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WO2018108546A2 - Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte, bipolarplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte, bipolarplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle Download PDF

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Publication number
WO2018108546A2
WO2018108546A2 PCT/EP2017/080959 EP2017080959W WO2018108546A2 WO 2018108546 A2 WO2018108546 A2 WO 2018108546A2 EP 2017080959 W EP2017080959 W EP 2017080959W WO 2018108546 A2 WO2018108546 A2 WO 2018108546A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
plate
electrode
profile
bipolar plate
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2017/080959
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English (en)
French (fr)
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WO2018108546A3 (de
Inventor
Friedrich Kneule
Nicolas Maier
Markus Siebert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2018108546A2 publication Critical patent/WO2018108546A2/de
Publication of WO2018108546A3 publication Critical patent/WO2018108546A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a bipolar plate for a fuel cell.
  • the invention further relates to a bipolar plate for a
  • a fuel cell comprising a first distribution region defined by a first separation plate for distributing a fuel to a first electrode and a second distribution region defined by a second separation plate for distributing an oxidant to a second electrode.
  • the invention also relates to a fuel cell, which comprises at least one membrane electrode unit with a first electrode and a second electrode, which are separated from one another by a membrane, and at least one bipolar plate.
  • a fuel cell is a galvanic cell, which is the chemical
  • Reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent converts into electrical energy.
  • a fuel cell is therefore an electrochemical energy converter.
  • known fuel cells in particular hydrogen (H2) and oxygen (02) in water (H20), electrical energy and heat are converted.
  • An electrolyzer is an electrochemical energy converter which splits water (H20) into hydrogen (H2) and oxygen (02) by means of electrical energy.
  • proton exchange membrane PEM
  • PEM proton exchange membrane
  • Proton exchange membrane fuel cells further include an anode and a cathode.
  • the fuel is supplied to the anode of the fuel cell and catalytically oxidized to protons with release of electrons.
  • the protons pass through the membrane to the cathode.
  • the emitted electrons are discharged from the fuel cell and flow through an external circuit to the cathode.
  • the oxidant is supplied to the cathode of the fuel cell and it reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons that have passed through the membrane to the cathode to water. The resulting water is discharged from the fuel cell.
  • the gross reaction is:
  • a voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell.
  • a plurality of fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack and electrically connected.
  • the bipolar plates have, for example, channel-like structures for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes.
  • the channel-like structures also serve to dissipate the water formed during the reaction.
  • the bipolar plates may further include structures for passing a cooling liquid through the fuel cell to dissipate heat.
  • AI is a fuel cell with a
  • each of the two plate halves has a distribution region which is provided for distributing the reaction gases.
  • the bipolar plate has a meandering
  • the meandering channel serves to introduce hydrogen or oxygen into the fuel cell.
  • a method for producing a bipolar plate for a fuel cell which comprises a first limited by a separating plate
  • Distribution area for distributing a fuel to a first electrode and a limited by a partition plate second distribution area for distributing an oxidizing agent to a second electrode can also be used in other electrochemical energy converters, for example in an electrolyzer.
  • the two distribution areas can be limited in each case by a separate partition plate or by a common.
  • a profile is produced in at least one of the distribution regions by printing a printing material onto the separating plate.
  • Distribution area are formed. As a result, the flow through the distribution area can be influenced.
  • the profile is produced in the second distribution region, which serves to distribute the oxidizing agent to the second electrode and to dissipate water formed in the reaction.
  • the profile can also, alternatively or additionally, in the first distribution area for distribution of a
  • the printing material is applied by screen printing on the separating plate. According to another advantageous embodiment of the invention, the printing material is applied by means of 3D printing on the separating plate.
  • the printing material which is printed on the separating plate porous.
  • the profile produced in the distribution area is also porous.
  • the printing material which is printed on the separating plate is electrically conductive.
