DE10038538A1 - Elektrochemische Zelle - Google Patents

Abstract

Die Brennstoffzelle weist eine Polymerelektrolytmembran sowie zwei daran zu beiden Seiten angeordnete Gasdiffusionselektroden auf, die von elektrisch leitfähigen Endplatten abgeschlossen sind. Die Endplatten sind im Spritzguss hergestellt und bestehen aus einem thermoplastischen Grundwerkstoff sowie einem die Leitfähigkeit erhöhenden nichtmetallischen Stoff, beispielsweise Kohlenstoff. Zur weiteren Erhöhung der Leitfähigkeit sind Metallfasern eingegliedert.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brenn­ stoffzelle, gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Elektrochemische Zellen sind beispielsweise Elektrolysezellen oder Brennstoff­ zellen. Eine bekannte Bauart solcher Zellen arbeitet mit einer gasdichten und ionendurchlässigen Polymerelektrolytmembran, an der einerseits eine Anode und andererseits eine Kathode anliegt. Solche Anoden oder Kathoden sind üblicherweise als Gasdiffusionselektroden ausgebildet, so wie sie beispielhaft in DE 195 44 323 A1 beschrieben sind. Durch eine Gasdiffusionselektrode gelangt Gas flächig zu der Membran, wobei die Elektrode katalytisch beschichtet ist, wodurch die gewünschte katalytische Oxidation des Brennstoffs erfolgt. Die Gasdiffusionselektroden sind üblicherweise durch eine elektrisch leitfähige Platte abgestützt, über welche die Kontaktierung erfolgt. Hierbei handelt es sich entweder um eine Endplatte oder, wenn mehrere Brennstoffzellen zu einem Stack hintereinandergeschaltet sind, um eine bipolare Platte, welche zu beiden Seiten Gasdiffusionselektroden abstützt. Über diese Platten erfolgt üblicher­ weise auch die Gaszufuhr zu den Gasdiffusionselektroden, wozu entsprechende Kanäle in den Platten vorgesehen sind. Ein solcher Aufbau ist auch bei Elek­ trolysezellen zu finden, insbesondere bei reversibel betreibbaren Brennstoff­ zellen.

Diese bipolaren Platten bzw. Endplatten haben also mehrere Aufgaben zu erfüllen. Sie müssen gasdicht sein, sie müssen gut leitend sein und sollen darüber hinaus kostengünstig in der Herstellung sein, da solche Brennstoffzellen üblicherweise zu einem Stack in Reihe geschaltet werden, in dem eine Vielzahl solcher Platten benötigt wird. Wegen der auf der Plattenoberfläche bzw. -ober­ flächen vorgesehenen Kanäle kommt als Herstellungsverfahren derzeit nur das Spritzgießen in Frage, da eine spanabhebende Bearbeitung einer solchen Platte unverhältnismäßig teuer wäre. Wegen der Leitfähigkeitsanforderungen sind diese Platten jedoch nach wie vor aufwändig in der Herstellung. Dem Kunststoff wird zum Erhalt einer guten Leitfähigkeit ein hoher Kohlenstoffanteil bei­ gemengt. Das sonst zur Leitfähigkeitssteigerung bekannte Beimengen von Metallpulver ist für diesen Anwendungszweck nicht geeignet, da dann die Oberflächen der Platten aufgrund der mit ihnen in Kontakt kommenden Medien oxidieren können, wodurch der Übergangswiderstand unzulässig steigt. Das Beimengen von Edelmetallen in entsprechender Konzentration kommt aus Kostengründen nicht in Betracht.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gat­ tungsgemäße elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, so auszubilden, dass sie in großen Stückzahlen kostengünstig herstellbar ist, insbesondere die elektrisch leitfähigen bipolaren Platten bzw. die elektrisch leitfähigen Endplatten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung angegeben.

Gemäß der Erfindung ist somit vorgesehen, bei einer einzelnen Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle die Endplatten bzw. bei einem Stack von Zellen die bipolaren Platten und die Endplatten aus Kunststoff als Spritzgussteile herzu­ stellen und dabei zur Erhöhung der Leitfähigkeit einerseits dem Kunststoff einen nichtmetallischen leitfähigen Stoff und andererseits Metallfasern zuzumischen. Diese die Leitfähigkeit erhöhenden Komponenten haben den Effekt, dass durch den nichtmetallischen Stoff, beispielsweise auf Kohlenstoffbasis, eine Grund­ leitfähigkeit des Werkstoffes geschaffen wird, die jedoch nicht so hoch wie bei Platten bekannter Art aus Spritzguss sein muss, wodurch die Herstellung deut­ lich vereinfacht und verbilligt wird. Diese Grundleitfähigkeit dient im Wesentli­ chen dazu, den Übergangswiderstand an der Oberfläche gering zu halten und die kurzen Brücken innerhalb des Werkstoffes zwischen den Metallfasern zu bilden. Die eigentliche Leitfähigkeit hingegen wird durch die im Kunststoff eingeglie­ derten Metallfasern gewährleistet. Da die Metallfasern innerhalb des Werk­ stoffes durch den Werkstoff selbst geschützt sind, besteht die Gefahr einer Oxidation nur im Bereich der Oberfläche. Der Übergangswiderstand im Bereich der Oberfläche der Platte wird jedoch nicht entscheidend durch die Metallfasern, sondern durch den die Leitfähigkeit erhöhenden nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere Kohlenstoff, bestimmt, der insoweit unempfindlich ist. Durch die Metallfasern wird also eine gute Leitfähigkeit innerhalb des Werkstoffes sicher­ gestellt, wohingegen der nichtmetallische Werkstoff für einen kleinen Über­ gangswiderstand und die Leitung zwischen den Metallfasern sorgt. Es kann somit bei vergleichsweise geringem Anteil von Zusatzwerkstoff (nicht metalli­ scher leitender Stoff sowie Metallfasern) eine hohe Leitfähigkeit im Kunststoff erzielt werden, ohne die sonst bei hoher Leitfähigkeit auftretenden Festigkeits­ probleme im Werkstoff oder Herstellungsprobleme zu induzieren.

