WO2022129279A1 - Brennstoffzellenstapel und verfahren zur herstellung - Google Patents

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WO2022129279A1
WO2022129279A1 PCT/EP2021/086089 EP2021086089W WO2022129279A1 WO 2022129279 A1 WO2022129279 A1 WO 2022129279A1 EP 2021086089 W EP2021086089 W EP 2021086089W WO 2022129279 A1 WO2022129279 A1 WO 2022129279A1
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bipolar plate
gas diffusion
diffusion layer
coating
fuel cell
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PCT/EP2021/086089
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Anton Ringel
Andreas RINGK
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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

  • the invention relates to a fuel cell stack comprising at least one bipolar plate, at least one gas diffusion layer and at least one electrolyte, in particular at least one membrane, with a coating being arranged between the at least one bipolar plate and the at least one gas diffusion layer. Furthermore, the invention relates to a method for producing the fuel cell stack.
  • a fuel cell is an electrochemical cell that converts chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and oxidant into electrical energy.
  • a fuel cell is therefore an electrochemical energy converter.
  • known fuel cells in particular hydrogen (H2) and oxygen (O2) are converted into water (H2O), electrical energy and heat.
  • PEM proton exchange membranes
  • Solid oxide fuel cells which are also referred to as solid oxide fuel cells (SOFC).
  • SO FC fuel cells have a higher operating temperature and exhaust gas temperature than PEM fuel cells and are used in stationary operation in particular.
  • Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is fed to the anode of the fuel cell and catalytically oxidized to protons, releasing electrons, which then reach the cathode. The electrons emitted are derived from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit.
  • the oxidizing agent in particular atmospheric oxygen, is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell.
  • the gross reaction is:
  • a fuel cell stack usually has end plates that press the individual fuel cells together and give the fuel cell stack stability.
  • the end plates also serve as the positive and negative poles of the fuel cell stack for dissipating the current.
  • the electrodes ie the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined to form a membrane electrode assembly (MEA), which is also referred to as a membrane electrode assembly.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the membrane is often coated with a catalyst and is referred to as a catalyst coated membrane (CCM).
  • Fuel cell stacks also have bipolar plates, which are also referred to as gas distributor plates.
  • Bipolar plates are used to evenly distribute fuel to the anode and evenly distribute oxidant to the cathode.
  • bipolar plates usually have a surface structure, for example channel-like structures, for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes.
  • Bipolar plates usually have a wavy profile in which channels and Alternate bars.
  • the channel-like structures also serve to drain off the water produced during the reaction.
  • a cooling medium for dissipating heat can be conducted through the fuel cell through the channel-like structures of the bipolar plates.
  • the bipolar plates ensure a flat electrical contact with the electrolyte.
  • a fuel cell stack typically comprises up to a few hundred individual fuel cells that are stacked on top of one another in what are known as sandwiches.
  • the individual fuel cells generally have an MEA and a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side.
  • a fuel cell includes in particular an anode monopolar plate and a cathode monopolar plate, which are brought together and form a bipolar plate.
  • the gas diffusion layer and the bipolar plate are pressed together in the fuel cell stack, resulting in an electrical contact in the form of a press contact.
  • the higher the pressing force the lower the contact resistance between the gas diffusion layer and the bipolar plate.
  • the risk of damage to the gas diffusion layer which is usually made up of carbon fibers that are glued together using Teflon, for example, increases at the same time.
  • the risk of damage to the carbon fibers increases.
  • the porosity of the gas diffusion layer decreases as a result of strong pressing, which can lead to poorer gas distribution in the fuel cell stack.
  • the gas distribution over the surface, in particular over the membrane is also inhomogeneous.
  • GDL gas diffusion layers
  • CCM catalyst-coated membranes
  • DE 11 2005 002 974 B4 describes a method for increasing the adhesive strength between elements of a fuel cell membrane electrode assembly that are to be bonded.
  • a catalyst-coated, proton-conducting polymer membrane is part of a membrane-electrode unit that has a gas distribution structure and a diffusion layer on the cathode and anode side. Adhesive properties of a catalyst layer or the membrane are improved.
  • a fuel cell stack comprising at least one bipolar plate, at least one gas diffusion layer and at least one electrolyte, in particular at least one membrane, is proposed, with a coating being arranged as a connecting means between the at least one bipolar plate and the at least one gas diffusion layer, and the coating being electrically conductive.
