DE10039674A1 - Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen - Google Patents

Abstract

Beschrieben werden eine Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen aus einer innenliegenden Metallschicht und zwei beidseitig auf der Metallschicht aufliegenden und diese umschließenden nicht leitfähigen Kunststoffschichten, die die Oberflächen der Bipolarplatten bilden, wobei die Metallschicht mit beiden Oberflächen eine oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen aufweist und die Kunststoffschichten oberflächliche Kanäle zum Gastransport aufweisen, und eine Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen aus nicht leitfähigem Kunststoff, die an beiden Oberflächen Kanäle zum Gastransport aufweist und die mit Ausnahme des Kantenbereichs metallbeschichtet ist, wobei die beidseitigen Metallbeschichtungen durch den Kunststoff hindurch durch eine oder mehrere Metallkontaktierungen elektrisch leitend verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen, ihre Herstellung und Verwendung in Brennstoffzellen-Stacks und deren Anwendung zur Stromversorgung in mobilen und stationären Einrichtungen.

Bislang werden 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.

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- Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen, auch abgekürzt als PEFC) besonders geeignet. Sie werden üblicherweise bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 90°C betrieben und liefern zur Zeit im kompletten Stack elektrische Leistungen im Bereich von 1 bis 75 kW (PKW) und bis 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 Kathodenelektrode in die beiden Teilschritte Reduktion und Oxidation aufgeteilt. Hierbei erfolgt eine Ladungstrennung, die als Spannungsquelle genutzt werden kann. Entsprechende Brennstoffzellen sind beispielsweise in "Brennstoffzellen-Antrieb, innovative Antriebkonzepte, Komponenten und Rahmenbedingungen", Skript zur Fachkonferenz der IIR Deutschland GmbH, 29. bis 31. Mai 2000 in Stuttgart zusammengefaßt.

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.

Die Bipolarplatte verbindet dabei zwei Zellen mechanisch und elektrisch. Da die Spannung einer einzelnen Zelle im Bereich um 1 V liegt, ist es für praktische Anwendungen notwendig, zahlreiche Zellen hintereinander zu schalten. Häufig werden bis zu 150 Zellen, durch Bipolarplatten getrennt, aufeinander gestapelt. Die Zellen werden dabei so 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 Reaktanten (Reaktionsgasen) und Kühlmittel und zur Trennung der Gasräume. Dabei muß 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 drei unterschiedliche Arten von Bipolarplatten verwendet. Zum einen werden metallische Bipolarplatten eingesetzt, die beispielsweise aus Edelstählen bzw. beschichteten anderen Werkstoffen, wie Aluminium oder Titan aufgebaut sind.

Metallische Werkstoffe zeichnen sich durch hohe Gasdichtigkeit, Maßhaltigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit aus.

Graphitische Bipolarplatten können durch Pressen oder Fräsen in die geeignete Form gebracht werden. Sie zeichnen sich durch chemische Beständigkeit und geringe Übergangswiderstände aus, haben aber neben einem hohen Gewicht ein unzureichendes mechanisches Verhalten.

Komposit-Materialien sind aus speziellen Kunststoffen aufgebaut, die leitfähige Füllstoffe, etwa auf Basis von Kohlenstoff, aufweisen.

In der WO 98/33224 sind Bipolarplatten aus Eisenlegierungen beschrieben, die hohe Anteile an Chrom und Nickel aufweisen.

Aus der GB-A-2 326 017 sind Bipolarplatten aus Kunststoffmaterial bekannt, die durch elektrisch leitfähige Füllstoffe, wie Kohlepulver leitfähig gemacht werden. Zusätzlich kann eine oberflächliche Metallbeschichtung vorliegen, die über die Kanten der Bipolarplatte eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen zwei Zellen ermöglicht.

Gemäß WO 98/53514 wird ein Polymerharz durch Eintragen eines elektrisch leitfähigen Pulvers und eines Hydrophilisiermittels behandelt. Mit Siliciumdioxidteilchen und Graphitpulver gefüllte Polymermassen werden als Bipolarplatten eingesetzt. Insbesondere finden dabei Phenolharze Anwendung.

