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WO2006125775A1 - Bipolarplatte für brennstoffzellen - Google Patents

Bipolarplatte für brennstoffzellen Download PDF

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WO2006125775A1
WO2006125775A1 PCT/EP2006/062521 EP2006062521W WO2006125775A1 WO 2006125775 A1 WO2006125775 A1 WO 2006125775A1 EP 2006062521 W EP2006062521 W EP 2006062521W WO 2006125775 A1 WO2006125775 A1 WO 2006125775A1
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WO
WIPO (PCT)
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film
conductive
substrate plate
bipolar plate
bipolar
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2006/062521
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Endemann
Gerhard Bohrmann
Willi Bartholomeyzik
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BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of WO2006125775A1 publication Critical patent/WO2006125775A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a bipolar plate and its production and fuel cell stacks containing these bipolar plates and their use.
  • Fuel cells are energy converters that convert chemical energy into electrical energy. In the fuel cell, the principle of electrolysis is reversed.
  • PEM fuel cells are particularly suitable. They are usually operated at a temperature in the range of 50 ° C to 90 ° C. Since the electrical potential of a single cell is too low for practical applications, multiple such cells must be connected in series to a fuel cell stack or stack. At the moment, PEM fuel cells in the complete stack usually deliver electrical power in the range of 1 to 75 kW (cars) and up to 250 kW (commercial vehicles, buses).
  • the electrochemical reaction of hydrogen with oxygen to water is divided by the insertion of a proton-conducting membrane between the anode and the cathode electrode in the two substeps reduction and oxidation. This is a charge separation, which can be used as a voltage source.
  • a single PEM fuel cell has a symmetrical construction.
  • Polymer membrane followed on both sides each have a catalyst layer and gas distribution layer, which is followed by a bipolar plate.
  • Current collectors are used to pick up the electrical voltage, while end plates ensure the metered addition of the reaction gases and removal of the reaction products.
  • bipolar plate In a fuel cell stack, a plurality of cells are stacked in electrical series with each other separated by an impermeable, electrically conductive bipolar plate, referred to as a bipolar plate.
  • the bipolar plate connects two cells mechanically and electrically. Since the voltage of a single cell is in the range of 1 volt, it is necessary for practical applications to switch numerous cells in series. Often, up to 400 cells are stacked separately by bipolar plates. The cells are stacked in such a way that the oxygen side of one cell is connected to the hydrogen side of the next cell via the bipolar plate.
  • the bipolar plate fulfills several functions. It serves for the electrical connection of the cells, for the supply and distribution of reactants (reaction gases) and coolants and for the separation of the gas spaces.
  • a bipolar plate should fulfill the following characteristics:
  • bipolar plates At present, various types of bipolar plates are used.
  • Graphite bipolar plates can be shaped by pressing or milling. They are characterized by chemical resistance and low contact resistance, but have an insufficient mechanical behavior.
  • Composite materials are made of special plastics containing conductive fillers, such as those based on carbon.
  • Bipolar plates are most commonly composites, but bipolar plates of metal, such as stainless steels, which may optionally be coated, are also in use. These metallic bipolar plates are characterized by high gas-tightness, dimensional stability and high electrical conductivity. Due to the high requirements in terms of corrosion resistance, such bipolar plates, which include a metal plate, must be protected by appropriate measures. A disadvantage of such plates is in particular their high weight.
  • GB-A 2359186 describes a metallic bipolar plate having a layer of electrically conductive polymer on its surface. This polymer should ensure sufficient resistance to the electrochemical reaction conditions.
  • US-A 2004/0081879 describes a fuel cell bipolar plate consisting of a metallic substrate or a composite having a conductive contact layer of noble metal with a thickness in the sub-micron range.
  • US-A 5,798,188 describes a bipolar plate including an aluminum plate on which projections of a polymer are applied and coated with a layer of metal, metal nitride or metal carbide.
  • US 2003/0228512 discloses a stainless steel bipolar plate in which the substrate is made of stainless steel coated with a noble metal conductive layer less than 100 nanometers thick.
  • WO-A 97/50139 describes a bipolar plate consisting of a polymer frame in which a carbon plate or other corrosion-resistant conductive plate is cast.
  • WO-A 01/28020 describes a bipolar plate which has a metal plate which is protected against corrosion by a graphite emulsion layer and a graphite foil.
  • US 2004/0038104 proposes a bipolar plate consisting of a chromium-nickel alloy having the required corrosion resistance.
  • DE-A10039674 describes a bipolar plate with a metal layer which is enclosed by non-conductive plastic layers, wherein the metal layer has with its surfaces one or more electrically conductive connections.
  • bipolar plates are proposed in the prior art, which do not include metal or graphite base plate.
  • plastics are used, however, they must be modified to ensure the required electrical conductivity of the bipolar plate.
  • DE-A 19823880 discloses a bipolar plate made of thermoplastic material which is protected by electrically conductive fillers, e.g. Carbon powder, which are added to the thermoplastic, as well as by a thin film of a conductive material, which is applied, for example by thin-film vacuum deposition on its surface, is made electrically conductive.
