WO2018130388A1 - Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte, bipolarplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte, bipolarplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle Download PDF

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WO2018130388A1
WO2018130388A1 PCT/EP2017/083751 EP2017083751W WO2018130388A1 WO 2018130388 A1 WO2018130388 A1 WO 2018130388A1 EP 2017083751 W EP2017083751 W EP 2017083751W WO 2018130388 A1 WO2018130388 A1 WO 2018130388A1
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fuel cell
electrode
bipolar plate
plate
distributing
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PCT/EP2017/083751
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Ulrich Berner
Friedrich Kneule
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a bipolar plate for a fuel cell.
  • the invention further relates to a bipolar plate for a
  • a fuel cell comprising a first distribution region defined by a first separation plate for distributing a fuel to a first electrode and a second distribution region defined by a second separation plate for distributing an oxidant to a second electrode.
  • the invention also relates to a fuel cell, which comprises at least one membrane-electrode assembly with a first electrode and a second electrode, which are separated from each other by a membrane, and at least one bipolar plate.
  • a fuel cell is a galvanic cell, which is the chemical
  • Reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent converts into electrical energy.
  • a fuel cell is therefore an electrochemical energy converter.
  • known fuel cells in particular hydrogen (H2) and oxygen (02) in water (H20), electrical energy and heat are converted.
  • An electrolyzer is an electrochemical energy converter which splits water (H20) into hydrogen (H2) and oxygen (02) by means of electrical energy.
  • proton exchange membrane PEM
  • PEM proton exchange membrane
  • Proton exchange membrane fuel cells further include an anode and a cathode.
  • the fuel is supplied to the anode of the fuel cell and catalytically oxidized to protons with release of electrons.
  • the protons pass through the membrane to the cathode.
  • the emitted electrons are discharged from the fuel cell and flow through an external circuit to the cathode.
  • the oxidant is supplied to the cathode of the fuel cell and it reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons that have passed through the membrane to the cathode to water. The resulting water is discharged from the fuel cell.
  • the gross reaction is:
  • a voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell.
  • a plurality of fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack and electrically connected.
  • the bipolar plates have, for example, channel-like structures for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes.
  • the channel-like structures also serve to dissipate the water formed during the reaction.
  • the bipolar plates may further include structures for passing a cooling liquid through the fuel cell to dissipate heat.
  • AI is a fuel cell with a
  • each of the two plate halves has a distribution region which is provided for distributing the reaction gases.
  • the bipolar plate has a meandering
  • the meandering channel serves to introduce hydrogen or oxygen into the fuel cell.
  • a method for producing a bipolar plate for a fuel cell which comprises a first limited by a separating plate
  • Distribution area for distributing a fuel to a first electrode and a limited by a partition plate second distribution area for distributing an oxidizing agent to a second electrode can also be used in other electrochemical energy converters, for example in an electrolyzer.
  • the two distribution areas can be limited in each case by a separate partition plate or by a common partition plate.
  • a raw material having particles is applied to the separating plate in at least one of the distribution regions, and the particles are then joined together by sintering to form an element and to the separating plate. After sintering, an element has thus emerged from the particles, which element is connected to the separating plate.
  • the element is preferably porous.
  • the raw material is present, for example, in a powdery or fine-grained state or as granules.
  • the particles may be in the form of spheres but may also have any other, random, irregular shape.
  • the particles preferably have an equivalent outside diameter between 0.1 ⁇ m and 500 ⁇ m, preferably between 1 ⁇ m and 250 ⁇ m, more preferably between 5 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the equivalent outer diameter of such a particle corresponds to the diameter of a sphere which has the same volume as the particle.
  • the element is produced in the second distribution region, which serves to distribute the oxidizing agent to the second electrode and to dissipate water formed in the reaction.
  • the element can also, alternatively or additionally, be produced in the first distribution region for distributing a fuel to the first electrode.
  • the raw material additionally has a binder.
  • the binder holds the particles together after application to the separation plate and prevents movement of the particles before sintering.
  • the binder can be one
  • plastic-based system that burns during sintering.
  • the binder may contain polyvinyl butyral (PVB).