Da Bipolarplatten kritische Funktionselemente von PEM-Brennstoffzellen-Stacks sind, die zu einem erheblichen Anteil zu den Kosten und dem Gewicht der Stacks beitragen, besteht große Nachfrage nach Bipolarplatten, die das vorstehend genannte Anforderungsprofil erfüllen und die Nachteile der bekannten Bipolarplatten vermeiden. Insbesondere soll eine unaufwendige und kostengünstige Fertigung von Bipolarplatten möglich sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bipolarplatte für PEM- Brennstoffzellen aus einer innenliegenden Metallschicht und zwei beidseitig auf der Metallschicht aufliegenden und diese umschließenden nicht leitfähigen Kunststoffschichten, die die Oberflächen der Bipolarplatten bilden, wobei die Metallschicht mit beiden Oberflächen eine oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen aufweist und die Kunststoffschichten oberflächliche Kanäle zum Gastransport aufweisen.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen aus nicht leitfähigem Kunststoff, die an beiden Oberflächen Kanäle zum Gastransport aufweist und die mit Ausnahme des Kantenbereichs metallbeschichtet ist, wobei die beidseitigen Metallbeschichtungen durch den Kunststoff hindurch durch eine oder mehrere Metallkontaktierungen elektrisch leitend verbunden sind.

Dabei können in der erstgenannten Bipolarplatte die Kunststoffschichten an beiden Oberflächen mit Ausnahme des Kantenbereichs Metallbeschichtungen aufweisen, die mit den elektrisch leitenden Verbindungen elektrisch leitend verbunden sind.

Erfindungsgemäß wird bei der Konstruktion der Bipolarplatte eine Funktionstrennung zwischen Geometrie (Gestaltung der Gaskanäle) und elektrisch leitfähigen Strukturen vorgenommen. Die Leitfähigkeitsfunktion kann dabei entweder durch das Umspritzen einer Metallplatine (innenliegende Metallschicht) oder durch das nachträgliche metallische Beschichten eines Spritzgußteils oder eines Teils der Oberfläche des Spritzgußteils erfolgen.

Durch die erfindungsgemäße Funktionstrennung läßt sich die leitfähige Bipolarplatte wesentlich wirtschaftlicher fertigen. Der Einsatz zweier Komponenten bietet die Möglichkeit, jede Einzelkomponente hinsichtlich ihrer Funktion und Materialeigenschaft zu optimieren.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist im allgemeinen flächig ausgestaltet und weist damit zwei gegenüberliegende Oberflächen auf. Im Kantenbereich werden die Bipolarplatten mit anderen Komponenten der Brennstoffzellen zu Stacks zusammengepreßt. Daher weisen die erfindungsgemäßen Bipolarplatten in diesen Randbereichen der Oberfläche keine Metallbeschichtungen auf, sondern weisen geeignete Mittel zur gasdichten Verbindung der Bipolarplatten mit den anderen Komponenten der Zellen auf oder sind zur Aufnahme derartiger Mittel eingerichtet. Der Ausdruck "Kantenbereich" bezeichnet gerade den Randbereich der Oberflächen, der für die Verbindung der Bipolarplatten mit den anderen Komponenten der Brennstoffzellen benötigt wird.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist die Bipolarplatte eine innenliegende Metallschicht (Platine) und zwei beidseitig auf der Metallschicht aufliegende und diese umschließende nicht leitfähige Kunststoffschichten auf. Die innenliegende Metallschicht (Platine) kann dabei eine beliebige geeignete Geometrie aufweisen. Es kann sich beispielsweise um ein Blech oder eine Folie handeln, die elektrisch leitende Verbindungen zu beiden Oberflächen aufweist. Es kann sich beispielsweise um eine Folie oder ein Blech handeln, in dem vorspringende Strukturen, wie Grate, Nasen, Noppen usw. vorgesehen sind, die bis an die Oberfläche der Kunststoffschichten reichen. Die Metallschicht kann auch als Gitter, Gewirk, Gewebe oder als eine andere Geometrie ausgeführt sein, sofern sie eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Oberflächen der Kunststoffschichten ermöglicht. Die Dicke und Beschaffenheit der Metallschicht kann dabei frei gewählt werden, sofern eine ausreichende Leitfähigkeit erreicht wird, die das Überschreiten eines maximal gewünschten Übergangswiderstandes verhindert.

Eine derartige Konstruktion der Metallschicht ist in Fig. 1 in perspektivischer Ansicht und als Querschnittsansicht dargestellt. Die Metallschicht weist zu beiden Seiten hervorspringende Nasen auf, die bis zur Oberfläche der später aufgebrachten Kunststoffschicht reichen.