  • electrically conductive fillers e.g. Carbon powder
  • DE-A 10261483 discloses a bipolar plate, made of a thermoplastic or thermosetting polymer, in which a metallic fabric is incorporated in such a way that the channels of the so-called "flow fields" present on both sides of the surface are covered by this tissue.
  • the object of the present invention is thus to provide a bipolar plate which is based on a non-conductive substrate, which is made electrically conductive in a simple manner.
  • the object is achieved by a bipolar plate for fuel cell stacks containing
  • An electrically non-conductive substrate plate having opposite surfaces, each containing a partial surface and these partial surfaces have channels for gas transport and
  • At least one electrically conductive foil which is fixed on the non-conductive substrate plate such that the partial surfaces of the opposite surfaces of the non-conductive substrate plate are covered by the at least one conductive foil and wherein the foil has perforations in the region of the partial surfaces.
  • the non-conductive substrate plate is made of a thermoplastic or thermosetting polymer.
  • electrically nonconductive means that no or only negligibly low electrical conductivity is present.
  • thermoplastic or thermosetting plastics which are chemically stable to moisture-oxidizing and reducing conditions, as prevalent in, for example, PEM fuel cells, can be used as plastic material.
  • plastic material can be gas-tight and dimensionally stable.
  • suitable materials are PA, PBT, PPO, PP, PES, EP, UP, PF and other technically used plastics.
  • the flow fields of the substrate plate can be covered by an electrically conductive foil. This is most easily achieved by guiding a film over an outer edge of the substrate plate and covering the substrate plate at least as far as the flow fields are covered by the foil.
  • a plurality of films may be used, which may overlap, in order to be connected to each other gas and liquid-tight.
  • the film has perforations in the area of the covered flow fields. These serve to allow the gas components, which are conducted to the flow fields, to flow through the perforations to the electrolyte, preferably a polymer electrolyte membrane (PEM), distributed in a finely distributed manner.
  • the electrolyte preferably a polymer electrolyte membrane (PEM), distributed in a finely distributed manner.
  • the bipolar plate can also be designed such that the conductive foil is received by a gas-tight closed recess in the substrate plate outside the flow fields.
  • the recess is expediently dimensioned in such a way that a film width results that allows complete coverage of the flow fields.
  • Such a configuration corresponds to that proposed in DE-A 10261483, but here, instead of the fabric, the film occurs.
  • This proposed variant can also be combined with that in which the film is guided over an edge of the substrate plate.
  • the flow field can be covered by bending the foil at the edge of the recess in the direction of the flow field on both sides of the bipolar plates. Furthermore, a film can also be guided over a plurality of edges or through a plurality of recesses in the substrate plate. This increases the conductivity.
  • the film is guided over three or four edges of the substrate plate and / or recesses in the substrate plate.
  • the electrically conductive foil preferably contains carbon, a metal or a metal alloy. Preference is given to nickel (pure), nickel alloys and high-alloy steel. Here, the most important alloying elements for the steel are Al, B, Bi, Co, Cr, Cu, La, Mn, Mo, Ni, Pb, Se, Si, Te, V, W, and Zr.
  • an adhesive tape or several adhesive tapes may be applied to the film.
  • the conductive film according to the invention preferably has a thickness in the range from 50 ⁇ m to 700 ⁇ m, more preferably in the range from 100 ⁇ m to 500 ⁇ m and in particular in the range from 200 ⁇ m to 400 ⁇ m.
  • the film is partially provided with a perforation, which is located after application of the film over the flow fields.
  • the dimensioning of the perforation openings advantageously corresponds to the channel width. To ensure gas transport, at least part of the perforation openings must be located above the channels of the flow fields.
  • the film can be fixed on the substrate plate by various ways known to those skilled in the art. This fixation is particularly advantageous by gluing. This allows a particularly simple way of producing a bipolar plate according to the invention.
  • Another object of the present invention is a method for producing a bipolar plate according to the invention comprising the steps:
  • the substrate plate can be produced by injection molding. This allows a particularly flexible spatial design, so that complex geometric structures can be generated despite the simple production.
  • the at least one electrically conductive film can - as mentioned above - are preferably fixed by gluing.
  • the part of the surfaces of the bipolar plate to be bonded is provided with a suitable adhesive.
  • the film or foil and bipolar plate may be provided with adhesive.
  • the foil is bent around the outer edge of the bipolar plate and / or the inner edge (s) of the recess (s) and pressed against the surface of the bipolar plate. If recesses are present, they must be sealed gas-tight, which can be done by suitable adhesives.
  • the film may be gas-tightly encapsulated during the production of the substrate plate when the substrate plate contains a thermoplastic polymer in order to achieve the gas-tight reception of the conductive film in a recess.
  • Another object of the present invention is a fuel cell stack of several fuel cells containing bipolar plates according to the invention.
  • the bipolar plates according to the invention are generally used in fuel cell stacks of several individual cells. Such fuel cell stacks are made by repeatedly stacking the bipolar plate, gas diffusion layer, catalyst layer, polymer membrane, catalyst layer, and gas diffusion layer. Between each two bipolar plates is a single cell. moreover terminal current collectors and end plates are inserted. The stacked elements of the fuel cell stack are connected and sealed.
  • the fuel cell stacks according to the invention can be used, for example, for power supply in mobile and stationary devices.