Die Metallfasern brauchen nicht aus einem Edelmetall zu sein, sollten jedoch bevorzugt aus Edelstahl, Titan oder einer Legierung daraus bestehen, um auch im Oberflächenbereich weitgehend unempfindlich gegen Oxidation zu sein. Darüber hinaus ist diese Eigenschaft auch von Vorteil bei Verwendung einer Vielzahl von Kunststoffen, die nicht vollständig diffusionsdicht sind, so dass bei Langzeiteinwirkungen auch eine Oxidation innerhalb des Werkstoffes eintreten könnte.

Schon ein vergleichsweise geringer Metallfaseranteil bewirkt eine gute Leit­ fähigkeit des Kunststoffs. Der Anteil der Metallfasern wird vorzugsweise zwischen 1 und 15 Gewichtsprozenten, vorzugsweise im Bereich von etwa 7 bis 8% bezogen auf das Gesamtgewicht des Spritzgussbauteils, liegen. Dabei haben bei geeigneter Wahl von Durchmesser und Länge die Metallfasern noch die positive Eigenschaft, dass sie die Festigkeitseigenschaften des Grundwerkstoffes verbessern, insbesondere im Hinblick auf Zug- und Biegefestigkeit. Da die Metallfasern gegenüber dem Kunststoff verhältnismäßig schwer sind, entspre­ chen die vorstehend angegebenen Gewichtsprozente in der Regel Volumen­ prozenten von unter 3%. Dieser geringe Metallfaseranteil führt dazu, dass die damit versehenen Kunststoffe, insbesondere Thermoplaste, gut zu verarbeiten sind und in der Regel keine besonderen Vorkehrungen bei der Verarbeitung des Werkstoffes zu treffen sind.

Nach dem Stand der Technik werden thermoplastische Kunststoffe, beispiels­ weise Polyamid, mit bis zu 40% Kohlenstoff angereichert, um eine Leitfähig­ keit des Kunststoffs zu erreichen. Die damit erzielbare Leitfähigkeit stellt aber immer noch einen Kompromiss zwischen wirtschaftlicher Herstellung und den technischen Anforderungen im Hinblick auf die Leitfähigkeit dar. Würde man dem Kunststoff mehr Kohlenstoff zur Erhöhung der Leitfähigkeit hinzufügen, so wäre dieser nicht mehr spritzfähig, was die Fertigungskosten erheblich erhöhen würde. Gemäß der Erfindung ist daher vorgesehen, die Grundleitfähigkeit des Kunststoffes durch Beimengen eines die Leitfähigkeit erhöhenden nichtmetalli­ schen Stoffes, typischerweise auf Kohlenstoffbasis, zu bewirken, beispielsweise durch Beimengen von Ruß oder Grafit, wie dies auch nach dem Stand der Technik erfolgt. Eine ganz erhebliche Leitfähigkeitssteigerung wird jedoch gemäß der Erfindung durch die zusätzlich dem Kunststoff beigemengten Metall­ fasern erreicht. Es wird ein Teil der Kohlenstoffbeimengung durch die Metall­ fasern ersetzt, wodurch die Leitfähigkeit ganz erheblich gesteigert werden kann. Dabei wird der Werkstoff jedoch so konditioniert, dass die Spritzfähigkeit voll erhalten bleibt.

Es werden bevorzugt Metallfasern eingesetzt, die einen mittleren Durchmesser von 8 µm bei einer Länge von etwa 5 mm haben. Diese Metallfasern werden bevorzugt kunststoffummantelt dem eigentlichen Spritzgusswerkstoff, z. B. einem Polyamid, zugegeben. Die intensive Durchmischung erfolgt innerhalb des Extruders, wobei die Kunststoffummantelung der Metallfasern aufschmilzt und sich in dem übrigen Kunststoff verteilt.

