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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend eine Trägerplatte und eine Oberflächenstruktur. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, die mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst und ein Fahrzeug umfassend die Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig sind. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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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.
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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 gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
O2 + 4H+ + 4E- → 2 H2O
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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 in Reihe geschaltet werden. Die Brennstoffzellenstapel werden beispielsweise in Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet.
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Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind Gasverteilerplatten vorgesehen, welche auch als Bipolarplatten bezeichnet werden. Die Bipolarplatten weisen eine Oberflächenstruktur, 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.
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Zusätzlich können die Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
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Das kathodenseitig bei der Reaktion entstandene Wasser liegt zum Zeitpunkt der Entstehung als reines Wasser, das auch als Reinstwasser, DI-Wasser oder deionisiertes Wasser bezeichnet wird, vor. Wasser ist ein Dipol und hat eine elektrische Polarität, weshalb es bestrebt ist, Ionen aufzunehmen. Reinstwasser wird daher als sehr aggressiv gegenüber Werkstoffen, insbesondere Metallen, beschrieben, da es in der Lage ist, Ionen aus den Werkstoffen herauszulösen, was als Korrosion bezeichnet wird. Selbst an Edelstahl wird in diesem Zusammenhang Korrosion beobachtet, wobei Ionen aus dem Edelstahl entfernt werden. Auch Dichtungsmaterialien unterliegen in Anwesenheit von Reinstwasser einem beschleunigten Alterungsprozess.
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Die Anwesenheit von Reinstwasser hat einen starken Einfluss auf die Lebensdauer von Brennstoffzellen. Eisenionen, die zB. aus Bauteilen der Brennstoffzelle stammen, die aus Stahl gefertigt sind, wandern aufgrund eines Konzentrationsgefälles im Wasser von der Bipolarplatte zur Membran, wo die Eisenionen den Schichtaufbau der Elektroden durch Anlagerung schädigen.
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Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser ist es Aufgabe der Bipolarplatte, einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran zu gewährleisten, wobei die Fläche der Medienführung nicht für die Stromübertragung zur Verfügung steht.
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Über die Lebensdauer der Brennstoffzelle muss eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit erhalten werden. Die Leitfähigkeit nimmt durch korrosive Veränderungen ab, wodurch die Lebensdauer der Brennstoffzelle reduziert wird. Insbesondere in der Anwendung in Lastkraftwagen (LKW) und Bussen ist jedoch eine lange Lebensdauer von Brennstoffzellen gefordert, die stark korrosionsabhängig ist.
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Es sind sowohl metallische Bipolarplatten als auch Bipolarplatten aus Graphit bekannt. Metallische Bipolarplatten können partiell, insbesondere an den stromführenden Kontaktstellen, mit Gold beschichtet sein oder die Bipolarplatte kann aus Titanblech gefertigt sein, um die Korrosion und eine daraus resultierende geringe Leitfähigkeit zu vermeiden.
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Üblicherweise wird die Oberflächenstruktur durch Prägen hergestellt. Ist die Bipolarplatte aus Edelstahl gefertigt, so ist das Prägen von feinen, engmaschigen Strukturen nur eingeschränkt möglich, was die fluiddynamische Optimierung der Medienführung durch mittels optimierter Gestaltung der Strukturen behindert. Ferner können gegebenenfalls aufgebrachte Beschichtungen zur Verbesserung des Kontaktwiderstandes, beispielsweise aus Gold, beim Prägen beschädigt werden. Wird die Beschichtung alternativ erst nach dem Prägen aufgebracht, so ist dies sehr aufwändig.
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DE 10 2004 009 869 B4 beschreibt eine Kontaktplatte für Brennstoffzellen, die auf Basis eines Plattenkörpers aus korrosionsbeständigem Metall gefertigt ist und eine Kontaktfläche, die eine Beschichtung aus einem elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Material aufweist, besitzt. Die Beschichtung spart Vertiefungen auf der Oberfläche des Plattenkörpers aus und besteht aus Kunststoff und einem thermoplastischen oder duroplastischen Bindemittel zum Auftragen in flüssiger Form.