  • the profile produced in the distribution region is also electrically conductive and can conduct the electrons released in the electrochemical reaction in the fuel cell.
  • a bipolar plate for a fuel cell which comprises a first distribution area bounded by a separation plate for distributing a fuel to a first electrode and a second distribution area delimited by a separation plate for distributing an oxidizing agent to a second electrode.
  • the bipolar plate can also be used in others
  • electrochemical energy converters for example in an electrolyzer
  • the two distribution areas can be limited in each case by a separate partition plate or by a common.
  • a profile is provided in at least one of the distribution regions, which profile is produced by printing a printing material onto the separating plate.
  • suitable arrangement and design of the profile can be selectively formed channels in the distribution area. This is the result
  • the profile has pillars extending from the divider plate through the distribution area to one of the electrodes.
  • the profile has pillars extending from the divider plate through the distribution area to one of the electrodes.
  • other contours are conceivable.
  • the profile is provided in the second distribution region, which serves to distribute the oxidizing agent to the second electrode and to dissipate water formed during the reaction.
  • a profile can also, alternatively or additionally, be provided in the first distribution area for distributing a fuel to the first electrode.
  • the columns of the profile are generated from an electrically conductive printing material and provide an electrically conductive connection between the partition plate and the electrode forth.
  • the pillars of the profile can guide the electrons released in the electrochemical reaction in the fuel cell.
  • the profile is produced from a porous printing material.
  • a fuel cell which comprises at least one membrane-electrode unit with a first electrode and a second electrode, which are separated from one another by a membrane, and at least one bipolar plate according to the invention.
  • the fuel cell is constructed in such a way that in each case a bipolar plate connects to the membrane electrode unit on both sides.
  • the gas supplied to the distribution region via a supply channel can first be distributed uniformly over the entire active area of the electrode at a low pressure loss. Through a suitable ducting all areas of the electrode can be supplied with gas evenly. Due to the adjustability of the porosity of the printing material, the internal water discharge can be realized similar to a foam structure.
  • the printing material can be made of suitable materials, so that the corrosion protection is included. The costs for producing the bipolar plate can be kept low via an automated manufacturing process.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack with a plurality of fuel cells
  • Figure 2 is an enlarged schematic representation of a bipolar plate of
  • FIG. 3 shows a schematic sectional illustration along the section line A - A of the bipolar plate from FIG. 2 according to a first embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view along the section line A - A of the bipolar plate from FIG. 2 according to a second embodiment
  • Figure 5 is a perspective view of a profile of the bipolar plate
  • Figure 6 is a perspective view of a profile of the bipolar plate
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a fuel cell stack 5 with a plurality of fuel cells 2.
  • Each fuel cell 2 has a membrane electrode unit 10 which comprises a first electrode 21, a second electrode 22 and a membrane 18.
  • the two electrodes 21, 22 are arranged on mutually opposite sides of the membrane 18 and thus separated from each other by the membrane 18.
  • the first electrode 21 will also be referred to below as the anode 21 and the second electrode 22 will also be referred to below as the cathode 22.
  • the membrane 18 is formed as a polymer electrolyte membrane.
  • the membrane 18 is permeable to hydrogen ions, ie H + ions.
  • Each fuel cell 2 also has two bipolar plates 40, which connect to the membrane electrode unit 10 on both sides.
  • each of the bipolar plates 40 may be regarded as belonging to two fuel cells 2 arranged adjacent to one another.
  • the bipolar plates 40 each include a first distribution region 50 for distributing a fuel, which faces the anode 21.
  • Bipolar plates 40 also each include a second distribution region 60 for distributing the oxidizing agent facing the cathode 22.
  • the second distribution region 60 simultaneously serves to dissipate water formed in a reaction in the fuel cell 2.
  • the bipolar plates 40 further comprise a third distribution region 70, which is arranged between the first distribution region 50 and the second distribution region 60.
  • the third distribution area 70 serves to pass a
  • the first distribution region 50 and the third distribution region 70 are separated from one another by a first separation plate 75.