  • a home supply in particular the power supply of vehicles, such as land, water and air vehicles as well as self-sufficient systems such as satellites into consideration.
  • the fuel cell stacks according to the invention are preferably stable in a temperature range from -40 to 120 ° C.
  • the working temperature range is in particular in the range around 80 ° C.
  • the temperature control can be achieved by suitable cooling media, which are at least in communication with a part of the stack.
  • the bipolar plates according to the invention combine an advantageous combination of low weight, good electrical conductivity, gas tightness and design of gas channels, and resistance to corrosion.
  • Figure 1 shows an embodiment of a bipolar plate according to the invention prior to fixation of the electrically conductive foil by corresponding bending, in which it is guided through a recess and
  • Figure 2 shows another embodiment of a bipolar plate according to the invention prior to fixation of the electrically conductive foil by corresponding bending, in which it is guided around an outer edge of the bipolar plate.
  • the bipolar plate 1 comprises an electrically nonconductive substrate plate 2 in which opposite surfaces each have partial surfaces 3 (flow fields) which have a multiplicity of channels 5. Furthermore, the electrically non-conductive substrate plate 2 channels for supplying and discharging liquids and gases.
  • H 2 can be supplied via a first input 4. The hydrogen is then distributed in fuel cell operation on the anode side via the channels 5 on the respective surface of the partial surfaces. The hydrogen not consumed for the fuel cell reaction is removed again via the first outlet 6.
  • a second input 7 and a second output 8 for the other gas involved in the fuel cell reaction eg O 2
  • the electrically non-conductive substrate plate 2 (not shown) further channels for a coolant having, which may be present in the region of the partial surfaces 3 in the interior of the bipolar plate 1. Furthermore, in the electrically non-conductive substrate plate 2 openings 9 are included, which are provided for mounting the bipolar plate 1 in the fuel cell stack. In the embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the electrically conductive foil 10 is guided through a recess 11, so that the foil 10 can be bent over in the direction of the partial surfaces 3 on the respective opposite sides of the bipolar plate 1.
  • a bonding for fixing the film 10 takes place in areas of the surface of the bipolar plate 1, which lie outside the partial surfaces 3 on each side of the bipolar plate 1.
  • the electrically conductive film 10 is dimensioned such that the opposite partial surfaces 3 are completely covered after bending and fixing of the film 10.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a bipolar plate 1 according to the invention, which, in contrast to FIG. 1, however, has no recess for receiving a lens Ne.
  • FIG. 2 shows an electrically conductive foil 10, which is arranged on an outer edge 13 of the bipolar plate.
  • the film 10 is also dimensioned such that the opposite partial surfaces 3 of the bipolar plate 1 after bending and fixing the film 10 are completely covered by this and the film 10 in the area of the partial surfaces 3 perforations 12 has.
  • the film 10 may have openings (not shown) which ensure that after bending and fixing the film 10, the openings 4, 6, 7, 8, 9 of the bipolar plate 1 are not covered by the film 10.
  • both embodiments according to FIGS. 1 and 2 can be combined with one another. It is also possible to use further recesses and / or further outer edges of the bipolar plate 1 for guiding the film or the films.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Bipolarplatten für Brennstoffzellen-Stacks enthaltend eine elektrisch nicht leitfähige Substratplatte mit gegenüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen und mindestens eine elektrisch leitfähige Folie, die derart auf der nicht leitfähigen Substratplatte fixiert ist, dass die Teilflächen der gegenüberliegenden Oberflächen der nicht leitfähigen Substratplatte von der mindestens einen leitfähigen Folie bedeckt sind und wobei die Folie im Bereich der Teilflächen Perforierungen aufweist. W eiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung einer solchen bipolaren Platte, so wie Brennstoffzellen-Stacks, die erfindungsgemäßen Bipolarplatten enthalten und deren Verwendung in mobilen und stationären Einrichtungen.

Description

Bipolarplatte für Brennstoffzellen
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte sowie deren Herstellung und Brennstoffzellen-Stacks diese Bipolarplatten enthaltend sowie deren Verwendung.
Bislang werden insbesondere in Kraftfahrzeugen überwiegend Verbrennungsmotoren zum Antrieb eingesetzt, die Erdölprodukte als Treibstoff erfordern. Da die Ressourcen an Erdöl begrenzt sind und die Verbrennungsprodukte einen nachteiligen Umwelteinfluß haben können, wurden in den letzten Jahren verstärkt Forschungen nach alternativen Antriebskonzepten betrieben.
Die Nutzung von elektrochemischen Brennstoffzellen für mobile und stationäre Energieversorgungen findet dabei zunehmendes Interesse. Brennstoffzellen sind Energiewandler, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. In der Brennstoffzelle wird das Prinzip der Elektrolyse umgekehrt.
