WO2020239494A1 - Bipolarplatte - Google Patents

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WO2020239494A1
WO2020239494A1 PCT/EP2020/063807 EP2020063807W WO2020239494A1 WO 2020239494 A1 WO2020239494 A1 WO 2020239494A1 EP 2020063807 W EP2020063807 W EP 2020063807W WO 2020239494 A1 WO2020239494 A1 WO 2020239494A1
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WO
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plate
monopolar
fluid barrier
polymer layer
bipolar plate
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PCT/EP2020/063807
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Inventor
Silvan Hippchen
Peter Lindner
Armin Glock
Harald Bauer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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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
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0221—Organic resins; Organic polymers
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate, which in particular for a
  • a bipolar plate for a fuel cell is known, for example, from DE 10 2006 000 112 A1.
  • the known bipolar plate comprises a first
  • Bipolar plates pressed from polymer and graphite are electrically conductive with a high graphite content and have a high durability in the electrochemical environment of the fuel cell, but usually have pores and are therefore not gas-tight. If the polymer content is high, the bipolar plates are gas-tight, but the graphite particles move away from one another and the electrical conductivity of the bipolar plate is therefore comparatively poor.
  • the bipolar plate comprises a first monopolar plate and a second monopolar plate. Between the first monopolar plate and the second
  • a fluid barrier is arranged in the monopolar plate.
  • the monopolar plate Preferably, the
  • the contact elements are hard, electrically conductive materials, preferably glassy carbon particles. They make the fluid barrier electrical
  • the polymer layer in turn surrounds the contact elements in such a way that the composite of contact elements and polymer layer, that is to say the fluid barrier, is gas-tight.
  • the electrical conductivity between the first monopolar plate and the second monopolar plate is very good due to the contact elements.
  • the monopolar plates can for example be made of deep-drawn graphite composite foil.
  • the fluid barrier has a large number of electrically conductive contact elements.
  • the electrical conductivity between the two monopolar plates is very good over the entire area, the electrical conductivity is virtually statistically homogeneous.
  • the fluid barrier has a polymer layer made of PE, PP, PVDF, PTFE or NBR (nitrile rubber).
  • PE polymer layer made of PE, PP, PVDF, PTFE or NBR (nitrile rubber).
  • the contact elements preferably penetrate the polymer layer. As a result, the polymer layer can be electrically contacted through very easily.
  • the bipolar plate can thus be manufactured inexpensively, particularly with regard to series production.
  • the fluid barrier has a metal foil, which in turn acts as one side Has polymer coating formed polymer layer.
  • the function of gas tightness is taken over by the polymer coating. Due to the metal foil, the fluid barrier is comparatively stiff and strong.
  • the metal foil has a further polymer coating on a further side.
  • the metal foil is coated with polymer on both sides.
  • the metal foil is thereby particularly well protected against oxidation and hydrogen embrittlement, and the seal is further improved.
  • the coatings on both sides are then each penetrated by a large number of contact elements.
  • Vitreous carbon particles It has surprisingly been shown that
  • Vitreous carbon particles that come in various forms as spherical powder
  • the electrical conductivity of the glassy carbon particles is good and the electrochemical stability is excellent.
  • the carbon atoms of the glassy carbon particles have an sp2 bond and are arranged in planes with hexagonal symmetry.
  • the glassy carbon particles can be easily glued to the polymer, so that when the glassy carbon particles are pressed in there is no leakage between the glassy carbon particles and the polymer.
  • Glassy carbon particles are therefore ideally embedded in the polymer.
  • the first monopolar plate and / or the second monopolar plate consists of a polymer-graphite composite. This can be produced inexpensively and fulfills sufficient requirements
  • the invention further comprises a method for producing a bipolar plate according to one of the above embodiments, wherein the fluid barrier is a polymer layer and has a plurality of electrically conductive contact elements, the contact elements being glassy carbon particles.
  • the procedure comprises the following procedural steps:
  • the contact elements As an alternative to dusting the polymer layer with the contact elements, electrostatic charging of the polymer layer is also possible.
  • the contact elements would then preferably be applied or printed on evenly or even as a pattern.
  • the pressing of the fluid barrier with the monopolar plate leads to the fact that the polymer layer is penetrated by the glassy carbon particles.
