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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Bipolarplatte sowie Verfahren zur
Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle nach
den Oberbegriffen der Ansprüche
1 und 5.
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In
Brennstoffzellen kann chemische Energie mit hohem Wirkungsgrad direkt
in elektrischen Strom umgewandelt werden. Das Grundprinzip wird
durch eine räumliche
Trennung von Reaktionspartnern wie Wasserstoff oder Methanol einerseits
und Sauerstoff bzw. Luft andererseits durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten
wie Polymerelektrolytmembran verwirklicht, die auf beiden Seiten
von porösen
Elektroden – der
Anode und der Kathode – in
Kontakt steht. Auf diese Weise kann eine chemische Reaktion zwischen
Wasserstoff und Sauerstoff nicht explosionsartig als Knallgasreaktion
ablaufen, sondern so kontrolliert durchgeführt werden, dass ein Elektrodenaustausch
zwischen den Reaktionspartnern über
einen äußeren Stromkreis
erfolgt und somit die elektrische Energie liefert.
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Die
Elektroden bestehen häufig
aus einer mit einem Katalysator versehenen Rußschicht, die auf die Membran
aufgebracht ist, wobei als Katalysatoren vorzugsweise Platin aber
auch andere geeignete Edelmetalle wie Palladium verwendet werden.
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Eine
entsprechende Brennstoffzelle wird auch als PEMFC (Proton Exchange
Membrane Fuel Cell) bezeichnet.
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Die
Zufuhr der Reaktionspartner zu den Elektroden erfolgt über Bipolarplatten,
die aus einem wärmeaushärtbaren
Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff
mit einem Füllstoffanteil
mit insbesondere 70 Gew.% bis 95 Gew.% bestehen können. In
den den Elektroden zugewandten Flächen der Bipolarplatten sind
Kanäle
eingelassen, entlang derer die Reaktionspartner strömen. Wird
als Reaktionsgas Wasserstoff der Anode der Brennstoffzelle zugeführt, so
werden an der Katalysatorschicht der Anode Kationen gebildet und
gleichzeitig Elektronen an die elektronenleitende Anode abgegeben.
Als Oxidationsmittel wird Sauerstoff oder Luft der Kathodenseite
der Zelle zugeführt.
Durch Aufnahme der durch die ionenleitfähige Membran diffundierten
Wasserstoff-Ionen (Protonen) und der durch den Außenstromkreis
von der Anode zur Kathode fließenden
Elektronen wird das Reaktionsgas sauerstoffreduziert. Diese Reaktion läuft in der
Katalysatorschicht der Kathode ab, die mit der Membran kontaktiert
ist. Als Reaktionsprodukt entsteht Wasser. Die Reaktionsenthalpie
wird in Form von elektrischer Energie und Wärme frei, die über die
Bipolarplatten abgeführt
werden.
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In
der Praxis werden eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Stapel
(Stack) verbunden, um die gewünschte
Leistung zu erzielen. Dabei können
die Zellen innerhalb eines Stacks elektrisch in Serie, hinsichtlich
der zuzuführenden
Medien parallel geschaltet sein. Zwischen den einzelnen Zellen sind Bipolarplatten
angeordnet, die den elektrischen Kontakt zwischen den Zellen herstellen.
Dabei haben die Bipolarplatten mehrere Aufgaben zu erfüllen, d.
h. gleichmäßige Zuführung der
Reaktanden zu den Elektroden, Abführung von Wärme und Strom, mechanische
Stabilität
und Stapelbarkeit.
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Aus
der
DE 102 16 306
A1 ist eine Kontakt- oder Bipolarplatte für eine elektrochemische
Zelle bekannt, die aus zwei Teilplatten besteht, zwischen denen
eine durch Nuten gebildete Kühlmittelverteilstruktur
verläuft.
Die Teilplatten sind über
Dichtungen gegeneinander abgedichtet. Die Teilplatten selbst sind
durch Spritzgießen
hergestellt.
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Eine
Bipolarplatte verringerter Dicke bei guter Festigkeit und geringerem
elektrischen Widerstand zur Verfügung
zu stellen, wird nach der
DE
102 19 384 A1 vorgeschlagen. Die Platte ist mit einer Faserverstärkungsstruktur;
einer Kunststoffmatrix und einem Zusatz in der Kunststoffmatrix
zur Schaffung elektrischer Leitfähigkeit
versehen. Bei dem Zusatz kann es sich um gemahlene Kohlefasern handeln.