  • a method for producing the fuel cell stack comprising the following steps: a. Providing the at least one bipolar plate, the at least one gas diffusion layer and the at least one electrolyte, in particular the at least one membrane, b. Application of the electrically conductive coating comprising a coating material to the at least one bipolar plate and/or the at least one gas diffusion layer, c. Stacking the at least one bipolar plate, the at least one gas diffusion layer and the at least one electrolyte, in particular the at least one membrane, and connecting the at least one bipolar plate and the at least one gas diffusion layer by means of the electrically conductive coating, so that an electrical contact is made between the at least one bipolar plate and the at least one gas diffusion layer, and d. Hardening of the coating material.
  • the at least one bipolar plate and the at least one gas diffusion layer are preferably connected to one another in a materially bonded and/or form-fitting manner by means of the coating.
  • the at least one bipolar plate and the at least one gas diffusion layer are more preferably bonded to one another by means of the coating. More preferably, the at least one gas diffusion layer and the at least one bipolar plate are connected to one another with a contact pressure of no more than 1.4 N/mm 2 .
  • the at least one bipolar plate and the at least one gas diffusion layer are preferably stacked with a contact pressure of less than 1.4 N/mm 2 .
  • the at least one bipolar plate and the at least one gas diffusion layer are particularly preferably connected to one another exclusively in a material-to-material and/or form-fitting manner.
  • the gas diffusion layer preferably comprises fibers, in particular carbon fibers, and a matrix, which in particular comprises Teflon. More preferably, the at least one gas diffusion layer consists of carbon fibers and Teflon.
  • the coating can preferably be molded onto the fibers of the at least one gas diffusion layer, in particular molded on, which enables the positive connection of the at least one bipolar plate and the at least one gas diffusion layer.
  • the material connection can also be referred to as adhesion or glued connection.
  • the at least one bipolar plate and the at least one gas diffusion layer are bonded to one another by the coating.
  • the coating can also be referred to as glue or glue.
  • the coating preferably has a low contact resistance between the at least one bipolar plate and the at least one gas diffusion layer.
  • the contact resistance is of the order of 50 mm Ohm ⁇ cm 2 .
  • the coating preferably comprises the coating material and the coating material more preferably contains an electrically conductive filler.
  • the coating consists of the coating material containing the electrically conductive filler.
  • a filler content is between 5% and 95%, preferably between 50% and 95%.
  • the material can be, for example, an epoxy, an acrylate, polyurethane silicone, or polyester, or a mixture of these materials.
  • the electrically conductive filler preferably comprises graphite and/or a metal such as silver. More preferably, the electrically conductive filler consists of graphite and/or the metal such as silver, in particular silver.
  • the coating material can be a one-component adhesive or a two-component adhesive.
  • the coating material preferably has a thixotropic flow behavior before curing.
  • a thixotropic behavior is understood to mean that the viscosity of the coating material decreases as a result of ongoing external influences and resumes the initial viscosity after the stress has ended.
  • the coating is preferably applied to the at least one bipolar plate. More preferably, the coating is only applied to parts of the bipolar plate.
  • the at least one bipolar plate particularly preferably has webs and the coating is applied to the webs, in particular only to parts of the webs.
  • the coating can be applied to a cathode side and/or an anode side of the bipolar plate.
  • the coating material is flowable when it is applied and can be applied precisely, in particular to the webs of the at least one bipolar plate.
  • the viscosity of the coating material increases suddenly, so that the coating material remains on the webs and does not flow off.
  • the webs of the at least one bipolar plate preferably each have a web width in a range from 0.3 mm to 1.5 mm, more preferably from 0.5 mm to 1 mm.
  • the webs of the at least one bipolar plate are preferably arranged at a distance from one another in a range from 1 mm to 2 mm, more preferably from 1.25 mm to 1.60 mm.
  • Valleys which can also be referred to as channels, are preferably located between the webs.
  • the valleys preferably have a depth in a range from 0.25 mm to 0.75 mm, more preferably from 0.45 mm to 0.60 mm.
  • the coating material preferably covers at least the contact width of the webs.
  • the curing of the coating material is preferably carried out at a temperature in a range from 10°C to 90°C, more preferably from 15°C to 80°C.
  • the electrically conductive coating can be applied, for example, by dosing or screen printing methods. In the screen printing process, several areas of the at least one bipolar plate are coated, in particular simultaneously and selectively. The surface area of the bipolar plate that has a coating is between 5% and 50%. When dosing, amounts of the coating material are preferably applied in a range from 0.001 ml to 9 ml per dosing process and position.