  • PVB polyvinyl butyral
  • the raw material is preferably applied to the separating plate by means of doctoring.
  • Other conceivable methods would be slot casting, injection molding or screen printing.
  • the raw material can be applied to the separating plate relatively precisely and with an approximately constant layer thickness.
  • the raw material additionally has a pore-forming agent.
  • the pore former includes, for example, plastic fibers.
  • the pore-forming agent burns, leaving additional voids in the element. Thereby, a pressure loss of the gas flowing through can be minimized.
  • the particles of the raw material are electrically conductive, in particular metallic.
  • suitable metallic materials are iron-based stainless steels, titanium and titanium alloys.
  • the element is electrically conductive.
  • a current flow through the bipolar plate is made possible.
  • the raw material has particles of different sizes.
  • the porosity of the element is increased and the distribution of the reaction gases can be positively influenced.
  • a bipolar plate for a fuel cell is also proposed, which comprises a first distribution area bounded by a separation plate for distributing a fuel to a first electrode and a second distribution area delimited by a separation plate for distributing an oxidizing agent to a second electrode.
  • the bipolar plate can also be used in others
  • electrochemical energy converters for example in an electrolyzer
  • the two distribution areas can be limited in each case by a separate partition plate or by a common partition plate.
  • At least one element is provided in at least one of the distribution regions.
  • the element has particles joined together by sintering and is connected to the partition plate by sintering.
  • the element is preferably porous.
  • the element is provided in the second distribution region, which serves for the distribution of the oxidizing agent to the second electrode and for the derivation of water formed in the reaction.
  • an element can also, alternatively or additionally, be provided in the first distribution region for distributing a fuel to the first electrode.
  • the element is fluid-permeable.
  • the element is permeable in particular to the fuel as well as to the oxidizing agent and to the water to be discharged.
  • the element is electrically conductive, in particular metallic.
  • a current flow through the bipolar plate is advantageously made possible.
  • a fuel cell which comprises at least one membrane-electrode unit with a first electrode and a second electrode, which are separated from one another by a membrane, and at least one bipolar plate according to the invention.
  • the fuel cell is constructed in such a way that in each case a bipolar plate adjoins the membrane electrode unit on both sides.
  • the inventive method allows the production of a bipolar plate with very good flow properties with relatively uniform distribution of the reaction gases.
  • the provided in the distribution area element may be formed in particular porous.
  • the plurality of pores in the distribution area element may be formed in particular porous.
  • Porosity of the element and thus the pressure loss within the porous element can be adjusted by appropriate addition of a pore-forming agent to the raw material.
  • a pore-forming agent By adding the pore-forming agent, the structure of a foam can be reproduced in the porous element.
  • Adjustability of the porosity of the porous element can be internal
  • Water discharge compared to a bipolar plate can be improved with formed sheet metal.
  • the internal water discharge can be realized similar to a foam structure.
  • By appropriate choice of the sizes of the particles relatively low layer thicknesses or layer thicknesses of the element can be achieved. As a result, low channel heights of the distribution areas can be implemented. Due to the sintering of the particles, a relatively high electrical conductivity is achieved within the element and during the transition to the separating plate.
  • additional free channels or other geometric shapes can be introduced into the element.
  • the particles may consist of suitable materials, so that corrosion protection is included. The costs for producing the bipolar plate can advantageously be kept low via an automated production process.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack with a plurality of fuel cells
  • Figure 2 is an enlarged schematic representation of a bipolar plate of the fuel cell stack of Figure 1 according to a first
  • Figure 3 is an enlarged schematic representation of a bipolar plate of
  • Figure 4 is an enlarged schematic representation of a bipolar plate of
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack 5 with a plurality of fuel cells 2.
  • Each fuel cell 2 has a membrane electrode unit 10 which comprises a first electrode 21, a second electrode 22 and a membrane 18.
  • the two electrodes 21, 22 are arranged on mutually opposite sides of the membrane 18 and thus separated from each other by the membrane 18.
  • the first electrode 21 will also be referred to below as the anode 21 and the second electrode 22 will also be referred to below as the cathode 22.
  • the membrane 18 is formed as a polymer electrolyte membrane.