  • the heating of the polymer layer can take place directly or also indirectly by
  • the metal foil is inductively heated and thus the polymer coatings arranged thereon also heat up.
  • Coolant usually flows through the fluid channels; a hydrogen separator within the cooling circuit can therefore be dispensed with in this embodiment.
  • FIG 4 shows schematically yet another inventive
  • Bipolar plate in cross section, only the essential areas being shown.
  • Fig.l shows schematically a bipolar plate 1 in cross section, only the essential areas are shown.
  • the bipolar plate 1 preferably separates an anode side 14a of a fuel cell or electrochemical cell from a cathode side 15a of an adjacent fuel cell or electrochemical cell.
  • the bipolar plate 1 has a first monopolar plate 11 and a second
  • Monopolar plates 11, 12 designed and arranged to one another that they Form fluid channels 13 between the two monopolar plates 11, 12, preferably in order to guide a coolant for a fuel cell (not shown).
  • Fluid barrier 10 is particularly suitable for preventing hydrogen diffusion through bipolar plate 1.
  • the fluid barrier 10 is a
  • Polymer layer 2 made of PE, PP, PVDF, PTFE or NBR and therefore electrically insulating.
  • the polymer layer is designed as a polymer film 2.
  • the bipolar plate 1 has a large number of contact elements 5 which are electrically conductive and penetrate the polymer film 2. Hard contact elements 5, which can completely penetrate the polymer film 2 during the production of the bipolar plate 1, are preferably used.
  • the fluid barrier 10 is advantageously applied to the monopolar plate, which forms hydrogen channels 14 on the side opposite the fluid barrier 10 or comes into contact with hydrogen, that is to say on the anode side 14a; In the illustration of FIG. 1, the fluid barrier 10 is thus applied to the first monopolar plate 11 or is nestled against it.
  • the fluid barrier 10 can also be limited to the contact points from the first monopolar plate 11 to the second monopolar plate 12, that is to say only applied between the fluid channels 13; see also that
  • Embodiment of Fig.4. 2 shows a further embodiment of the bipolar plate 1 according to the invention in cross section, only the essential areas being shown.
  • an aluminum double zero foil and preferably a polymer layer on both sides, which in the embodiment of FIG.
  • Polymer coatings are made, preferably made of PE, PP, PVDF, PTFE or NBR;
  • the metal foil 20 thus has a polymer coating 21 on one side and a further polymer coating 22 on the other side.
  • the metal foil 20 can be freed of electrically insulating oxide layers in the manufacturing process and is reliably protected from oxidation by the two polymer coatings 21, 22.
  • the fluid barrier 10 that is to say the metal foil 20 with the polymer coating 21, is more preferably nestled against the monopolar plate 11 to the hydrogen channels 14 in order to prevent diffusion of hydrogen into the coolant flowing through the fluid channels 13; see the execution of Fig.3.
  • the fluid barrier 10 is only arranged between the fluid channels 13, that is, the first monopolar plate 11 is separated from the second monopolar plate 12 either by the fluid barrier 10 or by the coolant flowing through the fluid channels 13; in this case the coolant acts as a fluid barrier between the two
  • the metal foil 20 is then cooled again.
  • the glassy carbon particles only adhere to the surface and can penetrate deeply into the polymer layer 2 when the fluid barrier 10 is pressed with the monopolar plate 11, 12.
  • the pressing itself takes place at a temperature in which the polymer of the fluid barrier 10 has at least been softened so that the polymer can plasticize and nestle around the contact elements 5.
  • the glassy carbon particles penetrate the polymer very easily and establish electrical contact with the opposite monopolar plate 11, 12 or with the inserted metal foil 20.

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Abstract

Bipolarplatte (1) mit einer ersten Monopolarplatte (11) und einer zweiten Monopolarplatte (12). Zwischen der ersten Monopolarplatte (11) und der zweiten Monopolarplatte (12) ist eine Fluidbarriere (10) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Bipolarplatte
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, welche insbesondere für eine
elektrochemische Zelle geeignet ist.
Stand der Technik
Eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle ist beispielsweise aus der DE 10 2006 000 112 Al bekannt. Die bekannte Bipolarplatte umfasst eine erste
Monopolarplatte und eine zweite Monopolarplatte, welche unter Ausbildung von dazwischenliegenden Fluidkanälen miteinander verbunden sind.