  • the at least one bipolar plate and/or the at least one gas diffusion layer are preferably pretreated by means of plasma before the electrically conductive coating is applied.
  • the at least one gas diffusion layer can also form a membrane-electrode assembly together with the at least one, in particular catalyst-coated, membrane, with the at least one bipolar plate being correspondingly connected to the at least one gas diffusion layer of the membrane-electrode assembly.
  • the at least one gas diffusion layer preferably has a mesoporous layer (MPL). Also the mesoporous layer containing at least one membrane and/or a frame of the membrane-electrode unit, which can also be referred to as a gasket, can be pretreated by means of plasma.
  • MPL mesoporous layer
  • Plasma pre-treatment increases adhesive forces, with the plasma generating reactive groups on the surface so that the coating material can bond covalently to them.
  • a covalent connection of carbon fibers can take place, for example, via amine groups with an epoxide.
  • the pretreatment by means of plasma is carried out in particular in an atmosphere containing air, in particular oxygen.
  • the atmosphere may contain NH3, N2, SO2, H2O and/or air, among others.
  • Nozzles of various designs can be used for pretreatment with plasma.
  • the application of the electrically conductive coating is preferably carried out before stacking. Furthermore, it is preferable to carry out curing after stacking.
  • All of the bipolar plates contained in the fuel cell stack are preferably connected to the respective adjoining gas diffusion layer by means of the coating.
  • FIG. 1 shows a fuel cell stack according to the prior art
  • FIG. 2 shows a fuel cell stack according to the invention
  • Figure 4 shows a cross section of a bipolar plate
  • Figure 5 shows a section of a cross section of a bipolar plate
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a method for producing a fuel cell stack.
  • FIG. 1 shows a fuel cell stack 1 according to the prior art.
  • the fuel cell stack 1 comprises a layering of bipolar plates 3 and gas diffusion layers 5.
  • a membrane 7 is also shown.
  • An electrical contact 17 is produced between a gas diffusion layer 5 and a bipolar plate 3 in each case by means of a contact pressure 15 .
  • Hydrogen 19 flows through the bipolar plates 3 on the one hand and air 21 and water 23 on the other hand, which each reach the membrane 7 through a gas diffusion layer 5 and are removed from it. Furthermore, electrons 25 are conducted through the bipolar plates 3 .
  • FIG. 2 shows a fuel cell stack 1 according to the invention.
  • a coating 9 which is electrically conductive and comprises a coating material 13 .
  • electrically conductive means an electrical conductivity that is greater than 100 S/m.
  • the coating 9 is in each case arranged between a gas diffusion layer 5 and a bipolar plate 3 and connects them to one another in a materially bonded and form-fitting manner. Furthermore, the coating 9 is arranged locally on the webs 11 of the bipolar plates 3 .
  • FIG. 3 shows a bipolar plate 3 in a plan view and a section of the bipolar plate 3 in a perspective view. Hydrogen 19 and air 21 are supplied, and unused hydrogen 19 and unused air 21 are discharged. In addition, a cooling medium 27 is conducted through the bipolar plate 3 . Furthermore, a schematic representation of a section of the center of the bipolar plate 3 is shown, on which the webs 11 of the bipolar plate 3 can be seen. The coating 9 is arranged on a web 11 shown.
  • FIG. 4 shows the section of the bipolar plate 3 according to FIG. 3 in a cross-sectional view.
  • the wavy profile of the bipolar plate 3 with the webs 11 becomes clear.
  • FIG. 5 shows a detail of a cross-sectional view of a bipolar plate 3.
  • the bipolar plate 3 has webs 11 and valleys 29.
  • the webs 11 have a web width 31 and are at a distance 33 from one another.
  • a contact width 35 is present on the webs 11 .
  • the valleys 29 have a depth 37 and a valley width 39.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a method for producing a fuel cell stack 1.
  • Two gas diffusion layers 5 are partially provided with a coating 9.
  • a bipolar plate 3 with a seal 41 is arranged between the gas diffusion layers 5, which have the coating 9, and is materially connected to the gas diffusion layers 5 by the coating 9.
  • a bipolar plate 3 that already has a seal 41 can be partially provided with the coating 9 .
  • two gas diffusion layers 5 can be arranged on either side of the bipolar plate 3 .