Derzeit existieren unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen, deren Wirkungsprinzip allgemein auf der elektrochemischen Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zum Endprodukt Wasser basiert. Sie lassen sich nach Art des verwendeten leitfähigen Elektrolyten, dem Betriebstemperaturniveau und realisierbaren Leistungsbereichen einordnen. Für automobile Anwendungen sind Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)- Brennstoffzellen besonders geeignet. Sie werden üblicherweise bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 90°C betrieben. Da die elektrische Spannung einer einzelnen Zelle für praktische Anwendungen zu niedrig ist, müssen mehrer solcher Zellen zu einem Brennstoffzellenstapel oder -Stack in Reihe geschaltet werden. Zurzeit liefern PEM-Brennstoffzellen im kompletten Stack üblicherweise elektrische Leistungen im Bereich von 1 bis 75 kW (PKW) und bis zu 250 kW (NFZ, Omnibus).
In einer PEM-Brennstoffzelle wird die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser durch die Einfügung einer protonenleitenden Membran zwischen die Anoden- und die Katodenelektrode in die beiden Teilschritte Reduktion und Oxida- tion aufgeteilt. Hierbei erfolgt eine Ladungstrennung, die als Spannungsquelle genutzt werden kann.
Eine einzelne PEM-Brennstoffzelle weist einen symmetrischen Aufbau auf. Auf eine
Polymermembran folgen beidseitig je eine Katalysatorschicht und Gasverteilerschicht, an die sich eine bipolare Platte anschließt. Stromkollektoren dienen zum Abgreifen der elektrischen Spannung, während Endplatten die Zudosierung der Reaktionsgase und Abführung der Reaktionsprodukte sicherstellen.
In einem Brennstoffzellen-Stack ist eine Vielzahl von Zellen in elektrischer Reihe zu- einander gestapelt, wobei sie voneinander durch eine impermeable, elektrisch- leitfähige bipolare Platte getrennt sind, die als Bipolarplatte bezeichnet wird. Die Bipolarplatte verbindet dabei zwei Zellen mechanisch und elektrisch. Da die Spannung einer einzelnen Zelle im Bereich von 1 Volt liegt, ist es für praktische Anwendungen notwendig, zahlreiche Zellen hintereinander zu schalten. Häufig werden bis zu 400 Zellen durch Bipolarplatten getrennt aufeinander gestapelt. Die Zellen werden dabei derart aufeinander gestapelt, dass die Sauerstoffseite der einen Zelle mit der Wasserstoffseite der nächsten Zelle über die Bipolarplatte verbunden ist. Die Bipolarplatte erfüllt dabei mehrere Funktionen. Sie dient zur elektrischen Verschaltung der Zellen, zur Zuführung und Verteilung von Reaktanden (Reaktionsgasen) und Kühlmittel und zur Tren- nung der Gasräume. Dabei sollte eine Bipolarplatte folgende Eigenschaften erfüllen:
- chemische Beständigkeit gegen feuchte oxidierende und reduzierende Bedingungen;
Gasdichtheit; - hohe Leitfähigkeit;
- geringe Übergangswiderstände;
- Maßhaltigkeit;
Niedrige Kosten in Bezug auf Material und Fertigung;
- Gestaltungsfreiheit; - hohe mechanische Belastbarkeit;
Korrosionsbeständigkeit;
- geringes Gewicht.
Derzeit werden verschiedene Arten von Bipolarplatten verwendet.
Bipolarplatten aus Graphit können durch Pressen oder Fräsen in die geeignete Form gebracht werden. Sie zeichnen sich durch chemische Beständigkeit und geringe Übergangswiderstände aus, haben aber ein unzureichendes mechanisches Verhalten.
Komposit-Materialien sind aus speziellen Kunststoffen aufgebaut, die leitfähige Füllstoffe, etwa auf Basis von Kohlenstoff, aufweisen.
Ein solches Komposit-Material ist beispielsweise in FR-A2 7765 723 beschrieben. Am häufigsten bestehen Bipolarplatten aus Kompositen, jedoch sind auch Bipolarplat- ten aus Metall wie beispielsweise aus Edelstahlen, die gegebenenfalls beschichtet sein können, im Einsatz. Diese metallischen Bipolarplatten zeichnen sich durch hohe Gasdichtigkeit, Maßhaltigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Aufgrund der hohen Anforderungen in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit müssen solche Bipolarplatten, die eine Metallplatte beinhalten, durch geeignete Maßnahmen geschützt werden. Nachteilig an solchen Platten ist insbesondere ihr hohes Gewicht.
GB-A 2359186 beschreibt beispielsweise eine metallische Bipolarplatte, die eine Schicht aus elektrisch leitendem Polymer auf ihrer Oberfläche aufweist. Dieses PoIy- mer soll eine ausreichende Resistenz gegenüber den elektrochemischen Reaktionsbedingungen gewährleisten.
US-A 2004/0081879 beschreibt eine Brennstoffzellenbipolarplatte, die aus einem metallischen Substrat oder einem Komposit besteht, das eine leitende Kontaktschicht aus Edelmetall mit einer Dicke im Sub-μm-Bereich aufweist.
US-A 5,798,188 beschreibt eine Bipolarplatte, die eine Aluminiumplatte beinhaltet, auf die Projektionen eines Polymers aufgebracht und mit einer Schicht aus Metall, Metallnitrid oder Metallcarbid überzogen sind.
In US 2003/0228512 wird eine Edelstahlbipolarplatte offenbart, bei der das Substrat aus Edelstahl besteht, das mit einer weniger als 100 Nanometer Dicke aufweisenden leitenden Schicht aus einem Edelmetall überzogen ist.