  • the membrane 18 is permeable to hydrogen ions, ie H + ions.
  • Each fuel cell 2 also has two bipolar plates 40, which adjoin the membrane electrode assembly 10 on both sides.
  • each of the bipolar plates 40 is considered as belonging to two fuel cells 2 arranged adjacent to each other.
  • the bipolar plates 40 each include a first distribution region 50 for distributing a fuel, which faces the anode 21.
  • Bipolar plates 40 also each include a second distribution region 60 for distributing the oxidizing agent facing the cathode 22.
  • the second distribution region 60 simultaneously serves to dissipate water formed in a reaction in the fuel cell 2.
  • the bipolar plates 40 further comprise a third distribution region 70, which is arranged between the first distribution region 50 and the second distribution region 60.
  • the third distribution area 70 serves to pass a
  • the first distribution region 50 and the third distribution region 70 are separated from one another by a first separation plate 75.
  • the second distribution region 60 and the third distribution region 70 are separated from one another by a second separation plate 76.
  • the partition plates 75, 76 of the bipolar plates 40 are formed here as thin metal sheets.
  • an oxidant is directed to the cathode 22 via the second distribution region 60.
  • the fuel in the present case hydrogen, is catalytically oxidized at the anode 21 with emission of electrons to form protons.
  • the protons pass through the membrane 18 to the cathode 22.
  • the emitted electrons are derived from the fuel cell 2 and from the fuel cell stack 5 and flow through an external circuit to the cathode 22.
  • FIG. 2 shows an enlarged schematic representation of a bipolar plate 40 of the fuel cell stack 5 of Figure 1 according to a first embodiment, which is prepared by the method according to the invention.
  • the bipolar plate 40 is arranged between two membrane electrode units 10 shown in FIG.
  • the example designed as a thin metallic sheet first partition plate
  • the second partition plate 76 is formed as a flat thin metal sheet. Gaps between the first partition plate 75 and the second partition plate
  • an element 80 is arranged, which is preferably formed porous, and which is connected by sintering with the second partition plate 76.
  • the element 80 in this case has particles which are likewise connected to one another by means of sintering.
  • the element 80 is designed to be fluid-permeable and is therefore permeable to the oxidizing agent and to the water to be discharged.
  • the particles are metallic and thus the element 80 is electrically conductive.
  • FIG. 3 shows an enlarged schematic illustration of a bipolar plate 40 of the fuel cell stack 5 from FIG. 1 according to a second embodiment
  • the bipolar plate 40 is arranged between two membrane electrode assemblies 10 shown in FIG.
  • the bipolar plate 40 according to the second embodiment is similar to the bipolar plate 40 according to the first embodiment. In the following therefore, in particular, the differences between the bipolar plate 40 according to the second embodiment and the bipolar plate 40 according to the first
  • the bipolar plate 40 according to the second embodiment has additional cavities 85 formed within the element 80.
  • the Cavities 85 increase the porosity of the element 80.
  • the raw material is applied to the second before application
  • Separation plate 76 Separation plate 76, a pore-forming agent added, which, for example
  • Plastic fibers includes. As a result of the heat generated during sintering, the pore-forming agent burns, leaving behind the cavities 85 in the element 80.
  • FIG. 4 shows an enlarged schematic representation of a bipolar plate 40 of the fuel cell stack 5 of Figure 1 according to a third embodiment, which is produced by the inventive method.
  • the bipolar plate 40 is arranged between two membrane electrode units 10 shown in FIG.
  • the bipolar plate 40 according to the third embodiment is similar to the bipolar plate 40 according to the second embodiment. In the following, therefore, particular attention will be paid to the differences between the bipolar plate 40 according to the third embodiment and the bipolar plate 40 according to the second
  • the bipolar plate 40 according to the third embodiment has additional channels 87 formed on the element 80.
  • the channels 87 are introduced into the element 80 in a boundary region between the second distribution region 60 and the cathode 22 of the adjacent membrane electrode assembly 10.
  • the channels 87 in the element 80 are formed by applying the raw material to the second partition plate 76 by means of a correspondingly contoured doctor blade.