  • a membrane 7 with a gasket 43 is placed on the gas diffusion layers 5 .
  • Several bipolar plates 3 with gas diffusion layers 5 and membranes 7 are stacked to form the fuel cell stack 1 .

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (1) umfassend mindestens eine Bipolarplatte (3), mindestens eine Gasdiffusionslage (5) und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mindestens eine Membran (7), wobei zwischen der mindestens einen Bipolarplatte (3) und der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) eine Beschichtung (9) als Verbindungsmittel angeordnet ist und die Beschichtung (9) elektrisch leitfähig ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels (1).

Description

Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel umfassend mindestens eine Bipolarplatte, mindestens eine Gasdiffusionslage und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mindestens eine Membran, wobei zwischen der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage eine Beschichtung angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran als Elektrolyt auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) bezeichnet werden, bekannt. SO FC- Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen und finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung. Brennstoffzellen weisen 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 zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.
Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
O2 + 4H+ + 4e 2H2O
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, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Ein Brennstoffzellenstapel weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Brennstoffzellen miteinander verpressen und dem Brennstoffzellenstapel Stabilität verleihen. Die Endplatten dienen auch als Pluspol beziehungsweise Minuspol des Brennstoffzellenstapels zum Ableiten des Stroms.
Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran- Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird. Häufig ist die Membran mit einem Katalysator beschichtet und wird als Catalyst Coated Membrane (CCM) bezeichnet.
Brennstoffzellenstapel weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Weiterhin weisen Bipolarplatten üblicherweise eine Oberflächenstruktur, beispielsweise kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Bipolarplatten weisen üblicherweise ein wellenförmiges Profil auf, in dem sich Kanäle und Stege abwechseln. Die kanalartigen Strukturen dienen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Ferner kann durch die kanalartigen Strukturen der Bipolarplatten ein Kühlmedium zur Abführung von Wärme durch die Brennstoffzelle geleitet werden.
Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zum Elektrolyten.
Ein Brennstoffzellenstapel umfasst typischerweise bis zu einigen Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise als sogenannte Sandwiches aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen in der Regel eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden- Monopolar-Platte und eine Kathoden- Monopolar- Platte, die zusammengeführt werden und eine Biopolarplatte bilden.
Üblicherweise werden Gasdiffusionslage und Bipolarplatte im Brennstoffzellenstapel aufeinandergepresst, wodurch ein elektrischer Kontakt in Form eines Presskontakts entsteht. Hierbei sinkt mit höherer Presskraft der Übergangswiderstand zwischen Gasdiffusionslage und Bipolarplatte. Mit höherer Presskraft steigt jedoch gleichzeitig das Risiko zur Beschädigung der Gasdiffusionslage, die üblicherweise aus Carbonfasern aufgebaut ist, die zum Beispiel mittels Teflon miteinander verklebt sind. Insbesondere steigt das Risiko der Beschädigung der Carbonfasern. Darüber hinaus nimmt durch ein starkes Verpressen eine Porosität der Gasdifffusionslage ab, was zu einer schlechteren Gasverteilung im Brennstoffzellenstapel führen kann. Auch wird die Gasverteilung über die Fläche, insbesondere der Membran, inhomogen.
Die Auswirkungen des Pressdrucks auf die Gasdiffusionslage sind in Mason et al., „Effect of Clamping Pressure on Ohmic Resistance and Compression of Gas Diffusion Layers for Polymer Electrolyte Fuel Cells”, Journal of Power Sources, Volume 219, pages 52 - 59, 2012, beschrieben.
Es ist bekannt, dass Gasdiffusionslagen (GDL) und katalysatorbeschichtete Membranen (CCM) miteinander verklebt werden, so dass die Membran- Elektroden- Einheit entsteht, die dann auf die Bipolarplatte gelegt und mit dieser gestapelt wird. Sowohl Carbonfasern als auch Teflon weisen jedoch schlechte Eigenschaften zum Verkleben auf, da nur wenig adhäsive Kräfte aufgebaut werden können.
DE 11 2005 002 974 B4 beschreibt ein Verfahren zum Erhöhen der Klebkraft zwischen zu verklebenden Elementen einer Brennstoffzellen-Membran- Elektroden-Anordnung.