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Aus
der
DE 195 42 721
A1 ist es bekannt, Kunststofffüllstoffmischungen durch Extrudieren
zu Platten zu formen, die für
elektrische und elektrochemische Zwecke bestimmt sein können. Durch
das Extrudieren bedingt müssen
die dem Extruder zugeführten
Mischungen bestimmte Temperaturen einhalten, um eine Masseförderung
sicherzustellen.
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In
der
DE 26 35 636 C2 wird
eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen beschrieben.
Dabei werden Bahnen von Elektrodenmaterial und Bahnen von Faserfliesmaterial
verbunden, wobei zur Erzielung einer gewünschten Geometrie der Platten
aus diesen Öffnungen
ausgestanzt werden, um bei einer fertigen Brennstoffzelle gewünschte Kammer,
Kanäle
und Durchgänge
zur Verfügung
zu stellen.
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Aus
der WO 96/33520 ist ein graphitisierter Verbundwerkstoff bekannt,
der zur Herstellung von Platten von Brennstoffzellen benutzt wird.
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Die
DE 198 29 142 A1 bezieht
sich auf einen gasdichten Verbund aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Einheit
von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen.
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Auch
sind Bipolarplatten mit Kühlkanälen bekannt,
die aus zwei plattenförmigen
aufeinander liegenden Abschnitten bestehen, wobei die aufeinander liegenden
Flächen
zueinander fluchtende rinnenförmige
Vertiefungen aufweisen, die die Kühlkanäle bilden. Die plattenförmigen Abschnitte
selbst werden durch Kleber verbunden, wodurch Einbußen in Bezug
auf die Leitfähigkeit
der Bipolarplatte im Bereich der Verbindungsstellen in Kauf genommen
werden müssen.
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Ein
Elektrodenmaterial für
Brennstoffzellen nach der
DE
35 12 326 A1 weist eine integrierte pressgeformte 5-Schicht-Struktur
auf. Dabei werden die Ausgangsmaterialien für das Elektrodenmaterial in
eine Pressform nacheinander eingegeben, um sodann zusammen mittels
Druckformen, Nachhärten und
Kalzinieren eine fertige Struktur zu erhalten. Dabei können gegebenenfalls
entsprechende als Einheit hergestellte Strukturen erneut in eine
Druckform eingegeben werden, um diese durch Zwischenlegen eines
Graphitbogens miteinander zu verbinden.
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Aus
der WO 03/050902 A2 ist eine Bipolarplatte bekannt, die aus Schichten
unterschiedlicher Ausgangsmischungen besteht, die nacheinander in eine
Form eingebracht und unter Druck wärmegehärtet werden.
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Eine
Bipolarplatte der eingangs genannten An ist der WO 03/009408 A1
zu entnehmen. Die Bipolarplatte weist eine Basisschicht aus Aluminium oder
Aluminiumlegierung auf, auf der eine Schicht aus Nickel und Zinn
plattiert ist. Die entsprechende Schicht wird sodann von einer Zwischenschicht
abgedeckt, die eine Dicke zwischen 1 μm und 40 μm aufweist und aus einem Edelmetall
besteht. Schließlich
wird die Edelmetall-Zwischenschicht
mit einer leitenden Polymerschicht einer Dicke zwischen 10 μm und 50 μm bedeckt.
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Eine
Bipolarplatte zur Verwendung in Brennstoffzellen umfasst nach der
DE 100 41 209 A1 eine Schicht
aus thermoplastischem Elastomer, das ein thermoplastisches Vulkanisat
und elektrisch leitende feste Füllstoffe
enthält,
deren Anteil 5 bis 75 Gew.-% beträgt, um einen spezifischen Widerstand ≤ 10
8 Ω/cm
zu erreichen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Bipolarplatte
und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen so weiterzubilden,
dass bei hoher mechanischer Stabilität eine gute Wärmeableitung
bei gleichzeitigem geringem elektrischem Widerstand gegeben ist.
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Lösungen der
Aufgabe ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5. Weiterbildungen sind
den Ansprüchen
2 bis 4 und 6 bis 7 zu entnehmen.
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Auf
Grund der erfindungsgemäßen Lehre wird
eine Bipolarplatte mit einem Schichtaufbau zur Verfügung gestellt,
innerhalb der zwischen den aus Kohlenstoffmaterial bestehenden äußeren Schichten eine
gesonderte Funktionsschicht angeordnet ist, die einen geringen spezifischen
elektrischen Widerstand aufweist. Gleichzeitig ermöglicht die
Zwischenschicht eine gute Wärmeableitung.