Die Kunststoffstruktur weist dabei im Oberflächenbereich die erforderlichen Kanäle zum Gastransport auf.

Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Bipolarplatte aus einem nicht leitfähigen Kunststoff aufgebaut, wobei die Platte an beiden Oberflächen Metallbeschichtungen aufweist. Die Randbereiche bzw. Kantenbereiche der Platte weisen dabei keine derartigen Metallbeschichtungen auf, so daß die beiden Oberflächen nicht über die Kanten der Platte hinweg miteinander leitend verbunden werden. Die elektrisch leitende Verbindung der beiden Oberflächenbeschichtungen wird durch Metallkontaktierungen sichergestellt, die durch den Kunststoff hindurch die beidseitigen Metallschichten verbinden. In Fig. 2 ist eine derartige Bipolarplatte perspektivisch und teilweise als Querschnittsansicht dargestellt.

Es können auch beide Ausführungsformen der Bipolarplatte vereint werden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei wird die innenliegende Metallschicht als gelochte Metallplatte ausgeführt. Die um die Metallschicht liegende Kunststoffschicht weist an beiden Oberflächen Gaskanäle auf. Zudem liegt auf der Oberfläche eine leitfähige Beschichtung vor, die über Kontaktierungen mit der Metallschicht verbunden ist.

Die in den Figuren dargestellten Geometrien sind Beispiele einer Vielzahl möglicher Gestaltungsvarianten. Die Bezugszeichen in den Figuren bedeuten dabei folgendes: 1 Gaskanäle
2 leitfähige Beschichtung
3 Kunststoffmaterial
4 Metallschicht, beispielsweise (gelochte) Metallplatte
5 elektrisch leitende Verbindung (Kontaktierung).

Die Anzahl der an der Oberfläche der Bipolarplatte vorliegenden elektrisch leitfähigen Verbindungen wird anhand der praktischen Erfordernisse frei gewählt. Beispielsweise wird die Größe und Anzahl der Verbindungen so gewählt, daß der Durchgangswiderstand der Bipolarplatte nicht zu groß wird. Zudem sollte eine gute elektrisch leitfähige Verbindung mit den an der Bipolarplatte anliegenden Gasverteilerschichten (beispielsweise Graphitpapier) gewährleistet sein.

Als Kunststoffmaterial können erfindungsgemäß alle verstärkten und unverstärkten thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffe eingesetzt werden, die gegen feuchte oxidierende und reduzierende Bedingungen, wie sie in PEM-Brennstoffzellen herrschen, chemisch stabil sind. Zudem sollten sie gasdicht und maßhaltig sein. Beispiele geeigneter Materialien sind PA, PBT, PPO, PP, PES, EP, UP, PF und andere technisch eingesetzte Kunststoffe.

Für die metallische Oberflächenschicht eignen sich beispielsweise alle korrosionsbeständigen Metalle, wie Cr, Ni, Cu, Mo, Pb, Ti, V oder auch Graphit. Sie können nach beliebigen geeigneten Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Bedampfen, Sputtern, Galvanisieren, Plasmabeschichten oder Lackieren.

Die innenliegende Metallschicht und die elektrisch leitenden Verbindungen können aus allen leitfähigen korrosionsbeständigen Metallen oder Legierungen gebildet werden.

Beispielsweise können Cr-Ni-Stähle zum Einsatz kommen. Weitere geeignete Materialien sind dem Fachmann bekannt.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten durch Verformen einer Metallschicht zur Ausbildung der elektrisch leitenden Verbindungen und nachfolgendes Umspritzen oder Umpressen der Metallschicht mit dem Kunststoff. Außerdem kann die Bipolarplatte durch Spritzgießen oder Pressen des Kunststoffs in die gewünschte Form und nachfolgendes Beschichten der Oberflächen mit dem Metall unter Ausbildung der Metallkontaktierungen hergestellt werden.

Insbesondere die räumliche Gestaltung unter Verwendung des Kunststoffmaterials erlaubt durch das Spritzgießen die einfache Herstellung selbst komplexer geometrischer Strukturen.