DE 102 24 452 CI ist auf eine protonenleitende Polymermembran gerichtet. Eine mit Katalysator beschichtete, protonenleitende Polymermembran ist Teil einer Membran- Elektroden- Einheit, die kathoden- und anodenseitig jeweils über eine Gasverteilerstruktur und eine Diffusionsschicht verfügt. Klebereigenschaften einer Katalysatorschicht oder der Membran werden verbessert.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Brennstoffzellenstapel umfassend mindestens eine Bipolarplatte, mindestens eine Gasdiffusionslage und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mindestens eine Membran, vorgeschlagen, wobei zwischen der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage eine Beschichtung als Verbindungsmittel angeordnet ist und die Beschichtung elektrisch leitfähig ist.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen, umfassend die folgenden Schritte: a. Bereitstellen der mindestens einen Bipolarplatte, der mindestens einen Gasdiffusionslage und des mindestens einen Elektrolyten, insbesondere der mindestens einen Membran, b. Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung umfassend ein Beschichtungsmaterial auf die mindestens eine Bipolarplatte und/oder die mindestens eine Gasdiffusionslage, c. Stapeln der mindestens einen Bipolarplatte, der mindestens einen Gasdiffusionslage und des mindestens einen Elektrolyten, insbesondere der mindestens einen Membran, und Verbinden der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage mittels der elektrisch leitenden Beschichtung, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage hergestellt wird, und d. Härten des Beschichtungsmaterials.
Die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Gasdiffusionslage sind bevorzugt mittels der Beschichtung stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Mehr bevorzugt sind die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Gasdiffusionslage mittels der Beschichtung stoffschlüssig miteinander verbunden. Weiter bevorzugt sind die mindestens eine Gasdiffusionslage und die mindestens eine Bipolarplatte mit einem Anpressdruck von nicht mehr als 1,4 N/mm2 miteinander verbunden. Bevorzugt werden die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Gasdiffusionslage mit einem Anpressdruck von weniger als 1,4 N/mm2 gestapelt. Insbesondere bevorzugt sind die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Gasdiffusionslage ausschließlich stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden.
Die Gasdiffusionslage umfasst bevorzugt Fasern, insbesondere Carbonfasern und eine Matrix, die insbesondere Teflon umfasst. Weiter bevorzugt besteht die mindestens eine Gasdiffusionslage aus Carbonfasern und Teflon.
Bevorzugt ist die Beschichtung an die Fasern der mindestens einen Gasdiffusionslage anformbar, insbesondere angeformt, was die formschlüssige Verbindung der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage ermöglicht.
Die stoffschlüssige Verbindung kann auch als Adhäsion oder Klebverbindung bezeichnet werden. Insbesondere werden die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Gasdiffusionslage durch die Beschichtung miteinander verklebt. Die Beschichtung kann auch als Kleber oder Klebstoff bezeichnet werden.
Die Beschichtung weist bevorzugt einen geringen Übergangswiderstand zwischen der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage auf. Der Übergangswiderstand liegt in der Größenordnung von 50 mm Ohm x cm2. Insbesondere ist ein Engewiderstand RE am Übergang von der mindestens einen Bipolarplatte zu der mindestens einen Gasdiffusionslage gering.
Bevorzugt umfasst die Beschichtung das Beschichtungsmaterial und das Beschichtungsmaterial enthält weiter bevorzugt einen elektrisch leitfähigen Füllstoff. Insbesondere besteht die Beschichtung aus dem Beschichtungsmaterial enthaltend den elektrisch leitfähigen Füllstoff. Ein Füllstoffgehalt liegt zwischen 5 % und 95 %, bevorzugt zwischen 50 % und 95 %. In chemischer Hinsicht kann das Material zum Beispiel ein Epoxid, ein Acrylat, Polyurethansilikon oder Polyester oder ein Gemisch dieser Materialien sein.
Bevorzugt umfasst der elektrisch leitfähige Füllstoff Graphit und/oder ein Metall wie Silber. Weiter bevorzugt besteht der elektrisch leitfähige Füllstoff aus Graphit und/oder dem Metall wie Silber, insbesondere aus Silber.
Das Beschichtungsmaterial kann ein Ein- Komponenten- Klebstoff oder ein Zwei- Komponenten- Klebstoff sein. Bevorzugt weist das Beschichtungsmaterial vor dem Härten ein tixothropes Fließverhalten auf. Unter einem thixotropen Verhalten wird verstanden, dass die Viskosität des Beschichtungsmaterials in Folge andauernder äußerer Einflüsse abnimmt und nach beendeter Beanspruchung wieder die Ausgangsviskosität annimmt.
