DE19805683A1 - Bipolare Platte mit nichtmetallischer Beschichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein verbindendes Element für Brennstoffzellen.

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro­ lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida­ tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn­ stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druck­ schrift DE 44 30 958 C1 oder die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.

Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei ca. 80°C. An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels ei­ nes Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elek­ trische Energie erzeugt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer Leistungen durch verbindende Elemente zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 bekannte bipolare Platte dar.

Es ist bekannt, verbindende Elemente für PEM-Brenn­ stoffzellen aus Graphit durch mechanische Bearbeitung des Materials herzustellen. Alternativ kann gemäß der Druckschrift "M. S. Wilson, T. E. Springer, T. A. Zawodzinski, J. R. Davey, C. R. Derouin, S. Gottesfeld, Development of Components for a Polymer Electrolyte Fuell Cell of Low Cost and High Performance, 1994 Fuel Cell Seminar, 28 Nov.-1 Dec. 1994, p. 281 ff" ein derartiges verbindendes Element aus einem korrosionsbe­ ständigen Edelstahl wie AISI 316L bestehen. Der Edel­ stahl ist dann mit einem Edelmetall wie Gold oder Pla­ tin beschichtet.

Die Edelmetallbeschichtung auf dem Edelstahl ist erfor­ derlich, da sich andernfalls elektronisch nichtleitende Oxidschichten auf der Oberfläche bilden können und dann der gewünschte elektrische Kontakt zwischen zwei Brenn­ stoffzellen unterbrochen wäre.

Nachteilhaft ist eine solche Edelmetallbeschichtung aufgrund des hohen Materialpreises sehr teuer.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines preiswer­ ten verbindenden Elementes für eine Brennstoffzelle, dessen gute elektrische Leitfähigkeit dauerhaft sicher­ gestellt ist.

Die Aufgabe wird durch ein verbindendes Element mit den Merkmalen des Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Eine be­ vorzugte Verwendungsweise weist die Merkmale des Ver­ wendungsanspruchs auf.

Das anspruchsgemäße verbindende Element besteht im Kern aus einem Metall. Besonders gut geeignete Metalle sind korrosionsbeständig wie zum Beispiel Edelstähle wie V2A oder V4A. Der Metallkern ist mit einer elektrisch leit­ fähigen, nichtmetallischen Schicht beschichtet. Das elektrisch leitfähige, nichtmetallische Material ist so auszuwählen, daß es korrosionsbeständig unter Betriebs­ bedingungen ist.

Die Beschichtung kann durch die bekannten Beschich­ tungsverfahren wie zum Beispiel durch plasmagestützte PVD- oder CVD-Verfahren, durch thermische Zersetzung organischer Verbindungen oder durch lasergestützte Ver­ fahren erfolgen.

Das anspruchsgemäße verbindende Element besteht aus preiswerten Materialien. Es ist leicht, flexibel und weist eine dauerhaft hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Es kann mit einfachen Verarbeitungstechniken her­ gestellt werden.

Aufgrund des geringen Gewichtes ist die anspruchsgemäße bipolare Platte besonders für einen Einsatz in mobilen Vorrichtungen, wie zum Beispiel in einem Auto geeignet.

Geeignete nichtmetallische Materialien sind insbeson­ dere Kohlenstoff oder elektrisch leitfähige Keramiken. Beispiele für geeignete, elektrisch leitfähige Keramiken sind Boride wie TiB₂, CrB₂, ZrB₂, Carbide wie TiC, ZrC oder Nitride wie TiN, ZrN. Mit Stickstoff dotiertes SiC stellt ein weiteres Beispiel für eine geeignete, elektrisch leitfähige Keramik dar. Kombinationen der nichtmetallischen Materialien, so zum Beispiel in Form von mehreren Schichten, sind möglich. Kohlenstoff und Keramiken sind besonders korrosionsbe­ ständig und daher vorteilhaft.

Einen Metallkern vorzusehen, führt zu einer hohen Festigkeit und einer großen mechanischen Stabilität im Vergleich zu verbindenden Elementen, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen. Es sind infolgedessen ver­ gleichsweise geringe Dicken, geringe Massen und folg­ lich niedrige Herstellungskosten möglich.

Grundsätzlich genügt eine teilweise Beschichtung des Metallkerns, da lediglich die Bildung einer Oxidschicht an den Kontaktstellen vermieden werden soll. Bei einer teilweisen Beschichtung ist darauf zu achten, daß die Kontaktstellen zu angrenzenden Elektroden beschichtet sind.

Claims (4)

1. Verbindendes Element mit den Merkmalen:

• - das verbindende Element weist einen aus Metall be­ stehenden Kern auf,
• - der metallische Kern weist zumindest eine elektrisch leitfähige, nichtmetallische Schicht an seiner Oberfläche auf.

2. Verbindendes Element nach vorhergehendem Anspruch, bei dem der metallische Kern mit Kohlenstoff und/oder einer elektrisch leitfähigen Keramik beschich­ tet ist.

3. Verbindendes Element nach vorhergehendem Anspruch, bei dem Boride, Nitride oder Carbide als Keramik vorgesehen ist.

4. Verwendung eines verbindenden Elementes mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Hochtemperaturbrennstoffzelle.