  • the channels 87 are introduced by the contouring of the doctor blade in the raw material, which also has a binder, and remain after sintering.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten ersten Verteilbereich (50) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21), und einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten zweiten Verteilbereich (60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels aneine zweite Elektrode (22). Dabei wird in mindestens einem der Verteilbereiche (50, 60) ein Partikel aufweisendes Rohmaterial auf die Trennplatte (75, 76) aufgebracht, und die Partikel werden mittels Sintern miteinander zu einem Element (80) sowie mit der Trennplatte (75, 76) verbunden. Die Erfindung betrifft auch eine Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten ersten Verteilbereich (50) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21), und einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten zweiten Verteilbereich(60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode (22). Dabei ist in mindestens einem der Verteilbereiche (50, 60) mindestens ein Element (80) vorgesehen, welches mittels Sintern miteinander verbundene Partikel aufweist, und welches mittels Sintern mit der Trennplatte (75, 76) verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit (10) mit einer ersten Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (22), welche voneinander durch eine Membran (18) getrennt sind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte (40).

Description

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte,
Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte für eine
Brennstoffzelle, die einen von einer ersten Trennplatte begrenzten ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und einen von einer zweiten Trennplatte begrenzten zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte umfasst.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische
Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) in Wasser (H20), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H20) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) spaltet.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membran = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere
Wasserstoff, getrennt.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode.
Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
02 + 4H+ + 4e" -> 2H20
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch verbunden werden.
Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind
Bipolarplatten vorgesehen. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
Aus der DE 10 2012 221 730 AI ist eine Brennstoffzelle mit einer
gattungsgemäßen Bipolarplatte bekannt, welche aus zwei Plattenhälften aufgebaut ist. Dabei weist jede der beiden Plattenhälften eine Verteilbereich auf, welche zur Verteilung der Reaktionsgase vorgesehen ist.
Auch aus der DE 10 2014 207 594 AI ist eine Bipolarplatte für eine
Brennstoffzelle bekannt. Die Bipolarplatte weist dabei einen mäanderförmigen
Kanal auf, welcher beispielsweise als Nut ausgebildet ist. Der mäanderförmige Kanal dient zur Einleitung von Wasserstoff oder Sauerstoff in die Brennstoffzelle.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche einen von einer Trennplatte begrenzten ersten
Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und einen von einer Trennplatte begrenzten zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Bipolarplatte kann aber auch in anderen elektrochemischen Energiewandlern, beispielsweise in einem Elektrolyseur, eingesetzt werden. Die beiden Verteilbereiche können dabei jeweils von einer separaten Trennplatte oder auch von einer gemeinsamen Trennplatte begrenzt sein.
Erfindungsgemäß wird in mindestens einem der Verteilbereiche ein Partikel aufweisendes Rohmaterial auf die Trennplatte aufgebracht wird, und die Partikel werden anschließend mittels Sintern miteinander zu einem Element sowie mit der Trennplatte verbunden. Nach dem Sintern ist somit aus den Partikeln ein Element entstanden, welches mit der Trennplatte verbunden ist. Das Element ist dabei vorzugsweise porös ausgebildet.
Das Rohmaterial liegt beispielsweise in einem pulverförmigen oder feinkörnigen Zustand oder als Granulat vor. Die Partikel können als Kugeln vorliegen aber auch jede andere, beliebige, unregelmäßige Gestalt aufweisen. Die Partikel haben vorzugsweise einen äquivalenten Außendurchmesser zwischen 0,1 μηη und 500 μηη, bevorzugt zwischen 1 μηη und 250 μηη, weiter bevorzugt zwischen 5 μηη und 100 μηη. Der äquivalente Außendurchmesser eines solchen Partikels entspricht dabei dem Durchmesser einer Kugel, welche das gleiche Volumen aufweist wie der Partikel. Vorzugsweise wird das Element in dem zweiten Verteilbereich erzeugt welcher zur Verteilung des Oxidationsmittels an die zweite Elektrode sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient. Das Element kann aber auch, alternativ oder zusätzlich, in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode erzeugt werden.
Vorteilhaft weist das Rohmaterial zusätzlich einen Binder auf. Der Binder hält die Partikel nach dem Aufbringen auf die Trennplatte zusammen und verhindert Bewegungen der Partikel vor dem Sintern. Der Binder kann ein
kunststoffbasierendes System sein, welches beim Sintern verbrennt.