Bevorzugt ist die Beschichtung auf der mindestens einen Bipolarplatte aufgebracht. Weiter bevorzugt ist die Beschichtung lediglich auf Teilen der Bipolarplatte aufgebracht. Insbesondere bevorzugt weist die mindestens eine Bipolarplatte Stege auf und die Beschichtung ist auf den Stegen, insbesondere nur auf Teilen der Stege, aufgebracht. Die Beschichtung kann auf einer Kathodenseite und/oder einer Anodenseite der Bipolarplatte aufgebracht sein.
Durch das thixotrope Fließverhalten ist das Beschichtungsmaterial beim Aufbringen fließfähig und kann präsize, insbesondere auf die Stege der mindestens einen Bipolarplatte, aufgebracht werden. Nach dem Aufbringen, das auch als Applizieren bezeichnet werden kann, steigt die Viskosität des Beschichtungsmaterials schlagartig an, so dass das Beschichtungsmaterial auf den Stegen verbleibt und nicht abfließt. Die Stege der mindestens einen Bipolarplatte weisen bevorzugt jeweils eine Stegbreite in einem Bereich von 0,3 mm bis 1,5 mm, weiter bevorzugt von 0,5 mm bis 1 mm, auf. Ferner sind die Stege der mindestens einen Bipolarplatte bevorzugt in einem Abstand von einander in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm, weiter bevorzugt von 1,25 mm bis 1,60 mm, angeordnet. Zwischen den Stegen befinden sich bevorzugt Täler, die auch als Kanäle bezeichnet werden können. Die Täler besitzen bevorzugt eine Tiefe in einem Bereich von 0,25 mm bis 0,75 mm, weiter bevorzugt von 0,45 mm bis 0,60 mm. Auf den Stegen liegt bevorzugt ein Kontakt zu der mindestens einen Gasdiffusionslage mit einer Kontaktbreite in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, weiter bevorzugt von 0,15 mm bis 0,3 mm vor. Das Beschichtungsmaterial bedeckt bevorzugt zumindest die Kontaktbreite der Stege.
Das Härten des Beschichtungsmaterials wird bevorzugt bei einer Temperatur in einem Bereich von 10°C bis 90°C, weiter bevorzugt von 15°C bis 80°C, ausgeführt.
Die elektrisch leitfähige Beschichtung kann zum Beispiel mittels Dosieren oder Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Beim Siebdruckverfahren werden, insbesondere gleichzeitig und selektiv, mehrere Bereiche der mindestens einen Bipolarplatte beschichtet. Der Flächenanteil der Bipolarplatte, der eine Beschichtung aufweist, liegt zwischen 5 % und 50 %. Bei der Dosierung werden bevorzugt Mengen des Beschichtungsmaterials in einem Bereich von 0,001 ml bis 9 ml je Dosiervorgang und Position aufgebracht.
Bevorzugt werden die mindestens eine Bipolarplatte und/oder die mindestens eine Gasdiffusionslage vor dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung mittels Plasma vorbehandelt.
Auch kann die mindestens eine Gasdiffusionslage zusammen mit der mindestens einen, insbesondere katalysatorbeschichteten, Membran eine Membran- Elektroden-Anordnung bilden, wobei die mindestens eine Bipolarplatte entsprechend mit der mindestens einen Gasdiffusionslage der Membran- Elektroden-Anordnung verbunden ist.
Bevorzugt weist die mindestens eine Gasdiffusionslage eine mesoporöse Schicht (MPL) auf. Auch die mesoporöse Schicht, die mindestens eine Membran und/oder ein Rahmen der Membran-Elekroden-Einheit, der auch als Gasket bezeichnet werden kann, kann mittels Plasma vorbehandelt werden.
Durch die Vorbehandlung mittels Plasma werden adhäsive Kräfte verstärkt, wobei das Plasma reaktive Gruppen auf der Oberfläche erzeugt, so dass das Beschichtungsmaterial kovalent an diese binden kann. Eine kovalente Verbindung von Carbonfasern kann zum Beispiel über Amingruppen mit einem Epoxid erfolgen. Die Vorbehandlung mittels Plasma wird insbesondere in einer Atmosphäre enthaltend Luft, insbesondere Sauerstoff durchgeführt. Die Atmosphäre kann unter anderem NH3, N2, SO2, H2O und/oder Luft enthalten. Zur Vorbehandlung mit Plasma können Düsen verschiedener Ausführungsformen eingesetzt werden.