Weiterhin ist aus der DE10224185 B4 eine Bipolarplatte bekannt, welche
Polymer und Graphit aufweist. Aus Polymer und Graphit gepresste Bipolarplatten sind bei hohem Graphitgehalt zwar gut elektrisch leitfähig und besitzen eine hohe Dauerhaltbarkeit im elektrochemischen Umfeld der Brennstoffzelle, haben jedoch in der Regel Poren und sind deswegen nicht gasdicht. Bei hohem Polymergehalt wiederum sind die Bipolarplatten zwar gasdicht, jedoch rücken die Graphitpartikel dadurch voneinander ab, und die elektrische Leitfähigkeit der Bipolarplatte ist dadurch vergleichsweise schlecht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zum einen mittels einer Fluidbarriere zu verhindern, dass statistisch vorhandene Restporen in einer Bipolarplatte zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite durchgängig vorhanden sind. Zum anderen muss gleichzeitig jedoch ein ausreichender elektrischer Pfad zwischen Anodenseite und Kathodenseite über die Fluidbarriere hinweg vorhanden sein. Offenbarung der Erfindung
Dazu umfasst die Bipolarplatte eine erste Monopolarplatte und eine zweite Monopolarplatte. Zwischen der ersten Monopolarplatte und der zweiten
Monopolarplatte ist eine Fluidbarriere angeordnet. Bevorzugt weist die
Fluidbarriere eine Polymerlage auf, welche von einer Vielzahl von
Kontaktelementen durchdrungen ist.
Die Kontaktelemente sind harte, elektrisch leitfähige Materialien, bevorzugt Glaskohlenstoffpartikel. Durch sie wird die Fluidbarriere elektrisch
durchkontaktiert. Die Polymerlage wiederum umgibt die Kontaktelemente derart, dass der Verbund aus Kontaktelementen und Polymerlage, also die Fluidbarriere, gasdicht ist. Die elektrische Leitfähigkeit zwischen der ersten Monopolarplatte und der zweiten Monopolarplatte ist aufgrund der Kontaktelemente sehr gut. Durch diese Anordnung ist es möglich preiswerte und zugleich gasdichte
Bipolarplatten herzustellen. Die Monopolarplatten können dabei beispielsweise aus tiefgezogener Graphit- Verbundfolie gefertigt sein.
In bevorzugten Ausführungen weist die Fluidbarriere eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Kontaktelemente auf. Dadurch ist die elektrische Leitfähigkeit zwischen den beiden Monopolarplatten über die gesamte Fläche sehr gut, die elektrische Leitfähigkeit ist quasi statistisch homogen.
In vorteilhaften Ausführungen weist die Fluidbarriere eine Polymerlage aus PE, PP, PVDF, PTFE oder NBR (Nitrilkautschuk) auf. Die Abdichtung in den
Trennflächen zu den Kontaktelementen ist dann besonders gut.
Vorzugsweise durchdringen die Kontaktelemente die Polymerlage. Dadurch kann die Polymerlage sehr einfach elektrisch durchkontaktiert werden.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist die Polymerlage eine Polymerfolie.
Insbesondere hinsichtlich einer Serienproduktion kann die Bipolarplatte so kostengünstig hergestellt werden.
In einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung weist die Fluidbarriere eine Metallfolie auf, welche wiederum auf einer Seite die als eine Polymerbeschichtung ausgebildete Polymerlage aufweist. Die Funktion der Gasdichtheit wird dabei von der Polymerbeschichtung übernommen. Durch die Metallfolie ist die Fluidbarriere vergleichsweise steif und fest.
In bevorzugten Ausführungen weist die Metallfolie auf einer weiteren Seite eine weitere Polymerbeschichtung auf. Somit ist die Metallfolie auf beiden Seiten mit Polymer beschichtet. Die Metallfolie ist dadurch besonders gut vor Oxidation und Wasserstoffversprödung geschützt, zusätzlich ist die Abdichtung weiter verbessert. Die Beschichtungen zu beiden Seiten sind dann jeweils von einer Vielzahl von Kontaktelementen durchdrungen.