WO-A 97/50139 beschreibt eine Bipolarplatte, die aus einem Polymerrahmen besteht, in den eine Kohlenstoffplatte oder eine andere korrosionsresistente leitende Platte eingegossen ist.
Weiterhin beschreibt die WO-A 01/28020 eine Bipolarplatte, die eine Metallplatte auf- weist, welche durch eine Graphitemulsionsschicht sowie eine Graphitfolie gegen Korrosion geschützt ist.
In US 2004/0038104 wird eine Bipolarplatte vorgeschlagen, die aus einer Chrom- Nickel-Legierung besteht, welche die erforderliche Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Schließlich beschreibt die DE-A10039674 eine Bipolarplatte mit einer Metallschicht, die mit nicht leitfähigen Kunststoffschichten umschlossen ist, wobei die Metallschicht mit ihren Oberflächen eine oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen aufweist.
Weiterhin werden im Stand der Technik Bipolarplatten vorgeschlagen, die keine Metalloder Graphitbasisplatte beinhalten. Hier werden insbesondere Kunststoffe eingesetzt, die jedoch modifiziert werden müssen, um die erforderliche elektrische Leitfähigkeit der Bipolarplatte zu gewährleisten.
Der Vorteil des Einsatzes solcher polymeren Grundplatten oder Substrate in Bipo- larplatten liegt in deren Resistenz sowie dem geringen Gewicht.
DE-A 19823880 offenbart eine Bipolarplatte aus thermoplastischem Kunststoff, die durch elektrisch leitfähige Füller, wie z.B. Kohlenstoffpulver, welche dem Thermoplasten hinzugefügt werden, sowie durch einen dünnen Film aus einem leitfähigem Materi- al, welcher beispielsweise durch Dünnfilm-Vakuum-Abscheidung auf ihrer Oberfläche aufgebracht wird, elektrisch leitend gemacht wird.
DE-A 10261483 offenbart eine Bipolarplatte, aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Polymer, in das ein metallisches Gewebe derart eingearbeitet ist, dass die auf beiden Seiten der Oberfläche vorhandenen Kanäle des so genannten „Flow- fields" von diesem Gewebe bedeckt sind.
Nachteilig an den letztgenannten Alternativen ist die teilweise aufwendige Modifizierung des Kunststoffsubstrats, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zu erzeu- gen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindungen besteht somit darin, eine Bipolarplatte bereitzustellen, die auf einem nicht leitenden Substrat basiert, welches auf einfache Weise elektrisch leitfähig gemacht wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen-Stacks enthaltend
- eine elektrisch nicht leitfähige Substratplatte mit gegenüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen und
- mindestens eine elektrisch leitfähige Folie, die derart auf der nicht leitfähigen Substratplatte fixiert ist, dass die Teilflächen der gegenüberliegenden Oberflächen der nicht leitfähigen Substratplatte von der min- destens einen leitfähigen Folie bedeckt sind und wobei die Folie im Bereich der Teilflächen Perforierungen aufweist.
Es wurde nämlich gefunden, dass durch einfaches Überziehen der Kanäle zum Gastransport aufweisenden Flächen (Flow-fields) der Substratplatte mit einer elektrisch leitfähigen Folie eine einfache und preisgünstig herstellbare Bipolarplatte hergestellt werden kann, wobei die elektrische Leitung von einer Seite der Bipolarplatten zur anderen durch die beide Seiten umspannenende Folie bewirkt wird.
Vorzugsweise besteht die nicht leitfähige Substratplatte aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Polymer.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff „elektrisch nicht leitfähig" zu verstehen, dass keine oder nur eine vernachlässigbar geringe elektrische Leitfähigkeit vorhanden ist.
Als Kunststoffmaterial können hierbei alle verstärkten und unverstärkten thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffe eingesetzt werden, die gegen Feuchte oxidie- rende und reduzierende Bedingungen, wie sie beispielsweise in PEM-Brennstoffzellen herrschen, chemisch stabil sind. Zudem sollten sie gasdicht und maßhaltig sein. Bei- spiele geeigneter Materialien sind PA, PBT, PPO, PP, PES, EP, UP, PF und andere technisch eingesetzte Kunststoffe.
Erfindungsgemäß können die Flow-fields der Substratplatte durch eine elektrisch leitfähige Folie bedeckt sein. Dies wird am einfachsten dadurch erreicht, dass eine Folie über eine Außenkante der Substratplatte geführt ist und zumindest so weit die Substratplatte bedeckt, dass die Flow-fields von der Folie erfasst sind. Ebenso können mehrere Folien verwendet werden, die gegebenenfalls überlappen, um miteinander gas- und flüssigkeitsdicht verbunden zu werden.
Die Folie weist im Bereich der abgedeckten Flow-fields Perforierungen auf. Diese dienen dazu, dass die Gaskomponenten, die zu den Flow-fields geführt werden, fein verteilt durch die Perforierungen zum Elektrolyt, vorzugsweise einer Polymer-Elektrolyt- Membran (PEM), strömen können.