  • the second distribution region 60 and the third distribution region 70 are separated from one another by a second separation plate 76.
  • the partition plates 75, 76 of the bipolar plates 40 are formed here as thin metal sheets.
  • Distributed area 60 passed to the cathode 22.
  • the fuel present
  • Hydrogen is catalytically added to the anode 21 with the release of electrons
  • Protons oxidized The protons pass through the membrane 18 to the cathode 22.
  • the emitted electrons are derived from the fuel cell 2 and from the fuel cell stack 5 and flow via an external circuit to the cathode 22.
  • the oxidant in this case atmospheric oxygen, reacts by receiving the electrons from the external circuit and protons that have passed through the membrane 18 to the cathode 22, to water.
  • FIG 2 shows an enlarged schematic representation of a bipolar plate 40 of the fuel cell stack 5 of Figure 1, which is arranged between two membrane electrode units IO.
  • a bipolar plate 40 of the fuel cell stack 5 of Figure 1 which is arranged between two membrane electrode units IO.
  • Metallic sheet formed first partition plate 75 is bent several times and repeatedly touches the second partition plate 76.
  • the second partition plate 76 is formed as a flat thin metal sheet. Gaps between the first partition plate 75 and the second partition plate 76 together form the third distribution area 70 for passing the coolant.
  • a profile 80 is provided which, for example, has a plurality of columns 82.
  • the pillars 82 of the profile 80 extend from the second separation plate 76 through the second distribution region 60 to the cathode 22 of the adjacent membrane electrode assembly 10.
  • the columns 82 of the profile 80 are produced by printing a printing material on the second partition plate 76.
  • the printing material is for example by means of
  • FIG. 3 shows a schematic sectional illustration along the section line A-A through the bipolar plate 40 from FIG. 2 according to a first embodiment.
  • the profile 80 comprises a plurality of columns 82, which in the present case have a rectangular, in particular square cross-section.
  • the columns 82 are arranged such that corners of adjacent columns 82 touch, and that between each four columns 82, a free space is formed.
  • the columns 82 of the profile 80 are in the present case produced from a porous printing material.
  • the columns 82 of the profile 80 are also porous and thus permeable to the incoming oxidant.
  • the oxidizing agent flows through the second distribution region 60 and also the columns 82 of the profile 80 therein in a flow direction 44, which is indicated by corresponding arrows.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional illustration along the section line A-A through the bipolar plate 40 from FIG. 2 according to a second embodiment.
  • the profile 80 comprises a plurality of columns 82, which in the present case have a rectangular, in particular square cross-section.
  • the columns 82 are presently arranged such that corners of adjacent columns 82 partially contact, but between the columns 82 free flow channels are formed.
  • the flow channels in this case have bends, so only partially straight.
  • Flow channels in the second distribution region 60 in a flow direction 44 which is indicated by corresponding arrows.
  • Figure 5 shows a perspective view of a profile 80 of the bipolar plate 40 of Figure 2 according to a first embodiment.
  • the profile 80 has a plurality of columns 82, which are parallel to each other from the second
  • the columns 82 of the profile 80 in this case have a circular cross-section and are spaced from each other on the second partition plate 76.
  • Figure 6 shows a perspective view of a profile 80 of the bipolar plate 40 of Figure 2 according to a second embodiment.
  • the profile 80 has a plurality of columns 82, which are parallel to each other from the second
  • the columns 82 of the profile 80 in this case have an oval or drop-shaped cross section and are spaced from each other on the second partition plate 76. Between the columns 82 thus gaps are provided, which can be flowed through by the oxidizing agent.
  • the columns 82 of the profile 80 may have other cross sections in addition to the cross sections shown here.
  • cross sections shown here triangular, hexagonal or other polygonal cross sections for the columns 82 of the profile 80 are conceivable.