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DE 10 2015 015 876 A1 hat eine Separatorplatte für eine Brennstoffzelle zum Gegenstand. Auf einem Grundkörper der Separatorplatte ist wenigstens ein mit dem Grundkörper verbundenes Strukturelement wie ein Steg aufgebracht. Das Strukturelement kann eine Beschichtung aufweisen, die einen Kontaktwiderstand oder Übergangswiderstand dort verringert, wo das Strukturelement an einer Membran-Elektronen-Anordnung anliegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, umfassend eine Trägerplatte, gefertigt aus einem ersten Material, und eine Oberflächenstruktur, gefertigt aus einem elektrisch leitfähigen, zweiten Material, wobei die Trägerplatte mit einem dritten Material, das elektrisch isolierend und korrosionsbeständig ist, beschichtet ist und wobei die Oberflächenstruktur eine zumindest teilweise unbeschichtete Oberfläche aufweist.
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Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Herstellen einer Trägerplatte (3) aus einem ersten Material (5),
- b) Aufbringen eines zweiten Materials (9) auf die Trägerplatte (3) mittels eines Druckverfahrens, so dass eine Oberflächenstruktur (7) gebildet wird,
- c) Beschichten der Trägerplatte (3) mit einem dritten Material (11), das elektrisch isolierend und korrosionsbeständig ist,
- d) Ggf. Entfernen des dritten Materials (11) von der Oberflächenstruktur (7), wenn Schritt b) vor Schritt c) ausgeführt wird.
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Die Oberflächenstruktur aus dem zweiten Material, welche einen stromführenden Teil der Bipolarplatte bildet und den elektrischen Kontakt zur Membran herstellt, wird auf die Trägerplatte aufgetragen. Die Oberflächenstruktur kann bekannte kanalähnliche Strukturen ersetzen.
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Die geometrische Gestaltung der Oberflächenstruktur wird bevorzugt durch eine fluiddynamische Optimierung bestimmt, so dass Edukte und Reaktionsprodukte in optimaler Weise geführt werden.
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Bevorzugt weist die Oberflächenstruktur eine Höhe H, die auch als Dicke der Oberflächenstruktur bezeichnet werden kann, von 10 µm bis 100 µm auf, wobei die Trägerplatte beispielsweise Abmessungen bezüglich Länge und Breite von 10 cm mal 25 cm besitzen kann.
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Bevorzugt weist die Trägerplatte eine planare Oberfläche auf und mehr bevorzugt wird die Oberflächenstruktur ausschließlich aus dem zweiten Material gebildet.
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Bevorzugt ist das erste Material Stahl, insbesondere Edelstahl, und/oder das zweite Material Stahl oder Titan. Insbesondere bevorzugt besteht das zweite Material aus Titan.
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Das Aufbringen des zweiten Materials in Schritt b) kann zum Beispiel mittels Siebdruck oder eines additiven Druckverfahrens erfolgen.
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Die Trägerplatte ist aus dem ersten Material gefertigt, das korrosionsanfällig, also nicht korrosionsbeständig, ist. Zum Korrosionsschutz ist die Trägerplatte mit dem dritten Material beschichtet, das eine Korrosionsschutzschicht auf dem ersten Material bildet. Die Schichtdicke der Korrosionsschutzschicht liegt bevorzugt im Nanometerbereich bis Mikrometerbereich. Das erste Material der Trägerplatte wird durch die Beschichtung gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert.
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Zumindest Teile der Oberflächenstruktur sind frei von dem dritten Material. Die zumindest teilweise unbeschichtete Oberfläche der Oberflächenstruktur ist elektrisch leitfähig und stellt einen elektrischen Kontakt zur Membran her.