Bevorzugt wird auch der nichtmetallische Stoff in Faserform zugefügt, beispiels­ weise in Form von Kohlefasern mit einem mittleren Durchmesser von 12 µm bei einer Länge von etwa 6 mm. Auch die Kohlefasern werden dem Granulat vor dem Extrusionsvorgang zusammen mit den Metallfasern zugemischt, wobei auch hier innerhalb des Extruders eine intensive Durchmischung stattfindet, die allerdings dazu führt, dass die Kohlefasern brechen und dann eine durchschnitt­ liche Länge von etwa 100 µm aufweisen. Der Gesamtanteil von Kohlefasern und Metallfasern sollte 40 Gewichtsprozent nicht überschreiten, um die Spritz­ fähigkeit des Materials zu gewährleisten.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Brennstoffzelle und

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Endplatte einer solchen Brennstoffzelle.

Der Aufbau der Brennstoffzelle entspricht im Wesentlichen dem aus DE 195 44 323 A1 bekannten. Die in Fig. 1 in Explosionsdarstellung schematisch dar­ gestellte Brennstoffzelle besteht aus einer Endplatte 1, einer Gasdiffusionselek­ trode 2, einer gasdichten und ionendurchlässigen Polymerelektrolytmembran 3, einer weiteren Gasdiffusionselektrode 4 sowie einer zweiten Endplatte 5, die über jeweils dichtende Rahmenteile und (nicht dargestellte) mechanische Be­ festigungen fest und dicht miteinander verbunden sind. In den Endplatten 1 und 5 sind mäanderförmig geführte Kanäle vorgesehen, die zur Gasdiffusionsmem­ bran hin offen sind. Über die Endplatten 1 und 5, die leitend an den Gasdiffu­ sionselektroden 2 bzw. 4 anliegen, werden die Reaktionsgase, beispielsweise Wasserstoff durch die Endplatte 5 und Sauerstoff durch die Endplatte 1, zu­ geführt. Das Gas gelangt über die zur Gasdiffusionselektrode offenen Kanäle in diese hinein und reagiert mit den dort aufgebrachten Katalysatoren in Form einer katalytischen Verbrennung. Die dabei entstehende elektrische Energie kann über die Endplatten 1 und 5 abgenommen werden.

In Fig. 2 ist der einleitend beschriebene Aufbau dieser Endplatten schematisch dargestellt. Dabei ist mit 6 ein thermoplastischer Grundwerkstoff, hier ein Polyamid, dargestellt, dem vor dem Exarusionsvorgang Kohlefasern 7 sowie Metallfasern 8 beigemengt worden sind. Wie insbesondere die vergrößert dargestellte Einzelheit der Figur verdeutlicht, liegen die vergleichsweise langen Metallfasern räumlich verteilt in dem Kunststoff angeordnet und bilden ein dreidimensionales Gebilde mit netzartiger Struktur. Die mehrere Millimeter langen Metallfasern überbrücken dabei die großen Entfernungen im Werkstoff, wodurch eine gute Leitfähigkeit erzielt wird. Im Bereich der Oberfläche und zwischen den Metallfasern 8 bilden die in wesentlich größerer Anzahl vorhande­ nen Kohlefasern 7 leitende Brücken. Insbesondere im Oberflächenbereich, wo die Metallfasern korrodieren könnten, dienen die Kohlefasern 7 dazu, einen möglichst geringen Übergangswiderstand bei Kontaktierung von der Oberfläche her zu erreichen. Die Endplatten 1 und 5 sind in Spritzguss gefertigt, wobei dem als Granulat vorliegenden Grundwerkstoff, einem Polyamid, 30 Gewichts­ prozent Kohlefasern und 10 Gewichtsprozent kunststoffummantelte Edelstahl­ metallfasern beigemengt worden sind, die innerhalb der Extruderschnecke intensiv miteinander vermengt worden sind, wobei die Kunststoffummantelung der Metallfasern 8 aufgeschmolzen und somit ein Gefüge ähnlich dem in Fig. 2 dargestellten entstanden ist.

Claims (7)

1. Elektrochemische Zelle, insbesondere Brennstoffzelle, mit einer Poly­ merelektrolytmembran (3) und mit mindestens einer elektrisch leitfähigen bipolaren Platte (1, 5) oder elektrisch leitfähigen Endplatte, die im Spritzguss hergestellt ist und im Wesentlichen aus Kunststoff (6) und einem die Leitfähig­ keit erhöhenden nichtmetallischen Stoff (7) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Erhöhung der Leitfähigkeit Metallfasern (8) in den Kunststoff eingegliedert sind.

2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfasern (8) aus Edelstahl, Titan oder einer Legierung daraus bestehen.

3. Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfasern (8) einen Anteil von 1% bis 15 %, vorzugsweise von etwa 7 bis 8% am Gesamtgewicht des jeweiligen Spritz­ gussbauteils haben.

4. Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfasern (8) eine mittlere Länge von 2 bis 10 mm haben.

5. Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfasern (8) einen mittleren Durchmesser von 6 bis 20 µm haben.

6. Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Thermoplast, vorzugsweise ein Polyamid (6) ist und der die Leitfähigkeit erhöhende nichtmetallische Stoff Kohlenstoff in Form von Ruß oder Grafit ist.

7. Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff in Form von Kohlenstofffasern (7) gebildet ist.