In besonders bevorzugten Ausführungen sind die Kontaktelemente
Glaskohlenstoffpartikel. Überraschend hat sich gezeigt, dass
Glaskohlenstoffpartikel, die als kugelförmiges Pulver in verschiedenen
Durchmessern erhältlich sind, eine ausreichend große Härte für den
Durchkontaktiervorgang der Polymerlage besitzen. Die elektrische Leitfähigkeit der Glaskohlenstoffpartikel ist gut und die elektrochemische Beständigkeit hervorragend. Die Kohlenstoffatome der Glaskohlenstoffpartikel haben eine sp2- Bindung und sind in Ebenen mit hexagonaler Symmetrie angeordnet. Die Glaskohlenstoffpartikel lassen sich gut mit dem Polymer verkleben, so dass es beim Eindrücken der Glaskohlenstoffpartikel keine Leckage zwischen den Glaskohlenstoffpartikeln und dem Polymer gibt. Die Körner der
Glaskohlenstoffpartikel liegen somit ideal eingebettet im Polymer.
In vorteilhaften Weiterbildungen besteht die erste Monopolarplatte und/oder die zweite Monopolarplatte aus einem metallischen Schaum. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, dass in den Monopolarplatten makroskopische Kanäle für Wasserstoff bzw. Oxidationsmittel ausgeprägt sind.
In vorteilhaften alternativen Ausführungen besteht die erste Monopolarplatte und/oder die zweite Monopolarplatte aus einem Polymer-Graphit-Composite. Dieser kann kostengünstig hergestellt werden und erfüllt hinreichende
Anforderungen an Strömungsführung und elektrische Leitfähigkeit.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte nach einer der obigen Ausführungen, wobei die Fluidbarriere eine Polymerlage und eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Kontaktelemente aufweist, wobei die Kontaktelemente Glaskohlenstoffpartikel sind. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
- Erwärmen der Polymerlage.
- Bestäuben der Polymerlage mit der Vielzahl von Kontaktelementen.
- Verpressen der Fluidbarriere mit zumindest einer der Monopolarplatten.
Alternativ zu dem Bestäuben der Polymerlage mit den Kontaktelementen ist auch eine elektrostatische Aufladung der Polymerlage möglich. Dabei würden die Kontaktelemente dann bevorzugt gleichmäßig oder sogar als Muster aufgetragen bzw. aufgedruckt.
Vorteilhafterweise erfolgt damit mittels elektrostatischer Aufladung der
Polymerlage - und optional auch der Kontaktelemente - ein Bedrucken der Polymerlage mit den Kontaktelementen.
Das Verpressen der Fluidbarriere mit der Monopolarplatte führt dazu, dass die Polymerlage von den Glaskohlenstoffpartikeln durchdrungen wird. Das Erwärmen der Polymerlage kann direkt erfolgen oder aber auch indirekt, indem
beispielsweise die Metallfolie induktiv erwärmt wird und sich somit die darauf angeordneten Polymerbeschichtungen ebenfalls erwärmen.
Die Erfindung schließt weiterhin auch eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte nach einer der oben beschriebenen Ausführungen ein. Dabei sind Fluidkanäle zwischen der ersten Monopolarplatte und der zweiten Monopolarplatte ausgebildet. Die Brennstoffzelle weist, wie üblich, eine Kathodenseite und eine Anodenseite auf. Die erste Monopolarplatte begrenzt die Anodenseite der Brennstoffzelle bzw. ist auf dieser angeordnet. Die Fluidbarriere ist an die erste Monopolarplatte angeschmiegt.
Dadurch ist die Fluidbarriere zur Wasserstoffseite der Brennstoffzelle
angeordnet, so dass ein Eindiffundieren des Wasserstoffs in die Fluidkanäle verhindert wird. Dies ist also insbesondere für PEM-Brennstoffzellen sehr vorteilhaft. Durch die Fluidkanäle fließt üblicherweise Kühlmittel; auf einen Wasserstoffabscheider innerhalb des Kühlkreises kann demzufolge in dieser Ausführung verzichtet werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte im
Querschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Figur 2 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Bipolarplatte im
Querschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Figur 3 schematisch noch eine weitere erfindungsgemäße
Bipolarplatte im Querschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Figur 4 schematisch noch eine weitere erfindungsgemäße
Bipolarplatte im Querschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Fig.l zeigt schematisch eine Bipolarplatte 1 im Querschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Bipolarplatte 1 trennt bevorzugt eine Anodenseite 14a einer Brennstoffzelle bzw. elektrochemischen Zelle von einer Kathodenseite 15a einer benachbarten Brennstoffzelle bzw. elektrochemischen Zelle.