  • other versions of the profile 80 are conceivable instead of or in addition to columns.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle, umfassend einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten ersten Verteilbereich (50) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21), und einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten zweiten Verteilbereich (60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode (22). Dabei wird in mindestens einem der Verteilbereiche (50, 60) durch Drucken eines Druckmaterials auf die Trennplatte (75, 76) ein Profil (80) erzeugt. Die Erfindung betrifft auch eine Bipolarplatte (40) für eine gattungsgemäße Brennstoffzelle, wobei in mindestens einem der Verteilbereiche (50, 60) der Bipolarplatte (40) ein Profil (80) vorgesehen ist, welches durch Drucken eines Druckmaterials auf die Trennplatte (75, 76) erzeugt ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine Membran- Elektroden- Einheit (10) mit einer ersten Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (22), welche voneinander durch eine Membran (18) getrennt sind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte (40).

Description

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte,
Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte für eine
Brennstoffzelle, die einen von einer ersten Trennplatte begrenzten ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und einen von einer zweiten Trennplatte begrenzten zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine Membran- Elektroden- Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte umfasst.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische
Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) in Wasser (H20), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H20) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) spaltet.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membran = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere
Wasserstoff, getrennt.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode.
Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
02 + 4H+ + 4e 2H20
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch verbunden werden.
Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind
Bipolarplatten vorgesehen. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
Aus der DE 10 2012 221 730 AI ist eine Brennstoffzelle mit einer
gattungsgemäßen Bipolarplatte bekannt, welche aus zwei Plattenhälften aufgebaut ist. Dabei weist jede der beiden Plattenhälften eine Verteilbereich auf, welche zur Verteilung der Reaktionsgase vorgesehen ist.
Auch aus der DE 10 2014 207 594 AI ist eine Bipolarplatte für eine
Brennstoffzelle bekannt. Die Bipolarplatte weist dabei einen mäanderförmigen
Kanal auf, welcher beispielsweise als Nut ausgebildet ist. Der mäanderförmige Kanal dient zur Einleitung von Wasserstoff oder Sauerstoff in die Brennstoffzelle.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche einen von einer Trennplatte begrenzten ersten
Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und einen von einer Trennplatte begrenzten zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Bipolarplatte kann aber auch in anderen elektrochemischen Energiewandlern, beispielsweise in einem Elektrolyseur, eingesetzt werden. Die beiden Verteilbereiche können dabei jeweils von einer separaten Trennplatte oder auch von einer gemeinsamen begrenzt sein.
Erfindungsgemäß wird in mindestens einem der Verteilbereiche durch Drucken eines Druckmaterials auf die Trennplatte ein Profil erzeugt. Durch geeignete Anordnung und Ausbildung des Profils können gezielt Kanäle in dem
Verteilbereich ausgebildet werden. Dadurch kann die Durchstömung des Verteilbereichs beeinflusst werden.
Vorzugsweise wird das Profil in dem zweiten Verteilbereich erzeugt welcher zur Verteilung des Oxidationsmittels an die zweite Elektrode sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient. Das Profil kann aber auch, alternativ oder zusätzlich, in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines
Brennstoffs an die erste Elektrode erzeugt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Druckmaterial mittels Siebdruck auf die Trennplatte aufgebracht. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Druckmaterial mittels 3D-Druck auf die Trennplatte aufgebracht.
Vorteilhaft ist das Druckmaterial, welches auf die Trennplatte gedruckt wird, porös. Somit ist auch das in dem Verteilbereich erzeugte Profil porös.
Vorzugsweise ist das Druckmaterial, welches auf die Trennplatte gedruckt wird, elektrisch leitfähig. Somit ist auch das in dem Verteilbereich erzeugte Profil elektrisch leitfähig und kann die bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle freigesetzten Elektronen leiten.
