DE10211042A1

DE10211042A1 - Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel unter Einsatz pulvermetallurgischer Verfahren und Materialien

Info

Publication number: DE10211042A1
Application number: DE10211042A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schubert; Rolf Schicke; Ingolf Langer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2003-10-02

Abstract

Bipolarplatten für Brennstoffzellen-Stacks werden bislang üblicherweise entweder aus Vollmetall, aus Graphit oder aus einem kohlenstoffhaltigen Komposit hergestellt, wobei die Gaszu- bzw. -abführungskanäle u. a. durch Fräsen gefertigt werden. DOLLAR A Neben dieser vergleichsweise aufwendigen Bearbeitung zur Herstellung einer Bipolarplatte fallen außerdem hohe Materialverluste durch spanabhebende Fertigungstechniken an. Dies führt zu vergleichsweise hohen Fertigungskosten bei nicht optimaler Funktionalität der Bipolarplatte. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Fertigungstechnik einer Bipolarplatte verwendet dagegen pulvermetallurgische Verfahren, wobei neben einer wesentlich kürzeren Bearbeitungszeit pro Werkstück gleichzeitig der Vorteil sehr geringer Materialverluste erzielt wird; außerdem können mit dieser Technik zahlreiche Werkstoffkombinationen eingesetzt werden, was Optimierungen bzgl. Korrosionsbeständigkeit, elektrischer Leitfähigkeit, Gewicht und Materialkosten ermöglicht. Die porösen Strukturen bieten zusätzlich den Vorteil einer sehr gleichmäßigen Gasverteilung über die gesamte geometrische Fläche der Bipolarplatte, ohne die bei herkömmlich gefertigten Bipolarplatten zusätzlich eingesetzten Gasverteiler (Kohlevlies, Metallnetz o. ä.) zu benötigen. DOLLAR A Bipolarplatte für den Einsatz in Brennstoffzellen-Stacks.

Description

Brennstoffzellenstapel enthalten i. a. als eine der wesentlichen Komponenten sogenannte Bipolarplatten zur Versorgung der Anoden und Kathoden mit den Reaktionsgasen (i. a. Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft), Ableitung des Reaktionsproduktes (i. a. Wasser), Ableitung der überschüssigen Reaktionsgase als auch zur elektrischen Verbindung (Reihenschaltung) der einzelnen Zellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels. Dabei handelt es sich bei den bislang in Prototypen eingesetzten Materialien entweder um massive Metallplatten (Aluminium, Stahl, nichtrostende Stähle) oder Graphitplatten. Während metallische Bipolarplatten gegenüber Graphit über eine bessere elektrische Volumenleitfähigkeit verfügen, treten bei den üblichen Metallen im praktischen Betrieb eines Brennstoffzellenstapels z. T. Korrosionsprobleme auf, die entweder eine galvanische Beschichtung der metallischen Bipolarplatten erfordern bzw. den Einsatz von Graphit bzw. graphithaltigen Kompositmaterialien vorteilhaft erscheinen lassen. Neben dem bereits erwähnten Nachteil der geringeren Volumenleitfähigkeit graphithaltiger Komposite treten als weitere Nachteile die mechanischen Eigenschaften (Bruchgefahr), der gegenüber Metall wesentlich eingeschränkte Temperaturbereich (wegen des verwendeten Polymerwerkstoffs als Teil des Komposits) sowie verfahrenstechnische Schwierigkeiten bei der Fertigung von definiert strukturierten Bipolarplatten aus derartigen Materialien auf, die die Entwicklung bislang verzögerten.

Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte vermeidet die oben genannten Nachteile bisheriger Kompositwerkstoffe zur Herstellung von Bipolarplatten, insbesondere die nachteiligen Eigenschaften der oben genannten graphithaltigen Kompositwerkstoffe, durch Einsatz pulvermetallurgischer Verfahren (wie z. B. Pulverpressen, Schlickergießen, pulvermetallurgisches Spritzgießen - MIM ("Metal Injection Moulding") bzw. deren Kombination mit konventionellen Technologien (wie z. B. Umformen, Fügen, Spanen) zur Fertigung metallischer Bipolarplatten.