Zusätzlich
kann die mechanische Stabilität
erhöht
werden, so dass die Bipolarplatte insgesamt dünner als üblich ausfallen kann. Dabei
kann als die Zwischenschicht eine Folie, ein Blech wie Lochblech
oder ein Netz oder Gitter verwendet werden, das auf die erste Schicht
vor oder nach dem Pressen gelegt wird. Als Material kann Kupfer
oder Silber und/oder Kombination dieser und diese enthaltend verwendet
werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines der Zeichnung zu entnehmenden
bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
auseinandergezogener Darstellung eine Brennstoffzelle,
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2 eine
Prinzipdarstellung eines Werkzeugs zur Herstellung von Bipolarplatten
und
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3 eine
Prinzipdarstellung einer Form zur Herstellung einer Bipolarplatte
bzw. Platte zur Herstellung von Bipolarplatten.
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In 1 ist
rein prinzipiell und in auseinandergezogener Darstellung ein Ausschnitt
einer Brennstoffzelle dargestellt, wobei eine Membran-Elektroden-Anordnung
(MEA) 10 zwischen zwei Bipolarplatten 12, 14 angeordnet
ist.
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Die
Bipolarplatten 12, 14 umfassen jeweils drei Schichten 16, 18, 20 bzw. 22, 24, 26,
wobei die jeweils äußeren Schichten 16, 20 und 22, 26 vorzugsweise
eine gleiche Materialzusammensetzung aufweisen und aus einem wärmaushärtbaren und/oder
thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoffmaterialfüllstoffen
bestehen. Insbesondere han delt es sich bei den Kohlenstofffüllmaterialien
um Kohlenstoff bzw. Graphit, der jeweils Hauptbestandteil der Schichten 16, 20, 22, 26 ist.
Der C-Anteil beläuft
sich auf bis 95 %. Zwischen den Schichten 16, 20 und 22, 26 verläuft eine
Funktions- oder Zwischenschicht 18, 24 aus einem
wärmeleitfähigen Material
mit geringem spezifischen elektrischen Widerstand hoher Leitfähigkeit
wie z.B. aus Kupfer oder Silber oder Kombinationen dieser. Andere
geeignete Materialien kommen gleichfalls in Frage. Die Dicken der
Schichten 16, 20 und 22, 26 sollten
gleich sein, wobei bevorzugterweise eine Dicke von 0,5 mm bis 4 mm
zu nennen ist. Demgegenüber
weist die Zwischenschicht 18, 24 eine Dicke d
mit 0,1 mm ≤ d ≤ 3 mm auf.
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Die
Zwischenschicht 18, 24 kann in nachstehender Weisen
durch Pressen und Wärmeaushärtung beim
Herstellen der jeweiligen Bipolarplatte 12, 14 ausgebildet
werden. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Zwischenschicht 18, 24 in Form
einer Folie, eines Bleches wie Lochbleches oder eines Netzes oder
Gitters zwischen den äußeren Schichten 16, 20 bzw. 22, 26 anzuordnen.
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Unabhängig hiervon
weisen die Bipolarplatten 12, 14 zumindest auf
der der Membran-Elektroden-Anordnung 10 zugewandten
Fläche 28, 30 vorzugsweise
mäanderförmig verlaufende
Kanäle 32 auf,
die gegebenenfalls in Sektionen unterteilt sind, durch die Reaktanden – anodenseitig
z. B. Wasserstoff oder Methan, Methanol, Reformat, kathodenseitig
z.B. Luft oder Sauerstoff- strömen
kann.
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Die
Membran-Elektroden-Anordnung 10 umfasst eine für Kationen
permeable Membran 34, entlang deren Flächen eine Rußschicht
mit einem Edelmetallkatalysator wie Platin oder Palladium als Anode 36 bzw.
Kathode 38 angeordnet ist.
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Anode 36 und
Kathode 38 sind ihrerseits von jeweils einer Gasdiffusionsschicht
abgedeckt, die bei zusammengesetzter Einheit bestehend aus den Bipolarplatten 12, 14 und
der Membran-Elektroden-Anordnung 10, die Kanäle 32 der
Bipolarplatte 12, 14 vollständig abdecken, gleichzeitig
jedoch die Möglichkeit
bieten, dass in den Kanälen 32 strömende Reaktanden
sich in die gesamte Elektrodenfläche verteilen
können,
damit die gewünschte
chemische Reaktion mit hohem Wirkungsgrad ablaufen kann.