Die Vorbehandlung mittels Plasma erfolgt bevorzugt unmittelbar vor dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung. Hierbei können Schatten masken eingesetzt werden, so dass die Vorbehandlung mittels Plasma lediglich in ausgewählten Bereichen durchgeführt wird. Auch kann die mindestens eine Membran und/oder die mindestens eine Gasdiffusionslage mittels Plasma vorbehandelt werden, bevor diese zu der Membran- Elektrodenanordnung, insbesondere, insbesondere mittels Kleben, zusammengefügt werden.
Bevorzugt wird das Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung vor dem Stapeln ausgeführt. Weiterhin wird bevorzugt das Härten nach dem Stapeln ausgeführt.
Bevorzugt sind alle in dem Brennstoffzellenstapel enthaltenen Bipolarplatten mit der jeweils angrenzenden Gasdiffusionslage mittels der Beschichtung verbunden.
Vorteile der Erfindung
Durch die Verbindung der mindestens einen Bipolarplatte mit der mindestens einen Gasdiffusionslage mittels der elektrisch leitfähigen Beschichtung wird ein verbesserter elektrischer Kontakt zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage hergestellt, wobei gleichzeitig eine Kraft, wie zum Beispiel eine Presskraft, die auf die Gasdiffusionslage wirkt, signifikant gesenkt beziehungsweise vollständig vermieden werden kann. So können eine Beschädigung der Gasdiffusionslage, insbesondere Schäden an den Fasern oder eine Abnahme der Porosität, vermieden werden und eine Gasverteilung verbessert werden. Ein Übergangswiderstand zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage wird reduziert. Ein Verpressen des Brennstoffzellenstapels zur Sicherstellung eines hinreichend guten elektrischen Kontakts wird überflüssig.
Darüber hinaus wird durch die Beschichtung ein Verrutschen der Gasdiffusionslage beziehungsweise der Membran- Elektroden-Anordnung auf der Bipolarplatte beim Stapeln des Brennstoffzellenstapels verhindert.
Weiterhin sind beispielsweise gegenüber einer Verbindung durch Schweißen beim elektrisch leitfähigen Kleben lediglich geringe Härtungstemperaturen notwendig, die den Anwendungstemperaturen einer Brennstoffzelle entsprechen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel,
Figur 3 eine Bipolarplatte,
Figur 4 einen Querschnitt einer Bipolarplatte,
Figur 5 einen Ausschnitt eines Querschnitts einer Bipolarplatte und
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels. 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 einen Brennstoffzellenstapel 1 gemäß dem Stand der Technik. Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst eine Schichtung von Bipolarplatten 3 und Gasdiffusionslagen 5. Ferner ist eine Membran 7 dargestellt. Durch eine Anpresskraft 15 wird ein elektrischer Kontakt 17 zwischen jeweils einer Gasdiffusionslage 5 und einer Bipolarplatte 3 hergestellt. Durch die Bipolarplatten 3 strömen einerseits Wasserstoff 19 und andererseits Luft 21 und Wasser 23, die jeweils durch eine Gasdiffusionslage 5 zur Membran 7 gelangen bzw. von dieser entfernt werden. Ferner werden Elektronen 25 durch die Bipolarplatten 3 geleitet.
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 1. Im Gegensatz zum Brennstoffzellenstapel 1 gemäß dem Stand der Technik nach Figur 1 liegt an dem in Figur 2 gezeigten Brennstoffzellenstapel 1 keine Anpresskraft 15 vor. Gemäß Figur 2 wird ein elektrischer Kontakt 17 zwischen einer Gasdiffusionslage 5 und einer Bipolarplatte 3 durch eine Beschichtung 9, die elektrisch leitfähig ist und ein Beschichtungsmaterial 13 umfasst, hergestellt. Im vorstehenden Zusammenhang ist unter „elektrisch leitfähig“ eine elektrische Leitfähigkeit zu verstehen, die größer als 100 S/m ist. Die Beschichtung 9 ist jeweils zwischen einer Gasdiffusionslage 5 und einer Bipolarplatte 3 angeordnet und verbindet diese stoffschlüssig und formschlüssig miteinander. Ferner ist die Beschichtung 9 lokal auf Stegen 11 der Bipolarplatten 3 angeordnet.