Im Gegensatz zur konventionellen Verarbeitung metallischer Werkstoffe werden in der Pulvermetallurgie metallische Pulver und Gemische aus metallischen und nichtmetallischen Pulvern (z. B. keramische Werkstoffe) und/oder Fasern durch Pressen in Werkzeugen oder durch Zusatz von Bindemitteln in eine Form gebracht und anschließend durch eine geeignete Wärmebehandlung (Sintern) verdichtet. Die Enddichte kann u. a. durch Wahl der Pulverzusammensetzung, der Pulvermorphologie und der Prozeßparameter gezielt beeinflußt werden.

Gegenwärtig industriell eingesetzte Pulver haben je nach Herstellungsverfahren eine kugelige oder unregelmäßige Form und variieren in Ihrer Größe zwischen 1 und 400 µm. Bei der Herstellung hochporöser Filter sind aber auch Pulver bis zu einem Durchmesser von mehreren Millimetern üblich. Neuere Entwicklungen zu partikel- oder faserverstärkten Metall-Matrix- Verbundwerkstoffen verwenden Mischungen aus metallischen und keramischen Pulvern bzw. Fasermaterialien.

Steht das Erreichen einer möglichst geringen Dichte bei hinreichender Festigkeit des zu fertigenden Körpers im Vordergrund, können auch anorganische Verbindungen oder organische Materialien dem Ausgangspulver zugegeben werden. Diese Materialien lösen entweder chemische Reaktionen aus, die einen Porenraum schaffen oder hinterlassen nach einem Prozeß zu ihrer Extraktion einen Porenraum in der metallischen Matrix.

Gegenüber den bisher eingesetzten Technologien zur Herstellung von Bipolarplatten weisen diese Techniken bzw. Kombinationen von Techniken mehrere entscheidende Vorteile auf:

- gegenüber der mechanischen Oberflächenbearbeitung metallischer oder graphithaltiger Materialien wie z. B. Fräsen kann die gewünschte endgültige Struktur der Bipolarplatte (typischerweise mindestens stückweise parallel verlaufende Kanäle mit rechteckiger Querschnittsfläche) mit deutlich verringerten Herstellungskosten bei akzeptabler Maßhaltigkeit gefertigt werden;
- bedingt durch die Prozeßschritte einiger pulvermetallurgischer Verfahren, z. B. des MIM- Verfahrens, können auch andere als die bisher üblichen Oberflächenstrukturen bei der Fertigung von Bipolarplatten, insbesondere neue geometrische Formen der Querschnittsflächen der Gasverteilungskanäle, ohne nennenswerten Mehraufwand bei der Gestaltung des Bearbeitungswerkzeugs realisiert werden;
- durch Variation der Materialzusammensetzung können gewünschte Eigenschaften der Bipolarplatten wie beispielsweise Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, nutzbarer Temperaturbereich und Gewicht in weiten Bereichen eingestellt werden;
- durch Zusatz weiterer Stoffe (Porenbildner) ist eine definierte Porosität einer unter Einsatz der beschriebenen Technologien hergestellten Bipolarplatte realisierbar, was neue konstruktive Möglichkeiten der Stackgestaltung insgesamt eröffnet;
- durch Kombination eines gasdichten dünnen metallischen Bereichs und zweier poröser Teile sind mit Hilfe pulvermetallurgischer Verfahren auf besonders einfache Weise Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellenstacks herstellbar, die sowohl die Funktion der Gasverteilung auf beiden Seiten der Membran übernehmen als auch die elektrische Kontaktierung der jeweiligen Elektroden als auch die gasdichte elektrische Verbindung zu den benachbarten Zellen innerhalb des Stacks (siehe Fig. 1 und Fig. 2). In Fig. 1 sind 1 der Gaszuführungskanal für Gas 1 (typischerweise Wasserstoff), 2 der Gasableitungskanal für Gas 1, 3 der Gaszuführungskanal für Gas 2 (typischerweise Luft oder Sauerstoff), 4 der Gasableitungskanal für Gas 2, 5 beidseitig vorgesehene Noppen zur Verwirbelung bzw. Verteilung der Gase, und 6 die porösen Bereiche der (aus drei Teilen zusammengesetzten) Bipolarplatte zur Verteilung der Reaktionsgase auf beiden Seiten. Fig. 2 zeigt eine weitere Variante einer derart hergestellten mehrteiligen Bipolarplatte mit porösen Anteilen mit: 7 gasdichtes, nichtporöses Trennblech zur Trennung der Gase und elektrischen Kontaktierung der beiden anliegenden porösen Anteile, 8 poröser Teil der Bipolarplatte (z. B. Anodenseite mit einer bestimmten Porositä, die von der Porosität der zweiten porösen Platte (9) verschieden sein kann zwecks Beeinflussung der Stoffinengenraten, insbesondere Wasserdampf bzw. kondensiertes Wasser betreffend, durch die Querschnittsflächen der beiden porösen Anteile (Kathodenplatte und Anodenplatte) der Bipolarplatte, 10, 11 nachträglich in die beiden porösen Platten eingebrachte Vertiefungen (Kanäle) zur groben Verteilung der Reaktionsgase bzw. bereits während der Herstellung der porösen Platten durch Einsatz geeignet geformter Herstellungswerkzeuge erzeugte Vertiefungen zur Gasführung. Die Vertiefungen (Kanäle) zur Gasführung diesen hierbei einer Gaszuleitung zu den Reaktionszonen mit vergleichsweise geringem Druckabfall bzw. der Ableitung des typischerweise dampfförmigen Reaktionswassers mit ebenfalls vergleichsweise geringem Druckabfall. Dabei können die geometrischen Querschnittsflächen der Gaszuführungs- bzw. -ableitungskanäle grundsätzlich beliebig geformt sein (auch entlang der geometrischen Ausdehnung der Kanäle von einem Anfangspunkt, typischerweise an einer der Kanten der porösen Platten oder in der Nähe einer der Kanten der porösen Platte zu einem Endpunkt, gleichfalls an einer der Kanten der porösen Platte oder in der Nähe einer der Kanten jeweils einer der porösen Platten können die Form und Größe der geometrischen Querschnittsflächen jeweils variieren). Auch aus anderen Gründen kann es vorteilhaft sein, Porengrößen, Porengrößenverteilungen und Materialien der beiden porösen Platten unterschiedlich voneinander zu wählen, z. B. wegen unterschiedlicher lokaler pH-Werte auf beiden Seiten der Bipolarplatte.
- bei Einsatz der oben genannten pulvermetallurgischen Verfahren bzw. der Kombination dieser Verfahren mit anderen Fertigungstechnologien fallen im Vergleich mit einer beispielsweise nur spanabhebenden Fertigungstechnik nur sehr geringe Materialverluste an, so daß - im Gegensatz beispielsweise zur spanabhebenden Oberflächenbearbeitung - auch sehr hochwertige Materialien vergleichsweise kostengünstig eingesetzt werden können.

Bislang wurden für die verschiedenen oben genannten Funktionen unterschiedliche Komponenten eingesetzt, typischerweise metallische Bipolarplatten in Kombination mit aufgelegten metallischen Vliesen zur Gasverteilung oder Kunststoffgasverteilungsplatten ("flow fields") in Kombination mit z. B. Graphit-Bipolarplatten. Dies wird bei Einsatz einer vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäß hergestellten Bipolarplatten durch Integration der Funktionsmerkmale (Gasverteilung, elektrische Kontaktierung, gasdichte elektrische Verbindung zu den benachbarten Zellen innerhalb des Stacks) zu deutlich verringerten Herstellungskosten der einzelnen Bipolarplatte erreicht. Außerdem verringert sich durch die erzielte Integration der Funktionalitäten die Anzahl der Stackkomponenten, was zusätzliche Kostenvorteile bei der Stackfertigung (Montage) ermöglicht.