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Um
die Bipolarplatten 12, 14 herzustellen, wird entsprechend
der Darstellung gemäß 3 in eine
Pressform oder ein Gesenk 40 eines Heißpresswerkzeuges 39 zunächst eine
erste Schicht 42 aus dem die Schicht 16 oder 20 bzw. 22 oder 26 der
Bipolarplatte 12, 14 bildenden Material in Pulverform eingebracht.
Sodann wird auf die erste Schicht 42 das elektrisch leitende
Material zur Ausbildung der Zwischenschicht 18 bzw. 24 eingebracht.
Die entsprechende Schicht ist in 3 mit dem
Bezugszeichen 44 gekennzeichnet. Erwähntermaßen kann es sich bei der Schicht 44 aber
auch um eine Folie, Blech wie Lochblech oder ein Netz oder Gitter
handeln, das aus dem die erforderliche Leitfähigkeit aufweisendem Material
wie Kupfer und/oder Silber oder einem anderen geeigneten Material
besteht.
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Schließlich wird
auf die Schicht 44 eine weitere zweite Schicht 46 aus
Pulvermaterial aufgebracht, die die Schicht 20 bzw. 16 oder 26 bzw. 22 der Bipolarplatte 12, 14 bilden
soll.
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Anschließend wird
ein Pressstempel 48 in das Gesenk 40 eingefahren,
um bei Druckeinwirkung eine Wärmeaushärtung der
Schichten 42, 46 bzw. auch der Schicht 44,
sofern es sich um ein Pulvermaterial – wie bei den Schichten 42, 46 – handelt,
zu erzielen.
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Das
aus dem Gesenk 40 und dem Stempel 48 bestehende
Presswerkzeug ist erwähntermaßen vorzugsweise
ein Heißpresswerkzeug.
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Selbstverständlich besteht
auch die Möglichkeit,
die einzelnen Schichten 42, 44, 46 nacheinander bei
Druck- und/oder Wärmeeinwirkung
auszuhärten, ohne
dass die Erfindung verlassen wird.
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Auch
kann die unterste Schicht 42 zusammen mit der Schicht 44 ausgebildet
werden oder die äußere Schicht 46 der
der Zwischenschicht 44.
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Zu
erwähnen
ist des Weiteren, dass das Gesenk 40 bzw. das Presswerkzeug 48 im
erforderlichen Umfang strukturiert sein kann, um in den Schichten 42 bzw. 46 bereits erforderliche
Kanäle – die den
Kanälen 32 entsprechen – auszubilden, durch
die die Reaktanden bei der fertigen Brennstoffzelle strömen sollen.
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Es
besteht die Möglichkeit,
das Presswerkzeug dimensionsmäßig so auszubilden,
dass Platten produziert werden, deren Fläche einem Vielfachen einzelner
Bipolarplatten entspricht. Somit können aus einer so hergestellten
Platte eine gewünschte Anzahl
von Bipolarplatten gewonnen werden, indem in ein Gesenk entsprechend
der Erläuterungen
gemäß 3 nacheinander
Schichten aus Materialien eingebracht, die denen der herzustellenden
Bipolarplatten 12, 14 entsprechen. Dabei kann
in dem Gesenk 40 ein verstellbarer Stempel vorgesehen sein, der
auf den freien äußeren Rand
des Gesenkes derart ausrichtbar ist, dass in den freien Raum des
Gesenks 40 die gewünschte
Materialmenge einfüllbar ist. Überschüssiges Material
kann sodann abgestreift werden. Nachdem in das Gesenk 40 schichtweise
die gewünschten
vorzugsweise pulvrigen Materialien eingebracht worden sind, erfolgt
das Verpressen und Wärmebehandeln.
Sodann wird die fertige Platte 50 aus dem Gesenk 40 entnommen,
um die Platte 50 in Abschnitte 52, 54, 56 zu
trennen, deren Dimensionierung der der Bipolarplatten 12, 14 oder
im Wesentlichen entsprechen.
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Die
Erfindung wird auch nicht verlassen, wenn die Funktions- oder Zwischenschicht,
die als einlegbares Metallteil ausgebildet sein kann, eine komplexe
Form aufweist, insbesondere um einen Stromabgriff zu ermöglichen
bzw. diesen den bestehenden geometrischen Randbedingungen der Brennstoffzelle
anzupassen. So kann z.B. ein aus der Bipolarplatte abragender Abschnitt
der Funktionsschicht einen rechtwinklig abgebogenen außen vorstehenden
Abschnitt aufweisen.