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 angefügt. Die aufeinandergeschichteten Elemente des Brennstoffzellen-Stacks werden verbunden und abgedichtet. Zur Abdichtung können im Randbereich der erfindungsgemäßen Bipolarplatten Elastomerdichtungen aufgebracht sein, oder es kann eine Nahtgeometrie für das nachträgliche Schweißen, Kleben oder Spritzschweißen direkt aus dem Kunststoff angeformt werden.

Im ersteren Fall erfolgt die Abdichtung durch festes Aufeinanderpressen der Platten. Im zweiten Fall können die Platten untereinander verschweißt oder verklebt werden. Das Verschweißen kann nach beliebigen geeigneten Verfahren durchgeführt werden, beispielsweise im Ultraschall-, Heizelement-, Vibrations- oder Laserschweißverfahren. Die einzelnen Elemente der Brennstoffzellen können auch durch Verkleben oder Spritzschweißen verbunden und abgedichtet werden.

Der Brennstoffzellen-Stack kann auch durch Umspritzen des gesamten Plattenstapels im Spritzgußverfahren mit geeigneten Polymerwerkstoffen abgedichtet und verbunden werden.

Eine angeformte Elastomerdichtung kann beispielsweise im Zwei-Komponenten-Spritzguß gleichzeitig mit der Kunststoffschicht ausgebildet werden.

Insbesondere das Vorsehen eines erhöhten umlaufenden Randes mit angeformter Schweißnahtgeometrie erlaubt ein kostengünstiges gasdichtes Verbinden der Elemente zu einem Brennstoffzellen-Stack.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stacks können beispielsweise zur Stromversorgung in mobilen und stationären Einrichtungen eingesetzt werden. Neben einer Hausversorgung kommen dabei insbesondere die Stromversorgung von Fahrzeugen, wie Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen sowie autarken Systemen, wie Satelliten, in Betracht.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stacks sind vorzugsweise in einem Temperaturbereich von -40 bis +120°C stabil. Der Arbeitstemperaturbereich liegt dabei insbesondere im Bereich um 100°C. 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, bzw. Abdichtbarkeit und Gestaltung von Gaskanälen.

Claims (9)

1. Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen aus einer innenliegenden Metallschicht und zwei beidseitig auf der Metallschicht aufliegenden und diese umschließenden nicht leitfähigen Kunststoffschichten, die die Oberflächen der Bipolarplatten bilden, wobei die Metallschicht mit beiden Oberflächen eine oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen aufweist und die Kunststoffschichten oberflächliche Kanäle zum Gastransport aufweisen.

2. Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen aus nicht leitfähigem Kunststoff, die an beiden Oberflächen Kanäle zum Gastransport aufweist und die mit Ausnahme des Kantenbereichs metallbeschichtet ist, wobei die beidseitigen Metallbeschichtungen durch den Kunststoff hindurch durch eine oder mehrere Metallkontaktierungen elektrisch leitend verbunden sind.

3. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschichten an beiden Oberflächen mit Ausnahme des Kantenbereichs Metallbeschichtungen aufweisen, die mit den elektrisch leitenden Verbindungen elektrisch leitend verbunden sind.

4. Bipolarplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Randbereich mindestens einer der Oberflächen eine Elastomerdichtung aufgebracht ist ist oder eine Nahtgeometrie für das nachträgliche Schweißen, Kleben oder Spritzschweißen aus dem Kunststoff angeformt ist.

5. Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten gemäß Anspruch 1 durch Verformen einer Metallschicht zur Ausbildung der elektrisch leitenden Verbindungen und nachfolgendes Umspritzen der Metallschicht mit dem Kunststoff.

6. Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten gemäß Anspruch 2 durch Spritzgießen des Kunststoffs in die gewünschte Form und nachfolgendes Beschichten der Oberflächen mit dem Metall unter Ausbildung der Metallkontaktierungen.

7. Brennstoffzellen-Stack aus mehreren Brennstoffzellen, die Bipolarplatten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 enthalten.

8. Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen-Stacks gemäß Anspruch 7 durch wiederholtes Aufeinanderschichten von Bipolarplatten, Gasverteilerschicht, Katalysatorschicht, Polymermembran, Katalysatorschicht und Gasverteilerschicht, sowie jeweils endständigen Stromkollektoren und Endplatten, Verbinden und Abdichten der Schichten zum Brennstoffzellen-Stack.

9. Verwendung von Brennstoffzellen-Stacks gemäß Anspruch 8 zur Stromversorgung in mobilen und stationären Einrichtungen.