Die Bipolarplatte kann jedoch auch derart ausgestaltet sein, dass die leitfähige Folie durch eine gasdicht verschlossene Ausnehmung in der Substratplatte außerhalb der Flow-fields aufgenommen ist. Hierbei ist die Ausnehmung zweckmäßigerweise derart dimensioniert, dass sich eine Folienbreite ergibt, die ein vollständiges Abdecken der Flow-fields ermöglicht. Eine solche Ausgestaltung entspricht derjenigen, wie sie in DE-A 10261483 vorgeschlagen wird, wobei hier jedoch anstelle des Gewebes die Folie tritt. Diese vorgeschlagene Variante kann auch mit derjenigen, bei der die Folie über eine Kante der Substratplatte geführt wird, kombiniert werden.
Die Abdeckung des Flow-fields kann durch Umbiegen der Folie an der Kante der Aus- nehmung in Richtung des Flow-fields auf beiden Seiten der Bipolarplatten erfolgen. Weiterhin kann eine Folie auch über mehrere Kanten bzw. durch mehrere Ausnehmungen in der Substratplatte geführt sein. Hierdurch wird die Leitfähigkeit erhöht.
Ebenso besteht die Möglichkeit, dass die Folie über drei oder vier Kanten der Sub- stratplatte und/oder Ausnehmungen in der Substratplatte geführt wird.
Alternativ können auch mehrere Folien verwendet werden, die gegebenenfalls an ihrer Stoßkante entsprechend verbunden werden.
Die elektrisch leitfähige Folie enthält vorzugsweise Kohlenstoff, ein Metall oder eine Metalllegierung. Vorzugsweise sind Nickel (rein), Nickellegierungen und hochlegierter Stahl zu nennen. Hierbei sind die wichtigsten Legierungselemente für den Stahl AI, B, Bi, Co, Cr, Cu, La, Mn, Mo, Ni, Pb, Se, Si, Te, V, W, und Zr.
Um ein Brechen oder Reißen der elektrisch leitfähigen Folie beim Umbiegen um beispielsweise die Kanten der Substratplatte zu vermeiden, kann ein Klebeband oder es können mehrere Klebebänder auf der Folie aufgebracht sein.
Es ist auch die Kombination zweier oder mehrerer unterschiedlicher Folienmaterialien möglich. Bei Verwendung einer Graphitfolie können beispielsweise zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von einer Seite der Bipolarplatte zur anderen zusätzlich Metallbleche u-förmig um eine Kante oder mehrere Kanten bzw. durch die dafür vorgesehene Ausnehmung oder Ausnehmungen geführt sein.
Die erfindungsgemäße leitfähige Folie weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 50 μm bis 700 μm, mehr bevorzugt im Bereich von 100 μm bis 500 μm und insbesondere im Bereich von 200 μm bis 400 μm, auf. Wie bereits oben ausgeführt, ist die Folie teilweise mit einer Perforation versehen, die nach Aufbringen der Folie über den Flow- fields lokalisiert ist. Die Dimensionierung der Perforationsöffnungen entspricht vorteil- hafter Weise der Kanalbreite. Zur Gewährleistung des Gastransports muss zumindest ein Teil der Perforationsöffnungen über den Kanälen des Flow-fields lokalisiert sein.
Die Folie kann durch verschiedene dem Fachmann bekannte Weisen auf der Substratplatte fixiert werden. Besonders vorteilhaft erfolgt diese Fixierung durch Verklebung. Hierdurch wird eine besonders einfache Art der Herstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte ermöglicht.
Zur Verklebung können gängige Klebstoffe verwendet werden. Hierbei sollte jedoch berücksichtigt werden, dass der Klebstoff eine ausreichende Resistenz gegen die ein- gesetzten Betriebsstoffe sowie gegen die Betriebstemperatur hat. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte die Schritte enthaltend:
- Bereitstellen einer elektrisch nicht leitfähigen Substratplatte mit gege- nüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten, und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen;
Fixieren mindestens einer elektrisch leitfähigen Folie auf der nicht leitfähigen Substratplatte derart, dass die Teilflächen der gegenüberlie- genden Oberfläche der nicht leitfähigen Substratplatte von der mindestens einen leitfähigen Folie bedeckt sind, und wobei die Folie im Bereich der Teilflächen Perforierungen aufweist; und
- gegebenenfalls gasdichtes Verschließen von Ausnehmungen in der Substratplatte zur Aufnahme der leitfähigen Folie.
Die Substratplatte kann durch Spritzgießen hergestellt werden. Dies ermöglicht eine besonders flexible räumliche Gestaltung, so dass trotz der einfachen Herstellung komplexe geometrische Strukturen erzeugt werden können.
Die mindestens eine elektrisch leitfähige Folie kann - wie oben erwähnt - vorzugsweise durch Verkleben fixiert werden. Hierbei wird der zu verklebende Teil der Oberflächen der Bipolarplatte mit einem geeigneten Klebstoff versehen. Alternativ kann die Folie oder Folie und Bipolarplatte mit Klebstoff versehen werden. Anschließend wird die Folie um die Außenkante der Bipolarplatte und/oder die lnnenkante(n) der Aus- nehmung(en) gebogen und an die Oberfläche der Bipolarplatte gepresst. Falls Ausnehmungen vorhanden sind, müssen diese gasdicht verschlossen werden, was durch geeignete Klebstoffe erfolgen kann.