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Das dritte Material weist bevorzugt eine andere chemische Zusammensetzung als das erste Material auf. Insbesondere wird das dritte Material nicht durch Passivierung des ersten Materials gebildet.
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Das dritte Material ist elektrisch isolierend, was auch als hochohmig bezeichnet werden kann und üblicherweise einen elektrischen Widerstand von mehr als 1 Megaohm beschreibt.
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Ferner ist das dritte Material korrosionsbeständig, worunter insbesondere die Fähigkeit eines Metalls verstanden wird, die Funktionsfähigkeit in einem gegebenen Korrosionssystem beizubehalten (ISO 8044:2015).
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Bevorzugt wird in Schritt c) das dritte Material mittels kataphoretischer Tauchlackierung aufgebracht.
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Wird die Trägerplatte mit dem dritten Material beschichtet, nachdem die Oberflächenstruktur aufgebracht wurde, so wird das dritte Material bevorzugt, zumindest teilweise, wieder von der Oberflächenstruktur entfernt, um eine Stromführung zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform wird das Aufbringen des zweiten Materials (9) in Schritt b) vor dem Beschichten in Schritt c) ausgeführt. Mehr bevorzugt wird die Oberflächenstruktur (7) nach dem Aufbringen des zweiten Materials (9) in Schritt b) und vor dem Beschichten in Schritt c) maskiert. Zum Maskieren der Oberflächenstruktur wird bevorzugt ein Photolack verwendet.
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Wenn Schritt b) vor Schritt c) ausgeführt wird, umfasst das Verfahren bevorzugt Schritt d), das Entfernen des dritten Materials von der Oberflächenstruktur. Das in dieser Ausführungsform gegebenenfalls auch auf die Oberflächenstruktur aufgebrachte dritte Material wird in Schritt d) bevorzugt mittels eines Schleifverfahrens wieder von der Oberflächenstruktur entfernt.
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Alternativ kann die Oberflächenstruktur zumindest teilweise maskiert werden, bevor die Trägerplatte mit dem dritten Material beschichtet wird, um eine Beschichtung der stromführenden Kontaktstellen zu vermeiden, so dass das dritte Material nicht wieder von der Oberflächenstruktur entfernt werden muss.
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In einer weiteren Ausführungsform wird Schritt c) vor Schritt b) ausgeführt. Zunächst kann die gesamte Trägerplatte mit dem dritten Material beschichtet werden, worauf erst dann das Aufbringen der Oberflächenstruktur folgt. Die Oberflächenstruktur aus korrosionsbeständigem Material wird also auf die Trägerplatte aus korrosionsanfälligem Material, die bereits mit dem elektrisch isolierenden und korrosionsbeständigen dritten Material beschichtet ist, aufgebracht. Bevorzugt wird die Trägerplatte zunächst vollständig in Schritt c) mit dem dritten Material beschichtet, so dass die Trägerplatte zunächst vollständig mit der Korrosionsschutzschicht bedeckt. Dann wird die Oberflächenstruktur aufgebracht, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material hergestellt wird. Aufgrund der geringen Dicke der Beschichtung aus dem dritten Material und der bevorzugt hohen Temperaturen beim Aufbringen der Oberflächenstruktur, insbesondere beim Metalldrucken, wird bevorzugt während des Aufbringens die Beschichtung aus dem dritten Material durchbrochen, insbesondere durch lokales Aufschmelzen des dritten Materials, und ein elektrischer Kontakt wird hergestellt. Das zusätzliche Entfernen des dritten Materials in Schritt d), beispielsweise mittels Schleifen, kann in dieser Ausführungsform entfallen.
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Weiterhin wird eine Brennstoffzelle umfassend eine erfindungsgemäße Bipolarplatte sowie ein Fahrzeug umfassend die Brennstoffzelle vorgeschlagen.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Vermeidung von Korrosion kann die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöht werden. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung, eine Trägerplatte aus leicht verfügbarem Material einzusetzen, das eine Korrosionsneigung besitzen darf. Hochkorrosionsbeständiges Material wie Titan wird lediglich in kleinen Mengen aus Ausbildung der Oberflächenstruktur benötigt.