Es wird auch eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche einen von einer Trennplatte begrenzten ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode und einen von einer Trennplatte begrenzten zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode umfasst. Die Bipolarplatte kann aber auch in anderen
elektrochemischen Energiewandlern, beispielsweise in einem Elektrolyseur, eingesetzt werden. Die beiden Verteilbereiche können dabei jeweils von einer separaten Trennplatte oder auch von einer gemeinsamen begrenzt sein.
Erfindungsgemäß ist in mindestens einem der Verteilbereiche ein Profil vorgesehen, welches durch Drucken eines Druckmaterials auf die Trennplatte erzeugt ist. Durch geeignete Anordnung und Ausbildung des Profils können gezielt Kanäle in dem Verteilbereich ausgebildet sein. Dadurch ist die
Durchstömung des Verteilbereichs beeinflussbar.
Vorzugsweise weist das Profil Säulen auf, welche sich von der Trennplatte durch den Verteilbereich bis zu einer der Elektroden erstrecken. Aber auch andere Konturen sind denkbar.
Vorzugsweise ist das Profil in dem zweiten Verteilbereich vorgesehen, welcher zur Verteilung des Oxidationsmittels an die zweite Elektrode sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient. Ein Profil kann aber auch, alternativ oder zusätzlich, in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode vorgesehen sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Säulen des Profils dabei aus einem elektrisch leitfähigen Druckmaterial erzeugt und stellen eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Trennplatte und der Elektrode her. Somit können die Säulen des Profils die bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle freigesetzten Elektronen leiten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Profil aus einem porösen Druckmaterial erzeugt.
Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine Membran- Elektroden- Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst. Insbesondere ist die Brennstoffzelle derart aufgebaut, dass sich beidseitig an die Membran- Elektroden- Einheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt.
Vorteile der Erfindung
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nahezu jede Geometrie des Profils in dem Verteilbereich herstellbar. Insbesondere sind verhältnismäßig geringe Kanalhöhen umsetzbar. Der Druckverlust des zu verteilenden Gases kann durch die Formgebung des Profils sowie durch die Porosität eingestellt werden.
Insbesondere kann das über einen Zuführungskanal dem Verteilbereich zugeführte Gas zunächst bei geringem Druckverlust gleichmäßig über die gesamt aktive Fläche der Elektrode verteilt werden. Durch eine geeignete Kanalführung können alle Bereiche der Elektrode gleichmäßig mit Gas versorgt werden. Durch die Einstellbarkeit der Porosität des Druckmaterials kann der interne Wasseraustrag ähnlich einer Schaumstruktur realisiert werden. Um einer Korrosion der Bipolarplatte vorzubeugen, kann das Druckmaterial aus geeigneten Materialien hergestellt werden, so dass der Korrosionsschutz beinhaltet ist. Die Kosten zur Herstellung der Bipolarplatte können über einen automatisierten Herstellprozess gering gehalten werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
Figur 2 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte des
Brennstoffzellenstapels aus Figur 1,
Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A - A der Bipolarplatte aus Figur 2 gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A - A der Bipolarplatte aus Figur 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Figur 5 eine perspektivische Darstellung eines Profils der Bipolarplatte aus
Figur 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
Figur 6 eine perspektivische Darstellung eines Profils der Bipolarplatte aus
Figur 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Membran- Elektroden- Einheit 10 auf, die eine erste Elektrode 21, eine zweite Elektrode 22 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 21, 22 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 21 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet und die zweite Elektrode 22 wird im Folgenden auch als Kathode 22 bezeichnet. Die Membran 18 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die Membran 18 ist für Wasserstoffionen, also H+-lonen, durchlässig.
Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf, die sich beidseitig an die Membran- Elektroden- Einheit 10 anschließen. Bei der hier gezeigten Anordnung mehrerer Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstapel 5 kann jede der Bipolarplatten 40 als zu zwei zueinander benachbart angeordneten Brennstoffzellen 2 gehörig betrachtet werden.
Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils einen ersten Verteilbereich 50 zur Verteilung eines Brennstoffs, welcher der Anode 21 zugewandt ist. Die
Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch einen zweiten Verteilbereich 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, welcher der Kathode 22 zugewandt ist. Der zweite Verteilbereich 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser.
Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner einen dritten Verteilbereich 70, welcher zwischen dem ersten Verteilbereich 50 und dem zweiten Verteilbereich 60 angeordnet ist. Der dritte Verteilbereich 70 dient zur Durchleitung eines
Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 und des Brennstoffzellenstapels 5.
Der erste Verteilbereich 50 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine erste Trennplatte 75 voneinander getrennt. Die zweite Verteilbereich 60 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine zweite Trennplatte 76 voneinander getrennt. Die Trennplatten 75, 76 der Bipolarplatten 40 sind vorliegend als dünne metallische Bleche ausgebildet. Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über den ersten Verteilbereich 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über den zweiten
Verteilbereich 60 zu der Kathode 22 geleitet. Der Brennstoff, vorliegend
Wasserstoff, wird an der Anode 21 katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu
Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran 18 zu der Kathode 22. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle 2 und aus dem Brennstoffzellenstapel 5 abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus Figur 1, welche zwischen zwei Membran- Elektroden- EinheitenlO angeordnet ist. Die beispielsweise als dünnes
metallisches Blech ausgebildete erste Trennplatte 75 ist dabei mehrfach gebogen und berührt mehrfach die zweite Trennplatte 76. Die zweite Trennplatte 76 ist als flaches dünnes metallisches Blech ausgebildet. Zwischenräume zwischen der ersten Trennplatte 75 und der zweiten Trennplatte 76 bilden zusammen den dritten Verteilbereich 70 zur Durchleitung des Kühlmittels.
In dem zweiten Verteilbereich 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels und zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser ist ein Profil 80 vorgesehen, welches beispielsweise mehrere Säulen 82 aufweist. Die Säulen 82 des Profils 80 erstrecken sich von der zweiten Trennplatte 76 durch den zweiten Verteilbereich 60 hindurch bis zu der Kathode 22 der benachbarten Membran- Elektroden-Einheit 10.
Die Säulen 82 des Profils 80 sind dabei durch Drucken eines Druckmaterials auf die zweite Trennplatte 76 erzeugt. Das Druckmaterial ist beispielsweise mittels
Siebdruck oder mittels 3D-Druck auf die zweite Trennplatte 76 aufgebracht. Das Druckmaterial ist dabei elektrisch leitfähig und somit sind auch die Säulen 82 des Profils 80 elektrisch leitfähig. Die Säulen 82 des Profils 80 stellen damit eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der zweiten Trennplatte 76 und der Kathode 22 her. Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A - A durch die Bipolarplatte 40 aus Figur 2 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Profil 80 umfasst mehrere Säulen 82, welche vorliegend einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt aufweisen. Die Säulen 82 sind derart angeordnet, dass Ecken von benachbarten Säulen 82 sich berühren, und dass zwischen je vier Säulen 82 ein freier Zwischenraum gebildet ist.
Die Säulen 82 des Profils 80 sind vorliegend aus einem porösen Druckmaterial erzeugt. Somit sind die Säulen 82 des Profils 80 ebenfalls porös und somit für das einströmende Oxidationsmittel durchlässig. Das Oxidationsmittel durchströmt den zweiten Verteilbereich 60 und auch die Säulen 82 des darin befindlichen Profils 80 in eine Strömungsrichtung 44, welche durch entsprechende Pfeile gekennzeichnet ist.
Figur 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A - A durch die Bipolarplatte 40 aus Figur 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Profil 80 umfasst mehrere Säulen 82, welche vorliegend einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt aufweisen. Die Säulen 82 sind vorliegend derart angeordnet, dass Ecken von benachbarten Säulen 82 sich teilweise berühren, wobei aber zwischen den Säulen 82 freie Strömungskanäle ausgebildet sind.