Beispiele von pulvermetallurgisch hergestellten Bipolarplatten sind in den Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt.

Claims

1. Mehrteilige Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der porösen Teile der Bipolarplatte pulvermetallurgische Verfahren und/oder die Kombination aus pulvermetallurgischen und konventionellen Fertigungsverfahren eingesetzt wird.

2. Bipolarplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der porösen Anteile der mehrteiligen Bipolarplatte unterschiedliche Metalle in einem Arbeitsgang eingesetzt werden, d. h. das fertige Werkstück (die Bipolarplatte) in ihrem porösen Teil bzw. ihren porösen Teilen aus einem legierungsähnlichen Werkstoff bzw. je nach Herstellungsbedingungen auch einer definierten Legierung besteht.

3. Bipolarplatte nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den angewandten Verfahren Ausgangsmaterialien in der Auswahl verwendet werden, so daß ein hinsichtlich des Betriebs in einer PEM-Brennstoffzelle korrosionsbeständiger Werkstoff resultiert.

4. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Ausgangsmischungen für die pulvermetallurgischen Verfahren und/oder die Kombination aus pulvermetallurgischen und konventionellen Fertigungsverfahren geeignete Materialien bzw. Materialien in geeigneten Partikelgrößen beigemischt werden, so daß eine Bipolarplatte definierter Porosität resultiert, wobei die Porosität durch einen der üblichen verfahrenstechnischen Prozesse oder eine Kombination dieser Prozesse erzielt wird.

5. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Ausgangsmischungen für die pulvermetallurgischen Verfahren und/oder die Kombination aus pulvermetallurgischen und konventionellen Fertigungsverfahren geeignete Materialien bzw. Materialien in geeigneten Partikelgrößen beigemischt werden, so daß eine poröse Bipolarplatte mit einer durch die Parameter des Herstellungsprozesses steuerbaren Porengrößenverteilung innerhalb des Materials resultiert.

6. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des pulvermetallurgischen Fertigungsprozesses oder im Anschluß daran bzw. während der Anwendung einer Kombination eines pulvermetallurgischen und eines konventionellen Fertigungsverfahrens oder im Anschluß daran durch gezielt erzeugte Verdichtungsvorgänge in den Randbereichen des Bauteils die Struktur so weit verdichtet wird, daß ein gasdichter Bereich entsteht.

7. Bipolarplatte nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendigen Werkzeuge zur Herstellung der Bipolarplatte nach einem oder mehreren der pulvermetallurgischen Verfahren und/oder einer Kombination aus einem oder mehreren pulvermetallurgischen Verfahren und konventionellen Fertigungsverfahren geeignete Strukturen enthalten, die eine geeignete Gasführung in der Bipolarplatte ermöglichen und/oder unterstützen.

8. Bipolarplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Gaszu- bzw. -abführung vorgesehenen Strukturen Vertiefungen (Kanäle) im porösen Bipolarplattenmaterial sind, die entweder mit spanabhebenden Bearbeitungsverfahren wie Fräsen oder Profilschleifen nachträglich in das poröse Plattenmaterial eingebracht werden, oder durch nichtspanabhebende Verfahren wie Prägen oder Pressen hergestellt werden.

9. Bipolarplatte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Gaszu- bzw. -abführung vorgesehenen Strukturen (Kanäle) eine Tiefe, bezogen auf die unbearbeitete Fläche, in die die besagten Kanäle eingebracht werden, zwischen 0,1 und 3 mm aufweisen und Breiten im Bereich zwischen 0,1 mm und einem Fünftel der äußeren Kantenlänge der Bipolarplatte aufweisen.

10. Bipolarplatte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Gaszu- bzw. -abführung vorgesehenen Strukturen (Kanäle) beliebige Geometrien sowohl hinsichtlich der Form der Querschnittsfläche der einzelnen Kanäle bzw. Kanalabschnitte als auch bzgl. des lateralen Verlaufs der Kanäle entlang den Hauptoberflächen der porösen Teile der Bipolarplatte aufweisen.