Beispielsweise kann der Binder Polyvinylbutyral (PVB) enthalten.
Vorzugsweise wird das Rohmaterial mittels Rakeln auf die Trennplatte aufgebracht. Weitere denkbare Verfahren wären Schlitzgießen, Spritzgießen oder Siebdrucken. Dadurch lässt sich das Rohmaterial verhältnismäßig präzise und mit annähernd konstanter Schichtstärke auf die Trennplatte aufbringen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Rohmaterial zusätzlich einen Porenbildner auf. Der Porenbildner umfasst beispielsweise Kunststofffasern. Beim Sintern verbrennt der Porenbildner und hinterlässt dabei zusätzliche Hohlräume in dem Element. Dadurch kann ein Druckverlust des durchströmenden Gases minimiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Partikel des Rohmaterials elektrisch leitfähig, insbesondere metallisch. Beispiele für geeignete metallische Materialien sind eisenbasierte Edelstähle, Titan sowie Titanlegierungen. Dadurch ist auch das Element elektrisch leitfähig. Somit ist ein Stromfluss durch die Bipolarplatte hindurch ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Rohmaterial Partikel verschiedener Größe auf. Dadurch wird die Porosität des Elements vergrößert und die Verteilung der reaktionsgase kann positiv beeinflusst werden. Es wird auch eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche einen von einer Trennplatte begrenzten ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und einen von einer Trennplatte begrenzten zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Bipolarplatte kann aber auch in anderen
elektrochemischen Energiewandlern, beispielsweise in einem Elektrolyseur, eingesetzt werden. Die beiden Verteilbereiche können dabei jeweils von einer separaten Trennplatte oder auch von einer gemeinsamen Trennplatte begrenzt sein.
Erfindungsgemäß ist in mindestens einem der Verteilbereiche mindestens ein Element vorgesehen. Das Element weist mittels Sintern miteinander verbundene Partikel auf und ist mittels Sintern mit der Trennplatte verbunden. Das Element ist dabei vorzugsweise porös ausgebildet.
Vorzugsweise ist das Element in dem zweiten Verteilbereich vorgesehen, welcher zur Verteilung des Oxidationsmittels an die zweite Elektrode sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient. Ein Element kann aber auch, alternativ oder zusätzlich, in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode vorgesehen sein.
Vorteilhaft ist das Element fluiddurchlässig. Das Element ist insbesondere für den Brennstoff sowie für das Oxidationsmittel und für das abzuleitende Wasser durchlässig.
Vorzugsweise ist das Element elektrisch leitfähig, insbesondere metallisch. Somit ist vorteilhaft ein Stromfluss durch die Bipolarplatte hindurch ermöglicht.
Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine Membran- Elektroden-Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst. Insbesondere ist die Brennstoffzelle derart aufgebaut, dass sich beidseitig an die Membran- Elektroden-Einheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung einer Bipolarplatte mit sehr guten Strömungseigenschaften mit verhältnismäßig gleichmäßiger Verteilung der Reaktionsgase. Das in dem Verteilbereich vorgesehene Element kann dazu insbesondere porös ausgebildet sein. Insbesondere kann die
Porosität des Elements und damit der Druckverlust innerhalb des porösen Elements durch entsprechende Zugabe eines Porenbildners zu dem Rohmaterial gezielt eingestellt werden. Durch die Zugabe des Porenbildners kann in dem porösen Element die Struktur eines Schaums nachgebildet werden. Durch die
Einstellbarkeit der Porosität des porösen Elements kann der interne
Wasseraustrag gegenüber einer Bipolarplatte mit umgeformtem Blech verbessert werden. Der interne Wasseraustrag kann ähnlich wie bei einer Schaumstruktur realisiert werden. Durch entsprechende Wahl der Größen der Partikel können verhältnismäßig geringen Schichtdicken oder Schichtstärken des Elements erreicht werden. Dadurch sind geringen Kanalhöhen der Verteilbereiche umsetzbar. Durch die Versinterung der Partikel wird eine verhältnismäßig hohe elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Elements und beim Übergang zu der Trennplatte erreicht. Beim Aufbringen des Rohmaterials auf die Trennplatte, insbesondere mittels Rakeln, können zusätzlich freie Kanäle oder sonstige geometrische Formen in das Element eingebracht werden. Um einer Korrosion der Bipolarplatte vorzubeugen, können die Partikel aus geeigneten Materialien bestehen, so dass ein Korrosionsschutz beinhaltet ist. Die Kosten zur Herstellung der Bipolarplatte können über einen automatisierten Herstellprozess vorteilhaft gering gehalten werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen, Figur 2 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus Figur 1 gemäß einer ersten
Ausführungsform,
Figur 3 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte des
Brennstoffzellenstapels aus Figur 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform und
Figur 4 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte des
Brennstoffzellenstapels aus Figur 1 gemäß einer dritten
Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Membran- Elektroden-Einheit 10 auf, die eine erste Elektrode 21, eine zweite Elektrode 22 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 21, 22 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 21 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet und die zweite Elektrode 22 wird im Folgenden auch als Kathode 22 bezeichnet. Die Membran 18 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die Membran 18 ist für Wasserstoffionen, also H+-lonen, durchlässig.
Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf, die sich beidseitig an die Membran- Elektroden-Einheit 10 anschließen. Bei der hier gezeigten Anordnung mehrerer Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstapel 5 kann jede der Bipolarplatten 40 als zu zwei zueinander benachbart angeordneten Brennstoffzellen 2 gehörig betrachtet werden.
Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils einen ersten Verteilbereich 50 zur Verteilung eines Brennstoffs, welcher der Anode 21 zugewandt ist. Die
Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch einen zweiten Verteilbereich 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, welcher der Kathode 22 zugewandt ist. Der zweite Verteilbereich 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser.
Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner einen dritten Verteilbereich 70, welcher zwischen dem ersten Verteilbereich 50 und dem zweiten Verteilbereich 60 angeordnet ist. Der dritte Verteilbereich 70 dient zur Durchleitung eines
Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 und des Brennstoffzellenstapels 5.
Der erste Verteilbereich 50 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine erste Trennplatte 75 voneinander getrennt. Der zweite Verteilbereich 60 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine zweite Trennplatte 76 voneinander getrennt. Die Trennplatten 75, 76 der Bipolarplatten 40 sind vorliegend als dünne metallische Bleche ausgebildet.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird ein Brennstoff über den ersten
Verteilbereich 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird ein Oxidationsmittel über den zweiten Verteilbereich 60 zu der Kathode 22 geleitet. Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird an der Anode 21 katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran 18 zu der Kathode 22. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle 2 und aus dem Brennstoffzellenstapel 5 abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22. Das Oxidationsmittel, vorliegend
Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser. Figur 2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus Figur 1 gemäß einer ersten Ausführungsform, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die Bipolarplatte 40 ist dabei zwischen zwei in Figur 1 gezeigten Membran- Elektroden- Einheiten 10 angeordnet.
Die beispielsweise als dünnes metallisches Blech ausgebildete erste Trennplatte
75 ist dabei mehrfach gebogen und berührt mehrfach die zweite Trennplatte 76. Die zweite Trennplatte 76 ist als flaches dünnes metallisches Blech ausgebildet. Zwischenräume zwischen der ersten Trennplatte 75 und der zweiten Trennplatte
76 bilden zusammen den dritten Verteil bereich 70 zur Durchleitung des
Kühlmittels.
In dem zweiten Verteilbereich 60 ist ein Element 80 angeordnet, welches vorzugsweise porös ausgebildet ist, und das mittels Sintern mit der zweiten Trennplatte 76 verbunden ist. Das Element 80 weist dabei Partikel auf, welche ebenfalls mittels Sintern miteinander verbunden sind. Das Element 80 ist fluiddurchlässig ausgebildet und ist somit für das Oxidationsmittel und für das abzuleitende Wasser durchlässig. Die Partikel sind dabei metallisch und somit ist das Element 80 elektrisch leitfähig.