Die Bipolarplatte 1 weist eine erste Monopolarplatte 11 und eine zweite
Monopolarplatte 12 auf. In der Ausführung der Fig.l sind die beiden
Monopolarplatten 11, 12 so ausgeführt und zueinander angeordnet, dass sie zwischen den beiden Monopolarplatten 11, 12 Fluidkanäle 13 ausbilden, bevorzugt um ein Kühlmittel für eine nicht dargestellte Brennstoffzelle zu führen.
Die Bipolarplatte 1 weist erfindungsgemäß eine Fluidbarriere 10, welche zwischen den beiden Monopolarplatten 11, 12 angeordnet ist, auf. Die
Fluidbarriere 10 ist insbesondere dazu geeignet eine Wasserstoffdiffusion durch die Bipolarplatte 1 zu verhindern. Bevorzugt ist die Fluidbarriere 10 eine
Polymerlage 2 aus PE, PP, PVDF, PTFE oder NBR und damit elektrisch isolierend ausgeführt. In der Ausführung der Fig.l ist die Polymerlage als Polymerfolie 2 ausgeführt. Zur elektrischen Verbindung der ersten
Monopolarplatte 11 mit der zweiten Monopolarplatte 12 weist die Bipolarplatte 1 eine Vielzahl von Kontaktelementen 5 auf, welche elektrisch leitfähig sind und die Polymerfolie 2 durchdringen. Bevorzugt werden harte Kontaktelemente 5 verwendet, die bei der Herstellung der Bipolarplatte 1 die Polymerfolie 2 komplett durchdringen können.
Überraschend hat sich gezeigt, dass Glaskohlenstoffpartikel (SP2-Graphit, ungeordnet), die als kugelförmiges Pulver in verschiedenen Durchmessern erhältlich sind, eine ausreichend große Härte für die Durchdringung der
Polymerfolie 2 besitzen. Die elektrische Leitfähigkeit der Glaskohlenstoffpartikel ist gut und die elektrochemische Beständigkeit hervorragend. Die
Kontaktelemente 5 sind somit vorzugsweise als Glaskohlenstoffpartikel ausgeführt.
Vorteilhafterweise ist die Fluidbarriere 10 auf der Monopolarplatte aufgebracht, welche auf der der Fluidbarriere 10 entgegengesetzten Seite Wasserstoffkanäle 14 ausbildet bzw. mit Wasserstoff in Berührung kommt, also auf der Anodenseite 14a; in der Darstellung der Fig.l ist die Fluidbarriere 10 somit auf der ersten Monopolarplatte 11 aufgebracht bzw. an diese angeschmiegt. Die zweite Monopolarplatte 12, welche Luftkanäle 15 ausbilden bzw. begrenzen kann und auf der Kathodenseite 15a angeordnet ist, ist dann im Bereich der Fluidkanäle 13 nicht mit der Fluidbarriere 10 in direktem Kontakt. In einer alternativen
Ausführung kann die Fluidbarriere 10 auch auf die Kontaktstellen von der ersten Monopolarplatte 11 zur zweiten Monopolarplatte 12 begrenzt sein, also lediglich zwischen den Fluidkanälen 13 aufgetragen sein; siehe dazu auch das
Ausführungsbeispiel der Fig.4. Fig.2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 im Querschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die
Fluidbarriere 10 umfasst in dieser Ausführung eine Metallfolie 20, wie
beispielsweise eine Aluminium Doppelnullfolie, sowie vorzugsweise auf beiden Seiten eine Polymerlage, welche in der Ausführung der Fig.2 als
Polymerbeschichtungen ausgeführt sind, bevorzugt aus PE, PP, PVDF, PTFE oder NBR; in der Ausführung der Fig.2 weist die Metallfolie 20 somit auf der einen Seite eine Polymerbeschichtung 21 und auf der anderen Seite eine weitere Polymerbeschichtung 22 auf. Die Metallfolie 20 kann im Herstellprozess dabei von elektrisch isolierenden Oxidschichten befreit werden und wird durch die beiden Polymerbeschichtungen 21, 22 zuverlässig vor Oxidation geschützt.