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Zum Beschichten der Trägerplatte können leicht durchführbare Verfahren eingesetzt werden.
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Mit Vermeidung der Korrosion wird auch eine Kontaktwiderstandserhöhung der Bipolarplatte sowie die Schädigung der Membran durch Eintrag von Eisenionen vermieden.
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Durch der Auftragung der Oberflächenstruktur mittels eines Druckverfahrens kann eine fluiddynamische Optimierung der Oberflächenstruktur realisiert werden und gleichzeitig eine engmaschige Oberfläche für den elektrischen Kontakt hergestellt werden.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle,
- 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte und
- 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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1 zeigt eine Brennstoffzelle 13, die eine Anode 15 und eine Kathode 17 umfasst. Die Anode 15 und die Kathode 17 sind jeweils von einer Bipolarplatte 1 begrenzt und weisen jeweils eine Elektrode 19 und einen Strömungsverteiler 21 auf. Die Anode 15 und die Kathode 17 sind durch eine Membran 23 voneinander getrennt.
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Durch Vertiefungen 25 an der Bipolarplatte 1 wird an der Kathode 17 Sauerstoff zugeführt und Sauerstoff und Wasser werden abgeführt. An der Anode 15 wird durch Vertiefungen 25 der Bipolarplatte 1 Wasserstoff zu- bzw. abgeführt. Auf der Fläche der Bipolarplatten 1 bilden die Vertiefungen 25 ein Strömungsfeld.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1, die anstelle der in 1 gezeigten Vertiefungen 25 eine Oberflächenstruktur 7 zur Bildung eines Strömungsfeldes aufweist. Die Bipolarplatte 1 ist aus einer Trägerplatte 3, die aus einem ersten Material 5 besteht, aufgebaut, wobei die Trägerplatte 3 mit einem dritten Material 11 beschichtet ist. Auf der Trägerplatte 3 ist die Oberflächenstruktur 7 aus einem zweiten Material 9 aufgebracht. Die Oberflächenstruktur 7 ermöglicht die Medienführung, bestimmt also den Strömungsweg von Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser und stellt einen elektrischen Kontakt her.
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Die 3 illustriert das erfindungsgemäße Verfahren.
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3, Teil 3.1 zeigt eine Bipolarplatte 1, die durch die erfindungsgemäßen Schritte a) und b) hergestellt wird. Zunächst wird eine Trägerplatte 3 aus einem ersten Material 5 hergestellt. Dann wird eine Oberflächenstruktur 7 aus einem zweiten Material 9 auf die Trägerplatte 3 mittels eines Druckverfahrens aufgebracht.
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3, Teil 3.2 zeigt die Bipolarplatte 1 aus 3, Teil 3.1 nachdem Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wurde. Die Bipolarplatte 1, die zunächst die Trägerplatte 3 und die Oberflächenstruktur 7 umfasste, wird mit einem dritten Material 11 beschichtet. In der gezeigten Ausführungsform bedeckt das dritte Material 11 die Bipolarplatte 1 gemäß 3, Teil 3.1, also sowohl die Trägerplatte 3 als auch die Oberflächenstruktur 7, vollständig.
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3, Teil 3.3 zeigt die Bipolarplatte 1 gemäß 3, Teil 3.2 nachdem Schritt d) gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren ausgeführt wurde. Das dritte Material 11 wird durch Schleifen von Teilen der Oberfläche der Oberflächenstruktur 7 wieder entfernt, so dass die Herstellung eines elektrischen Kontakts über eine zumindest teilweise nun wieder unbeschichtete Oberfläche 27 möglich ist.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004009869 B4 [0015]
- DE 102015015876 A1 [0016]
