DE102006010832A1

DE102006010832A1 - Kontaktplatten für Brennstoffzellen mit optimierter Kanalführung und aufgerauhter Oberflächenstruktur

Info

Publication number: DE102006010832A1
Application number: DE102006010832A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Hickmann; Wolfgang Langnickel
Original assignee: Wilhelm Eisenhuth GmbH KG
Current assignee: Wilhelm Eisenhuth GmbH KG
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-13

Abstract

Kontaktplatten von Niedertemperatur-Brennstoffzellen werden durch die Kombination von Formgebungsverfahren im Sinne einer optimalen Temperaturverteilung im Stack hergestellt, dies ist insbesondere möglich durch den Prozessparameter "Rauigkeit".

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen werden in der Zukunft eine wichtige Rolle bei der Versorgung mobiler Objekte mit elektrischem Strom spielen. Eines der wichtigsten Bauteile von Niedertemperatur-Brennstoffzellen sind Kontaktplatten, die in der Praxis nicht ganz korrekt mit „Bipolarplatten", „Anodenplatten" bzw. „Kathodenplatten" bezeichnet werden. Bei der Erfindung handelt es sich um vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Kontaktplatten.

STAND DER TECHNIK

Kontaktplatten für Niedertemperatur-Brennstoffzellen werden auch heute noch teilweise aus vergoldetem Metall hergestellt, beispielsweise Titanblech. Aus Kostengründen weicht man mehr und mehr auf Kunststoffe aus, die durch Compoundieren – meist mit Graphit – elektrisch leitfähig sind. Die Flussfelder werden entweder gefräst – oder in moderneren Verfahren werden die Platten mit den Flussfeldern und Kanälen in Spritzguss- oder Pressverfahren in einem Arbeitsschritt hergestellt. Im Zweikomponenten-Spritzverfahren können die Platten auch gleich mit elastischen Dichtungen versehen werden.

Die Oberfläche innerhalb der Kanäle sollte möglichst glatt sein, damit sich die Strömungsverluste in Grenzen halten, andererseits ist eine Rauigkeit der Oberfläche an bestimmten Stellen vorteilhaft, beispielsweise an den Stellen, wo die Platte die Diffusionsschicht berührt – oder auch bei zweigeteilten Bipolarplatten die Kontaktflächen, um schon bei geringem Anpressdruck einen möglichst geringen elektrischen Übergangswiderstand zu erzielen.

Auch die Kanalführung der Flussfelder bestimmt die maximal erzielbare Leistungsdichte und den Wirkungsgrad. Letztlich wird die maximal mögliche Leistung durch eine Temperaturgrenze vorgegeben, beispielsweise der höchsten zulässigen Temperatur der Protonen-Austauschmembran PEM. Es muss zum Erzielen der maximal möglichen Leistungsdichte angestrebt werden, dass die tatsächliche Membrantemperatur über der gesamten Reaktionsfläche möglichst gleich hoch ist. – Die Parameter, mit denen dies erzielt werden kann, lassen sich teilweise am besten in einem nachgeschalteten Fertigungsprozess optimieren.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel) der Reaktionskinetik besagt: Wird die Temperatur für eine chemische Reaktion um 10 K erhöht, dann erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit typischerweise auf das 2- bis 3-fache (für eine Reaktion mit einer Aktivierungsenergie um die 50 kJ/mol). – Also sollte die maximal zulässige Membrantemperatur in einer PEM-Brennstoffzelle nach Möglichkeit im gesamten Flussfeld voll ausgereizt werden, denn die PEM-Temperatur gibt letztlich die Grenze der Leistungsdichte vor. Das Optimum einer Zelle wird also erreicht, wenn sich über der gesamten Fläche des Flussfeldes eine annähernd gleich hohe Temperatur einstellt. Dabei ist die Temperaturverteilung grundsätzlich instabil, denn an wärmeren Stellen wird durch die intensivere Reaktion noch mehr Wärme erzeugt: Die Temperatur schaukelt sich auf. – Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch einen reproduzierbaren Prozess die Kontaktplatten von Niedertemperatur-Brennstoffzellen so zu gestalten bzw. zu bearbeiten, dass im Betrieb unter Volllast die Membrantemperatur über dem gesamten Flussfeld annähernd gleich ist.