In einer günstigeren Alternative ist die Metallfolie 20 nur einseitig mit einer Polymerbeschichtung 21 versehen. Vorzugsweise ist die Polymerbeschichtung 21 dann zur Kathodenseite 15a, also zur Seite mit den Luftkanälen 15
angeordnet, um eine Oxidation der Metallfolie 20 zu verhindern. Weiter bevorzugt ist die Fluidbarriere 10, also die Metallfolie 20 mit der Polymerbeschichtung 21, dabei an die Monopolarplatte 11 zu den Wasserstoffkanälen 14 angeschmiegt, um eine Diffusion von Wasserstoff in das durch die Fluidkanäle 13 strömende Kühlmittel zu verhindern; siehe dazu die Ausführung der Fig.3.
In der Ausführung der Fig.3 ist die Metallfolie 20 nur zur Sauerstoff- bzw.
Luftseite, also zur zweiten Monopolarplatte 12, welche die Luftkanäle 15 begrenzt, mit einer Polymerbeschichtung 21 versehen, um die Metallfolie 20 vor durch etwaige Poren der zweiten Monopolarplatte 12 diffundierten Sauerstoff zu schützen. Das Eindiffundieren von Wasserstoff in die Fluidkanäle 13 durch etwaige Poren in der ersten Monopolarplatte 11 wird dadurch verhindert, dass die Fluidbarriere an die erste Monopolarplatte 11 angeschmiegt ist.
In den Ausführungen der Figuren 1 bis 3 sind die Kontaktelemente 5 auf die Bereiche zwischen den Fluidkanälen 13 begrenzt, also auf die Bereiche in denen die Fluidbarriere 10 sowohl mit der ersten Monopolarplatte 11 als auch mit der zweiten Monopolarplatte 12 in direktem Kontakt steht. Dies ist vorteilhaft, jedoch nicht zwingend erforderlich und ist maßgeblich durch den Herstellprozess bestimmt. In den Ausführungen, in welchen die Fluidbarriere 10 eine Metallfolie 20 mit einer beidseitigen Polymerbeschichtung 21, 22 aufweist, wie beispielsweise in Fig.2 gezeigt, sind eine Anzahl der Kontaktelemente 5 die Polymerbeschichtung 21 durchdringend und eine weitere Anzahl der Kontaktelemente 5 die weitere Polymerbeschichtung 22 durchdringend angeordnet, so dass einerseits der elektrische Kontakt zwischen der ersten Monopolarplatte 11 und der Metallfolie 20 und andererseits der elektrische Kontakt zwischen der zweiten
Monopolarplatte 12 und der Metallfolie 20 hergestellt ist.
In der Ausführung der Fig.4 ist die Fluidbarriere 10 lediglich zwischen den Fluidkanälen 13 angeordnet, das heißt die erste Monopolarplatte 11 ist von der zweiten Monopolarplatte 12 entweder durch die Fluidbarriere 10 oder durch das die Fluidkanäle 13 durchströmende Kühlmittel getrennt; in diesem Fall übernimmt das Kühlmittel die Funktion einer Fluidsperre zwischen den beiden
Monopolarplatten 11, 12 im Bereich der Fluidkanäle 13.
Fig.5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Bipolarplatte 1 im Querschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. In der Ausführung der Fig.5 sind keine Kanäle 13, 14, 15 in den
Monopolarplatten 11, 12 ausgebildet. Derartige Ausführungen können am Rand der Bipolarplatte 1 sinnvoll sein, oder aber falls die Monopolarplatten 11, 12 anderweitige Strömungsführungen, beispielsweise in Form von Porositäten aufweisen. Vorzugsweise sind dabei die beiden Monopolarplatten 11, 12 als metallische Schäume ausgeführt. Bevorzugt ist die Polymerlage dabei als Polymerfolie 2 ausgeführt.