Die Strömungskanäle weisen dabei vorliegend Biegungen auf, verlaufen also nur abschnittsweise geradlinig. Das Oxidationsmittel durchströmt die freien
Strömungskanäle in dem zweiten Verteilbereich 60 in eine Strömungsrichtung 44, welche durch entsprechende Pfeile gekennzeichnet ist.
Figur 5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Profils 80 der Bipolarplatte 40 aus Figur 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Profil 80 weist mehrere Säulen 82 auf, welche sich parallel zueinander von der zweiten
Trennplatte 76 zu der hier nicht dargestellten Kathode 22 der benachbarten Membran- Elektroden- Einheit 10 erstrecken. Die Säulen 82 des Profils 80 weisen dabei einen kreisrunden Querschnitt auf und sind beabstandet voneinander auf der zweiten Trennplatte 76 angeordnet.
Zwischen den Säulen 82 sind somit Lücken vorgesehen, welche von dem Oxidationsmittel durchströmt werden können.
Figur 6 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Profils 80 der Bipolarplatte 40 aus Figur 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Profil 80 weist mehrere Säulen 82 auf, welche sich parallel zueinander von der zweiten
Trennplatte 76 zu der hier nicht dargestellten Kathode 22 der benachbarten Membran- Elektroden- Einheit 10 erstrecken.
Die Säulen 82 des Profils 80 weisen dabei einen ovalen oder tropfenförmigen Querschnitt auf und sind beabstandet voneinander auf der zweiten Trennplatte 76 angeordnet. Zwischen den Säulen 82 sind somit Lücken vorgesehen, welche von dem Oxidationsmittel durchströmt werden können.
Die Säulen 82 des Profils 80 können neben den hier gezeigten Querschnitten auch andere Querschnitte aufweisen. Beispielsweise sind dreieckige, hexagonale oder sonstige polygonale Querschnitte für die Säulen 82 des Profils 80 denkbar. Ferner sind anstelle von oder zusätzlich zu Säulen auch andere Ausführungen des Profils 80 denkbar.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (40) für eine
Brennstoffzelle (2), umfassend
einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten ersten Verteilbereich (50) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21), und einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten zweiten Verteilbereich (60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode (22),
dadurch gekennzeichnet, dass
in mindestens einem der Verteilbereiche (50, 60)
durch Drucken eines Druckmaterials auf die Trennplatte (75, 76) ein Profil (80) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Druckmaterial mittels Siebdruck auf die Trennplatte (75, 76) aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Druckmaterial mittels 3 D- Druck auf die Trennplatte (75, 76) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Druckmaterial porös ist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Druckmaterial elektrisch leitfähig ist. Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend
einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten ersten Verteilbereich
(50) zur Verteilung eines Brennstoffs an eine erste Elektrode (21), und einen von einer Trennplatte (75, 76) begrenzten zweiten Verteilbereich
(60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an eine zweite Elektrode
(22),
dadurch gekennzeichnet, dass
in mindestens einem der Verteilbereiche (50, 60)
ein Profil (80) vorgesehen ist, welches
durch Drucken eines Druckmaterials auf die Trennplatte (75, 76) erzeugt ist.
Bipolarplatte (40) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (80) Säulen (82) aufweist, welche sich von der Trennplatte (75, 76) durch den Verteilbereich (50, 60) bis zu einer der Elektroden (21, 22) erstrecken.
Bipolarplatte (40) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen (82) eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Trennplatte (75, 76) und der Elektrode (21, 22) herstellen.
Bipolarplatte (40) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
das Profil (80) aus einem porösen Druckmaterial erzeugt ist. Brennstoffzelle (2), umfassend
mindestens eine Membran- Elektroden- Einheit (10) mit einer ersten Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (22), welche voneinander durch eine Membran (18) getrennt sind, und
mindestens eine Bipolarplatte (40) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.
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