LÖSUNG

Die Aufgabe wird gelöst durch die gezielte Bearbeitung der beispielsweise spritztechnisch hergestellten Kontaktplatten durch Sandstrahlen, Korundstrahlen oder durch Laser-Bestrahlung – im Verbund mit der Kanalführung und Kanal-Ausformung im Flussfeld sowie den Kühlkanälen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Am elegantesten lässt sich die Rauigkeit von Thermoplast- oder Duroplast-Compounds durch Laserbestrahlung einstellen. Die Ergebnisse sind bestens reproduzierbar und in weiten Grenzen einstellbar. Auch durch Sand- oder Korundstrahlen lassen sich gute Ergebnisse erzielen, doch bietet nur das Laser-Verfahren die Möglichkeit, die Rauigkeit ortsabhängig reproduzierbar zu gestalten. Die Geometrie der Flussfelder ist Ausgangspunkt, diese muss so gestaltet werden, dass sich einerseits die absoluten Drücke auf beiden Seiten der Membran weitgehend entsprechen, andererseits aber auch die Partialdrücke der Reaktionspartner, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff.

Der Masseumsatz – und damit die Wärmeproduktion – ist grob gesprochen proportional dem Produkt der Partialdrücke der Reaktionspartner. Welche Temperatur sich einstellt, hängt insbesondere auch von der Geometrie und den Strömungsverhältnissen innerhalb der Kühlkanäle ab. Letztlich muss im konkreten Fall die Temperaturverteilung empirisch bestimmt werden, anschließend zur Feinjustage die Rauigkeit abhängig vom Ergebnis an bestimmten Orten verändert werden, erneut muss die Temperaturverteilung bestimmt werden, bis nach mehreren Durchläufen die für den jeweils konkreten Fall optimale Rauigkeitsverteilung gefunden ist.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 verdeutlicht das Grundprinzip einer optimalen Gestaltung der Kanäle des Flussfeldes. Das Medium (Wasserstoff, Wasserdampf, Sauerstoff, Luft, Methanol ...) wird über den Einlass (1) in die Kanäle (2) der Kontaktplatte geführt, passiert in den Kanälen (2) das Flussfeld (3) und verlässt die Platte am Auslass (4). Angenommen, im Einlass (1) herrsche ein Überdruck von 1000 hPa und durch den Druckabfall in den Kanälen (2) im Auslass (4) ein Überdruck von 500 hPa, dann ist (Standardatmosphäre vorausgesetzt) der Absolutdruck des Mediums beim Eintreten in den Bereich des Flussfeldes mit (1000 + 1013) = 2013 hPa deutlich größer als am Auslass mit (500 + 1013) = 1513 hPa. Daher sollte die Kanalführung in einer Weise ausgestaltet werden, dass am Ende der Kanäle das Medium leichter in die Diffusionsschicht eintreten kann – in der Skizze ist dies symbolisch durch eine Aufweitung (5) der Kanäle angedeutet, aber auch eine – in 5 schematisch dargestellte – Kontur (6) in den Seitenwänden der Kanäle kann dies leisten. Durch diese Maßnahme wird – Beispiel Medium Luft – erreicht, dass der mittlere Partialdruck im Diffusionslayer – Beispiel Sauerstoff – in der Kanalumgebung (8) angehoben wird, obwohl der absolute Druck geringer ist als im schmalen Teil (9) des Kanals (2).
In 1 ist die für das Flussfeld nutzbare Fläche (3) der Kontaktplatte ungünstig klein im Verhältnis zur Gesamtfläche. In der Praxis verwendet man auch aus diesem Grund gern Mäanderstrukturen (2, 3, 4).
2, 3 und 4 beschreiben das Grundprinzip einer optimalen Gestaltung der Kanäle des Flussfeldes für Mäanderstrukturen. Das Medium (Wasserstoff, Sauerstoff, Methanol...) wird über den Einlass (1) in die Kontaktplatte geführt, passiert in den Kanälen (2) das Flussfeld (3) und verlässt die Platte am Auslass (4). Während in einer Kanalführung nach 2 von links nach rechts der absolute Druck kontinuierlich abfällt, sinkt er bei einer Kanalführung nach 3 von links nach rechts bis zur Mitte (12) hin, um dann wieder annähernd auf den Ausgangswert anzusteigen und bis zur rechten Seite auf fast den gleichen Endwert wie in 2 zu sinken. Bei Überlastung einer Brennstoffzelle nach 2 würde die Membran in der linken oberen Ecke durchbrennen (7), im Fall der 3 entweder links oben (10), rechts unten (11) oder in der Mitte (12), weil dort das Produkt der Partialdrücke der Reaktionspartner jeweils ein Maximum erreicht. – Im Unterschied zu den Geometrien nach 2 und 3 verfügt die Platte nach 4 zwei Einlässe (1) und zwei Auslässe (4). Auf diese Weise ist der mittlere Druck über der gesamten Fläche annähernd gleich hoch. – Der gleiche Effekt lässt sich auch mit nur einem Einlass und einem Auslass erzielen – diese Ausführungsform wird hier nicht zeichnerisch dargestellt.
Für Wasserstoff wäre dies eine ausreichende Maßnahme – aber bei Verwendung von Luftsauerstoff kommt noch erschwerend hinzu, dass der Partialdruck des Sauerstoffs bei der Reaktion sinkt, weil Sauerstoff aufgebraucht (reduziert) wird, nicht aber der Stickstoff – außerdem kommt noch das bei der Reaktion entstehende Wasser hinzu, was tendenziell wegen des eigenen Dampfdrucks zur Druckerhöhung beiträgt – und damit wird der Partialdruck des Sauerstoffs noch weiter reduziert, denn ein Mol reduzierter Sauerstoff ergibt zwei Mol Wasserdampf, folglich entsteht doppelt so viel Volumen Wasserdampf wie Sauerstoff umgesetzt worden ist.
Eine hier nicht zeichnerisch dargestellte weitere Möglichkeit, die Reaktionswärme gleichmäßig über die Fläche zu verteilen, besteht darin, Brennstoff und Oxidans (in der Regel Luft) in entgegengesetzter Richtung strömen zu lassen. Auf diese Weise lässt sich in der Tat die Wärmeproduktion gleichmäßig verteilen, weil an jeder Stelle der Membran das Produkt der beiden Partialdrücke von Brennstoff und Luftsauerstoff über der Fläche annähernd konstant ist, aber die absoluten Drücke sind auf beiden Seiten der Membran sehr verschieden, die mechanische Belastung der Membran somit sehr hoch, zumal Kondenswasser durch "Purging" entfernt werden muss, wenn die Temperaturverteilung sich noch nicht eingependelt hat.
Man muss sich in diesem Fall mit sehr niedrigen Drücken behelfen und kommt damit nicht auf eine gute Leistungsdichte. – In der Praxis wird man überstöchiometrisch arbeiten und der Brennstoffzelle einen Luftüberschuss anbieten, indem man die Querschnitte der Luftkanäle entsprechend groß ausführt, um mit vergleichsweise geringem Druckabfall in den Kanälen möglichst viel Sauerstoff in das Flussfeld zu bringen.

