktion entstehendes Wasser bzw. Wassertropfen ein Versperren der Kanäle 22 bewirken können. Um dies zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest die Kanäle 22 in ihren Flanken 34, 36 und/oder ihrer Bodenfläche 38 eine Fein- oder Mi- krostruktυr aufweisen, durch die die Wandungen 34, 36, 38 der Kanäle 22 hydrophob werden. Dabei kann die Feinstruktur in den Wandungen 34, 36, 38 selbst ausgebildet oder durch Auftragen einer Beschichtung hergestellt werden.
So kann zum Beispiel auf die Kanalwandungen 34, 36, 38 ein Pulver aufgebracht werden, das durch organische Siliziumverbindungen hydrophobiert wird.
Aber auch die Möglichkeit des Auftragens eines Plasmapolymerfϊlms, Aufrauen dieses durch Ätzen führt zu dem gleichen Ergebnis, wobei jedoch sicherzustellen ist, dass die aufgebrachten Schichten bzw. Filme die ablaufenden chemischen Prozesse zwischen den Reaktanden nicht stören.
Aber auch durch Plasmaabscheidung, Strahlung, Maskentechnik Siebdruck, lithographische Verfahren oder Plasmaätzen ist die Ausbildung der gewünschten Feinstruktur möglich. Dabei wird die Feinstruktur im eigentlichen Sinne durch Erhebungen und zwischen diesen verlaufenden Tälern gebildet, wobei die Erhebungen eine mittlere Flöhe H mit 5 nm < H < 1 μm aufweisen sollten. Der Abstand zwischen den einzelnen Erhebungen sollte im Mittel 10 nm bis 5 μm betragen.
Insbesondere ist jedoch vorgesehen, dass beim Pressen bzw. Formen der jeweiligen Bipolarplatte 18, 20 die Feinstruktur mit ausgebildet wird. So ist in Fig. 3 eine Pressvorrichtung 40 bestehend aus einem Gesenk oder Pressform 42 und einen in dessen Innenraum 44 verstellbaren Pressstempel 46 dargestellt. Das Gesenk 42 weist eine strukturierte Bodenfläche 48 auf, die der Negativform einer herzustellenden Bipolaφlatte entspricht. Dabei weisen die Bereiche der Struktur, die bei der fertigen Bipolarplatte die Kanäle 22 begrenzen sollen, eine MikrostiOktur auf. die der Negativform der herzustellenden Fein-Mikrostruktur der fertigen Bipolaφlatte entspricht.
Wie der vergrößerte Ausschnitt in Fig. 3 verdeutlicht, weisen die entsprechenden Bereiche eine durch spitze Erhebungen und Täler gebildete Oberflächengeometrie auf, die bei der fertigen Bipolarplatte die gewünschten hydrophoben Eigenschaften sich erstellt.

Claims

Patentansprüche
1. Bipolaφlatte (12, 14) einer Brennstoffzelle, die aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff und einem Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.% bis 95 Gew.% besteht, wobei die Bipolaφlatte zumindest bereichsweise eine Struktur wie offene oder geschlossene Kanäle (22) zum Führen bzw. Durchströmen eines Fluids aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass strukturierter Bereich der Bipolaφlatte (12, 14) zumindest abschnittsweise hydrophob ausgebildet oder mit einer hydrophoben Schicht versehen ist.
2. Bipolaφlatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der Bipolaφlatte (12, 14) ihrerseits bereichsweise mit einer Feinstruktur versehen ist.
3. Bipolaφlatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Erhebungen gebildet ist, die eine mittlere Höhe H mit 5 nm < H < 1 μm aufweisen.
4. Bipolar nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen einen Abstand A mit vorzugsweise 10 nm < A < 5 μm aufweisen.
5. Bipolarplatte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Prägen gebildet ist.
6. Bipolaφlarte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. dass die Feinstruktur beim Ausbilden der Struktur der Bipolarplatte (12, 14) ausgebildet ist.
7. Bipolarplatte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur eine Aufrauung der Struktur durch vorzugsweise Ätzen oder Strahlung ist.
8. Bipolaφlatte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Aufbringen eines Pulvers aus einem hydrophoben Polymer gebildet ist.
9. Bipolaφlatte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur auf kathodensehig verlaufender Struktur einer Bipolaφlatte (12) ausgebildet ist.
10. Bipolaφlatte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. dass die Feinstruktur durch Plasmaabscheidung, Maskentechnik, Siebdruck, Litho- praphie oder Plasmaätzen ausgebildet ist.
11. Pressvorrichtung zum Herstellen einer Bipolaφlatte einer Brennstoffzelle umfassend eine Pressform mit in diese hineinverstellbarem Pressstempel, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressform (42) und/oder der Pressstempel (46) der Pressvorrichtung (40) eine Geometrie derart aufweist, dass sowohl die Form der Bipolarplatte als auch zumindest bereichsweise eine Feinstruktur in dieser ausbildbar ist.
12. Pressvorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pressfonn (42) und/oder der Pressstempel (46) eine durch Erhebungen gebildete Feinstruktur aufweist, wobei die Erhebungen im Mittel eine Höhe II mit 5 nm < H < 1 μm und/oder im Mittel einen Abstand A mit 10 nm < A < 5 μm aufweisen.
13. Verfahren zum Herstellen einer Bipolaφlatte (12, 14) einer Brennstoffzelle bestehend aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.% bis 95 Gew.%, wobei eine den Kunststoff und den Kohlenstoff-Füllstoff enthaltende Ausgangsmischung in eine Pressform (42) eingefüllt und sodann mit einem Pressstempel (46) zu der eine Struktur in Form von offenen oder geschlossenen Kanälen (22) aufweisenden Bipolaφlatte geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Struktur der Bipolaφlatte (12, 14) mit einer Feinstruktur versehen wird.
14. Verfahrennach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Prägen ausgebildet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet. dass die Feinstruktur durch Plasmaabscheidung. Strahlung, Maskentechnik, Siebdruck, Lithographie oder durch Plasmaätzen ausgebildet wird.
16. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur durch Auftragen einer hydrophobierten Schicht ausgebildet wird.
17. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Struktur ein Plasmapolymerlilm aufgetragen und sodann durch Ätzen aufgeraut wird.
18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetragene Schicht durch organische Siliziumverbindungen hydro- phobiert wird.
19. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 17 zur Herstellung einer Bipolaφlatte nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, d ad u rc h g e k en n z e i c hn e t, dass der strukturierte Bereich der Bipolaφlatte derart hydrophob ausgebildet wird, dass eine Beeinflussung derer Eigenschaften zum Umwandeln chemischer Energie in elektrischen Strom unterbleibt.
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