Alternativ kann die Folie während der Herstellung der Substratplatte gasdicht umspritzt werden, wenn die Substratplatte ein thermoplastisches Polymer enthält, um die gasdichte Aufnahme der leitfähigen Folie in einer Ausnehmung zu erreichen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellen-Stack aus mehreren Brennstoffzellen, der erfindungsgemäße Bipolarplatten enthält.
Die erfindungsgemäßen Bipolarplatten werden im Allgemeinen in Brennstoffzellen- Stacks aus mehreren Einzelzellen eingesetzt. Derartige Brennstoffzellen-Stacks werden durch wiederholtes Aufeinanderschichten von Bipolarplatte, Gasverteilerschicht, Katalysatorschicht, Polymermembran, Katalysatorschicht und Gasverteilerschicht hergestellt. Zwischen jeweils zwei Bipolarplatten liegt dabei eine Einzelzelle vor. Zudem werden endständige Stromkollektoren und Endplatten eingefügt. Die aufeinander geschichteten Elemente des Brennstoffzellen-Stacks werden verbunden und abgedichtet.
Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stacks können beispielsweise zur Stromver- sorgung in mobilen und stationären Einrichtungen eingesetzt werden. Neben einer Hausversorgung kommen dabei insbesondere die Stromversorgung von Fahrzeugen, wie Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen so wie autarken Systemen wie Satelliten in Betracht.
Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stacks sind vorzugsweise in einem Temperaturbereich von -40 bis 1200C stabil. Der Arbeitstemperaturbereich liegt dabei insbesondere im Bereich um 800C. Die Temperierung kann dabei durch geeignete Kühlmedien erreicht werden, die zumindest mit einem Teil des Stacks in Verbindung stehen.
Die erfindungsgemäßen Bipolarplatten vereinen eine vorteilhafte Kombination von niedrigem Gewicht, guter elektrischer Leitfähigkeit, Gasdichtigkeit und Gestaltung von Gaskanälen, sowie Beständigkeit gegen Korrosion.
Anhand der Figuren wird die vorliegende Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte vor Fixierung der elektrisch leitfähigen Folie durch entsprechendes Umbiegen, bei der diese durch eine Ausnehmung geführt ist und
Figur 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte vor Fixierung der elektrisch leitfähigen Folie durch enstsprechendes Umbiegen, bei der diese um eine Außenkante der Bipolarplatte geführt ist.
Gemäß Figur 1 umfasst die Bipolarplatte 1 eine elektrisch nicht leitfähige Substratplatte 2, bei der gegenüberliegende Oberflächen jeweils Teilflächen 3 (Flow-fields) besitzen, welche eine Vielzahl von Kanälen 5 aufweisen. Weiterhin weist die elektrisch nicht leitfähige Substratplatte 2 Kanäle zum Zu- und Abführen von Flüssigkeiten und Gasen auf. Über einen ersten Eingang 4 kann beispielsweise H2 zugeführt werden. Der Wasserstoff verteilt sich dann im Brennstoffzellenbetrieb auf der Anodenseite über die Kanäle 5 auf der jeweiligen Oberfläche der Teilflächen. Der nicht für die Brennstoffzellenreaktion verbrauchte Wasserstoff wird über den ersten Ausgang 6 wieder abgeführt. Ebenso existieren ein zweiter Eingang 7 und ein zweiter Ausgang 8 für das andere an der Brennstoffzellenreaktion beteiligte Gas (z.B. O2), das durch die (nicht in Figur 1 sichtbaren) Kanäle auf der Kathodenseite entlang der Oberfläche der nicht dargestell- ten Teilfläche auf der Rückseite der Bipolarplatte geleitet wird. Ferner kann die elektrisch nicht leitfähige Substratplatte 2 (nicht dargestellte) weitere Kanäle für ein Kühlmittel aufweisen, die im Bereich der Teilflächen 3 im Innern der Bipolarplatte 1 vorhanden sein können. Des weiteren sind in der elektrisch nicht leitfähigen Substratplatte 2 öff- nungen 9 enthalten, die zur Montage der Bipolarplatte 1 im Brennstoffzellen-Stack vorgesehen sind. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die elektrisch leitfähige Folie 10 durch eine Ausnehmung 11 geführt, so dass die Folie 10 in Richtung der Teilflächen 3 auf den jeweils gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte 1 umgebogen werden kann. Vorzugsweise findet eine Verklebung zur Fixierung der Folie 10 in Bereichen der Oberfläche der Bipolarplatte 1 statt, die außerhalb der Teilflächen 3 auf jeder Seite der Bipolarplatte 1 liegen. Weiterhin weist die Folie 10 Perforierungen 12 auf, die sich vorzugsweise in dem Bereich der Folienoberfläche befinden, die nach dem Umbiegen der Folie 10 auf den Teilflächen 3 der gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte 1 zum Liegen kommen. Die elektrisch leitfähi- ge Folie 10 ist dabei derart dimensioniert, dass die gegenüberliegenden Teilflächen 3 vollständig nach Umbiegen und Fixieren der Folie 10 bedeckt sind.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1, die im Gegensatz zu Figur 1 jedoch keine Ausnehmung für die Aufnahme einer Fo- Ne 10 aufweist. Figur 2 zeigt eine elektrisch leitfähige Folie 10, die an einer Außenkante 13 der Bipolarplatte angeordnet ist. Hierbei wird nach Umbiegen der Folie 10 in Richtung der gegenüberliegenden Teilflächen 3 und anschließende Fixierung ebenfalls eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1 erhalten. Hierbei ist die Folie 10 ebenfalls derart dimensioniert, dass die gegenüberliegenden Teilflächen 3 der Bipolarplatte 1 nach Umbiegen und Fixieren der Folie 10 vollständig von dieser bedeckt sind und die Folie 10 im Bereich der Teilflächen 3 Perforierungen 12 aufweist. Weiterhin kann bei Bedarf die Folie 10 (nicht dargestellte) Öffnungen aufweisen, die gewährleisten, dass nach Umbiegen und Fixieren der Folie 10 die Öffnungen 4, 6, 7, 8, 9 der Bipolarplatte 1 nicht von der Folie 10 bedeckt sind.