1: Einlass
2: Kanäle
3: Flussfeld
4: Auslass
5: Aufweitung der Kanäle
6: Kontur des Kanal-Randes mit verstärkter Diffusion
7: Hot-Spot bei konventioneller Kanalführung
8: Kanal-Umgebung, in den das Medium diffundiert
9: Schmaler Teil eines Kanals mit reduzierter Diffusion
10: Hot-Spot bei aufgeteilter Kanalführung – eine Seite
11: Hot-Spot bei aufgeteilter Kanalführung – andere Seite
12: Hot-Spot bei aufgeteilter Kanalführung – nahe Zentrum
13: Strömungsrichtung des Mediums
14: Gegenstrom

Claims

Kontaktplatte für Niedertemperatur-Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung der Kanäle im Bereich des Flussfeldes in einer Weise gestaltet ist, dass sie zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung im Betrieb führt, indem entweder der Querschnitt der Kanäle (2) in Durchströmrichtung (13) immer weiter wird, oder indem die Seitenwände der Kanäle eine Struktur (6) aufgeprägt bekommen, oder indem benachbarte Kanäle einer Seite der Platte in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden (14), oder indem Brennstoff und Oxidans in entgegengesetzter Richtung strömen.
Kontaktplatte für Niedertemperatur-Brennstoffzellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem Spritzgieß- oder Pressverfahren aus leitfähigem Thermoplast- oder Duroplast- oder Kautschukmaterial gefertigt und in einem weiteren Bearbeitungsschritt die Oberfläche der Platte in einer Weise durch Aufrauung verändert ist, dass sich im Betrieb der Brennstoffzelle eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung einstellt, indem mit Sandstrahlen, Korundstrahlen oder Laserbearbeitung die Rauigkeit der Plattenoberfläche ortsabhängig entsprechend verändert worden ist.
Kontaktplatte für Niedertemperatur-Brennstoffzellen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Einlasskanäle (1), Auslasskanäle (4) oder das Flussfeld (3) von einer umlaufenden Nut umschlossen werden, in die nach Herstellung der Kontaktplatte in einem weiteren Arbeitsprozess elastische Dichtmasse eingebracht wird.