Figur 3 zeigt eine Bipolarplatte 3 in einer Draufsicht sowie einen Ausschnitt der Bipolarplatte 3 in perspektivischer Ansicht. Wasserstoff 19 und Luft 21 werden zugeführt sowie nicht verbrauchter Wasserstoff 19 und nicht verbrauchte Luft 21 abgeführt. Darüber hinaus wird ein Kühlmedium 27 durch die Bipolarplatte 3 geleitet. Weiterhin ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Mitte der Bipolarplatte 3 gezeigt, an dem Stege 11 der Bipolarplatte 3 erkennbar sind. Auf einem gezeigten Steg 11 ist die Beschichtung 9 angeordnet.
Figur 4 zeigt den Ausschnitt der Bipolarplatte 3 gemäß Figur 3 in einer Querschnittsansicht. Das wellenförmige Profil der Bipolarplatte 3 mit den Stegen 11 wird deutlich.
Figur 5 zeigt einen Ausschnitt einer Querschnittsansicht einer Bipolarplatte 3. Die Bipolarplatte 3 weist Stege 11 und Täler 29 auf. Die Stege 11 besitzen eine Stegbreite 31 und weisen einen Abstand 33 zueinander auf. Auf den Stegen 11 liegt eine Kontaktbreite 35 vor. Die Täler 29 besitzen eine Tiefe 37 und eine Talbreite 39.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels 1. Zwei Gasdiffusionslagen 5 werden partiell mit einer Beschichtung 9 versehen. Zwischen den Gasdiffusionslagen 5, die die Beschichtung 9 aufweisen, wird eine Bipolarplatte 3 mit einer Dichtung 41 angeordnet und stoffschlüssig durch die Beschichtung 9 mit den Gasdiffusionslagen 5 verbunden.
Alternativ kann eine Bipolarplatte 3, die bereits eine Dichtung 41 aufweist, partiell mit der Beschichtung 9 versehen werden. Dann können zwei Gasdiffusionslagen 5 auf jeweils einer Seite der Bipolarplatte 3 angeordnet werden. Auf die Gasdiffusionslagen 5 wird eine Membran 7 mit einem Gasket 43 gelegt. Mehrere Bipolarplatten 3 mit Gasdiffusionslagen 5 und Membranen 7 werden zu dem Brennstoffzellenstapel 1 gestapelt.
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. Brennstoffzellenstapel (1) umfassend mindestens eine Bipolarplatte (3), mindestens eine Gasdiffusionslage (5) und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mindestens eine Membran (7), wobei zwischen der mindestens einen Bipolarplatte (3) und der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) eine Beschichtung (9) als Verbindungsmittel angeordnet ist und die Beschichtung (9) elektrisch leitfähig ist.
2. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bipolarplatte (3) und die mindestens eine Gasdiffusionslage (5) mittels der Beschichtung (9) stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
3. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (9) ein Beschichtungsmaterial (13) umfasst und das Beschichtungsmaterial (13) einen elektrisch leitfähigen Füllstoff enthält.
4. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Füllstoff Graphit und/oder ein Metall wie Silber umfasst.
5. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bipolarplatte (3) Stege (11) aufweist und die Beschichtung (9) auf den Stegen (11) aufgebracht ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die folgenden Schritte: a. Bereitstellen der mindestens einen Bipolarplatte (3), der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) und des mindestens einen Elektrolyten, insbesondere der mindestens einen Membran (7), b. Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung (9) umfassend das Beschichtungsmaterial (13) auf die mindestens eine Bipolarplatte (3) und/oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (5), c. Stapeln der mindestens einen Bipolarplatte (3), der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) und des mindestens einen Elektrolyten, insbesondere der mindestens einen Membran (7) und
Verbinden der mindestens einen Bipolarplatte (3) und der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) mittels der elektrisch leitenden Beschichtung (9), so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der mindestens einen Bipolarplatte (3) und der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) hergestellt wird, und d. Härten des Beschichtungsmaterials (13). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bipolarplatte (3) und/oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (5) vor dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung (9) mittels Plasma vorbehandelt werden. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (13) vor dem Härten ein thixotropes Fließverhalten aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten des Beschichtungsmaterials (13) bei einer Temperatur in einem Bereich von 10°C bis 90°C ausgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bipolarplatte (3) und die mindestens eine Gasdiffusionslage (5) mit einem Anpressdruck von weniger als
1,4 N/mm2 gestapelt werden.
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