Wie bereits oben ausgeführt können beide Ausführungsformen gemäß der Figuren 1 und 2 miteinander kombiniert werden. Es können ebenso weitere Ausnehmungen und/oder weitere Außenkanten der Bipolarplatte 1 zur Führung der Folie bzw. der Folien eingesetzt werden.
Weitere denkbare Ausführungsformen sind beispielsweise in den Figuren 4 und 5 der DE-A 10261483 offenbart, wobei anstelle des Gewebes die elektrisch leitfähige Folie 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden muss. Bezugszeichenliste
1 Bipolarplatte
2 elektrisch nicht leitfähige Substratplatte
3 Teilfläche
4 erster Eingang (H2)
5 Kanäle
6 erster Ausgang (H2)
7 zweiter Eingang (O2)
8 zweiter Ausgang (O2)
9 Öffnungen
10 elektrisch leitfähige Folie
11 Ausnehmung
12 Perforierungen
13 Außenkante

Claims

Patentansprüche
1. Bipolarplatte für Brennstoffzellen-Stacks enthaltend:
- eine elektrisch nicht leitfähige Substratplatte mit gegenüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen und
mindestens eine elektrisch leitfähige Folie, die derart auf der nicht leitfähi- gen Substratplatte fixiert ist, dass die Teilflächen der gegenüberliegenden
Oberflächen der nicht leitfähigen Substratplatte von der mindestens einen leitfähigen Folie bedeckt sind und wobei die Folie im Bereich der Teilflächen Perforierungen aufweist.
2. Bipolarplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die nicht leitfähige Substratplatte ein thermoplastisches oder duroplastisches Polymer ist.
3. Bipolarplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine leitfähige Folie über mindestens eine Außenkante der Substratplatte geführt ist.
4. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine leitfähige Folie durch eine gasdicht verschlossene Ausnehmung in der Substratplatte außerhalb der Teilflächen aufgenommen ist.
5. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine leitfähige Folie Kohlenstoff, Metall oder eine Metalllegierung enthält.
6. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine leitfähige Folie eine Dicke im Bereich von 50 bis 700 μm aufweist.
7. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung durch zumindest teilweise Verklebung der Folie mit den gegenüberliegenden Oberflächen der nicht leitenden Substratplatte erfolgt ist.
8. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Metallbleche u-förmig um eine Kante oder mehrere Kanten bzw. durch die dafür vorgesehene Ausnehmung oder Ausnehmungen geführt sind.
9. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die Schritte enthaltend
- Bereitstellen einer elektrisch nicht leitfähigen Substratplatte mit gegen- überliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen;
Fixieren mindestens einer elektrisch leitfähigen Folie auf der nicht leitfähigen Substratplatte derart, dass die Teilflächen der gegenüberlie- genden Oberflächen der nicht leitfähigen Substratplatte von der mindestens einen leitfähigen Folie bedeckt sind und wobei die Folie im Bereich der Teilflächen Perforierungen aufweist; und
- gegebenenfalls gasdichtes Verschließen von Ausnehmungen in der Substratplatte zur Aufnahme der leitfähigen Folie.
10. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 4 bis 8, die Schritte enthaltend
- Bereitstellen mindestens einer elektrisch leitfähigen Folie, die Perforierungen aufweist;
- gasdichtes Umspritzen der Folie zur Erzeugung einer thermoplastischen elektrisch nicht leitfähigen Substratplatte mit gegenüberliegen- den Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten und diese Teilflächen Kanäle zum Gastransport aufweisen; und
Fixieren der mindestens einen elektrisch leitfähigen Folie auf der nicht leitfähigen Substratplatte derart, dass die Teilflächen der gegenüberlie- genden Oberflächen der nicht leitfähigen Substratplatte von der mindestens einen leitfähigen Folie bedeckt sind.
11. Brennstoffzellen-Stack aus mehreren Brennstoffzellen, der Bipolarplatten nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält.
12. Verwendung von Brennstoffzellen-Stacks nach Anspruch 11 zur Stromversorgung in mobilen und stationären Einrichtungen.
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