In einem erfindungsgemäßen Herstellverfahren einer Bipolarplatte 1 werden die Kontaktelemente 5, vorzugsweise Glaskohlenstoffpartikel auf die Oberfläche der Fluidbarriere 10 oder der Monopolarplatte 11, 12 aufgebracht. Vorzugsweise wird dabei eine Metallfolie 20, welche eine Polymerbeschichtung 21, 22 von beispielsweise 5pm bis lOpm aufweist, erwärmt und mit lOpm bis 15pm
Glaskohlenstoffpartikel bestäubt. Anschließend wird die Metallfolie 20 wieder abgekühlt. So kleben die Glaskohlenstoffpartikel nur oberflächlich an und können beim Verpressen der Fluidbarriere 10 mit der Monopolarplatte 11, 12 tief in die Polymerlage 2 eindringen. Das Verpressen selbst erfolgt bei einer Temperatur, bei der das Polymer der Fluidbarriere 10 zumindest erweicht wurde, so dass das Polymer plastifizieren und sich um die Kontaktelemente 5 schmiegen kann. Beim Verpressen durchstoßen die Glaskohlenstoffpartikel das Polymer sehr leicht und stellen den elektrischen Kontakt zur gegenüberliegenden Monopolarplatte 11, 12 oder zur eingelegten Metallfolie 20 her. Die Oberflächen der
Glaskohlenstoffpartikel verbinden sich dabei gleichzeitig mit dem Polymer, so dass Spalte vermieden werden. Der Herstellprozess kann analog auch für Ausführungen mit einer Polymerfolie 2 durchgeführt werden, indem die
Polymerfolie 2 erwärmt wird.
Die Fluidbarriere 10 ist bei der Herstellung gasdicht und porenfrei. Beim
Verpressen mit den Glaskohlenstoffpartikeln schmiegt sich das Polymer aus der Fluidbarriere 10 (also entweder die Polymerfolie 2 oder die Polymerbeschichtung 21, 22) um die Glaskohlenstoffpartikel und sorgt somit für eine sehr gute
Abdichtung; die Glaskohlenstoffpartikel stellen den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Monopolarplatten 11, 12 her.

Claims

Ansprüche
1. Bipolarplatte (1) mit einer ersten Monopolarplatte (11) und einer zweiten Monopolarplatte (12),
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Monopolarplatte (11) und der zweiten Monopolarplatte (12) eine Fluidbarriere (10) angeordnet ist.
2. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidbarriere (10) eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Kontaktelemente (5) aufweist.
3. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidbarriere (10) eine Polymerlage (2, 21, 22) aufweist, welche vorzugsweise aus PE, PP, PVDF, PTFE oder NBR besteht.
4. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (5) die Polymerlage (2, 21, 22) durchdringen.
5. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 3 oder 4
dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerlage eine Polymerfolie (2) ist.
6. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 3 oder 4
dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidbarriere (10) eine Metallfolie (20) aufweist, welche auf einer Seite die als eine Polymerbeschichtung (21) ausgebildete Polymerlage aufweist.
7. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie (20) auf einer weiteren Seite eine weitere Polymerbeschichtung (22) aufweist.
8. Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (5) Glaskohlenstoffpartikel sind.
9. Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Monopolarplatte (11) und/oder die zweite Monopolarplatte (12) aus einem metallischen Schaum besteht.
10. Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Monopolarplatte (11) und/oder die zweite Monopolarplatte (12) aus einem Polymer-Graphit-Composite besteht.
11. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) nach Anspruch 8, wobei die Fluidbarriere (10) eine Polymerlage (2, 21, 22) aufweist, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- Erwärmen der Polymerlage (2, 21, 22)
- Bestäuben der Polymerlage (2, 21, 22) mit der Vielzahl von Kontaktelementen (5)
- Verpressen der Fluidbarriere (10) mit zumindest einer der Monopolarplatten
(11, 12)
12. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) nach Anspruch 8, wobei die Fluidbarriere (10) eine Polymerlage (2, 21, 22) aufweist, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- Erwärmen der Polymerlage (2, 21, 22)
- Elektrostatische Aufladung der Polymerlage (2, 21, 22)
- Aufträgen der Vielzahl von Kontaktelementen (5) auf die Polymerlage (2, 21,
22)
- Verpressen der Fluidbarriere (10) mit zumindest einer der Monopolarplatten
(11, 12)
13. Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Fluidkanäle (13) zwischen der ersten Monopolarplatte (11) und der zweiten Monopolarplatte (12) ausgebildet sind, wobei die erste Monopolarplatte (11) eine Anodenseite (14a) der Brennstoffzelle begrenzt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidbarriere (10) an die erste
Monopolarplatte (11) angeschmiegt ist.
PCT/EP2020/063807 2019-05-27 2020-05-18 Bipolarplatte WO2020239494A1 (de)

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