Figur 3 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus Figur 1 gemäß einer zweiten
Ausführungsform, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die Bipolarplatte 40 ist dabei zwischen zwei in Figur 1 gezeigten Membran- Elektroden-Einheiten 10 angeordnet.
Die Bipolarplatte 40 gemäß der zweiten Ausführungsform ist der Bipolarplatte 40 gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich. Im Folgenden wird daher insbesondere auf die Unterschiede zwischen der Bipolarplatte 40 gemäß der zweiten Ausführungsform und der Bipolarplatte 40 gemäß der ersten
Ausführungsform eingegangen.
Die Bipolarplatte 40 gemäß der zweiten Ausführungsform weist zusätzliche Hohlräume 85 auf, welche innerhalb des Elements 80 ausgebildet sind. Die Hohlräume 85 vergrößern die Porosität des Elements 80. Zur Erzeugung der Hohlräume 85 wird dem Rohmaterial vor dem Aufbringen auf die zweite
Trennplatte 76 ein Porenbildner zugegeben, welcher beispielsweise
Kunststofffasern umfasst. Durch die beim Sintern entstehende Hitze verbrennt der Porenbildner und hinterlässt dabei die Hohlräume 85 in dem Element 80.
Figur 4 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus Figur 1 gemäß einer dritten Ausführungsform, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die Bipolarplatte 40 ist dabei zwischen zwei in Figur 1 gezeigten Membran- Elektroden- Einheiten 10 angeordnet.
Die Bipolarplatte 40 gemäß der dritten Ausführungsform ist der Bipolarplatte 40 gemäß der zweiten Ausführungsform ähnlich. Im Folgenden wird daher insbesondere auf die Unterschiede zwischen der Bipolarplatte 40 gemäß der dritten Ausführungsform und der Bipolarplatte 40 gemäß der zweiten
Ausführungsform eingegangen.
Die Bipolarplatte 40 gemäß der dritten Ausführungsform weist zusätzliche Kanäle 87 auf, welche an dem Element 80 ausgebildet sind. Die Kanäle 87 sind dabei in einem Grenzbereich zwischen dem zweiten Verteilbereich 60 und der Kathode 22 der angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit 10 in das Element 80 eingebracht.
Die Kanäle 87 in dem Element 80 entstehen beim Aufbringen des Rohmaterials auf die zweite Trennplatte 76 mittels eines entsprechend konturierten Rakels. Die Kanäle 87 werden durch die Konturierung des Rakels in das Rohmaterial, welches auch einen Binder aufweist, eingebracht und bleiben nach dem Sintern erhalten.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (40) für eine
Brennstoffzelle (2), umfassend
einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten ersten Verteilbereich (50) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21), und einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten zweiten Verteilbereich (60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode (22),
dadurch gekennzeichnet, dass
in mindestens einem der Verteilbereiche (50, 60)
ein Partikel aufweisendes Rohmaterial
auf die Trennplatte (75, 76) aufgebracht wird, und dass
die Partikel mittels Sintern miteinander zu einem Element (80) sowie mit der Trennplatte (75, 76) verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohmaterial einen Binder aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Rohmaterial mittels Rakeln auf die
Trennplatte (75, 76) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Rohmaterial einen Porenbildner aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Partikel elektrisch leitfähig, insbesondere metallisch, sind. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohmaterial Partikel verschiedener Größe aufweist.
Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend
einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten ersten Verteilbereich
(50) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21), und einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten zweiten Verteilbereich
(60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode
(22),
dadurch gekennzeichnet, dass
in mindestens einem der Verteilbereiche (50, 60)
mindestens ein Element (80) vorgesehen ist, welches
mittels Sintern miteinander verbundene Partikel aufweist, und welches mittels Sintern mit der Trennplatte (75, 76) verbunden ist.
Bipolarplatte (40) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (80) fluiddurchlässig ist.
Bipolarplatte (40) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
das Element (80) elektrisch leitfähig, insbesondere metallisch, ist. Brennstoffzelle (2), umfassend
mindestens eine Membran- Elektroden-Einheit (10) mit einer ersten Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (22), welche voneinander durch eine Membran (18) getrennt sind, und
mindestens eine Bipolarplatte (40) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
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