-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte zu mindestens 30 Gew.-% aus einem Polymermaterial aufgebaut ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzelle und ein Fahrzeug umfassend die Brennstoffzelle.
-
Stand der Technik
-
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.
-
Unter anderem sind Protonenaustauschmembranen (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
-
Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als solid oxide fuel cell (SOFC) bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen und finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung.
-
Brennstoffzellen weisen 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 zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.
-
Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
-
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, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden. Brennstoffzellenstapel werden beispielsweise in Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet.
-
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.
-
Zusätzlich können die Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
-
Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser ist es Aufgabe der Bipolarplatte, einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran zu gewährleisten.
-
Es sind sowohl metallische Bipolarplatten als auch Bipolarplatten aus Graphit bekannt. Insbesondere metallische Bipolarplatten können partiell beschichtet sein.
-
Üblicherweise wird die Oberflächenstruktur durch Prägen hergestellt. Ist die Bipolarplatte beispielsweise aus Edelstahl gefertigt, ist das Prägen von feinen, engmaschigen Strukturen nur eingeschränkt möglich, was zum Beispiel die fluiddynamische Optimierung der Medienführung durch eine Optimierung der Gestaltung der Strukturen behindert.
-
Weiterhin sind Bipolarplatten aus Kunststoff mit einem elektrisch leitfähigen Füllmaterial beschrieben.
-
DE 101 12 394 A1 hat eine leitfähige Kunststoffformmasse basierend auf Polyarylensulfid und/oder flüssigkristallinem Kunststoff zum Gegenstand, wobei die Formmasse Ruß und Graphit und/oder Metallpulver enthält.
-
WO 2017/211423 A1 ist auf ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenplatte gerichtet, die aus einer Bipolarplatte und einer die Bipolarplatte an ihren Rändern zumindest teilweise umgebenden Rahmenplatte ausgebildet wird. Die Bipolarplatte ist aus einem Kunststoff mit einem elektrisch leitfähigen Füllmaterial aufgebaut. Der Kunststoff ist beispielsweise ein Duroplast wie Phenolharz oder Epoxidharz.
-
DE 10 2014 103 611 A1 offenbart eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Anordnung umfassend einen metallischen Träger mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, wobei die Bipolarplatte zu mindestens 30 Gew.-%, bevorzugt zu mindestens 60 Gew.-%, mehr bevorzugt zu mindestens 80 Gew.-% und insbesondere zu mindestens 95 Gew.-% aus einem Polymermaterial aufgebaut ist, das ein intrinsisch elektrisch leitfähiges Polymer enthält. Das intrinsisch elektrisch leitfähige Polymer kann auch als selbstleitendes Polymer bezeichnet werden. Bevorzugt weist das intrinsisch elektrisch leitfähige Polymer eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 10-13 S·cm-1 auf, insbesondere weist das intrinsisch elektrisch leitfähige Polymer eine elektrische Leitfähigkeit in einem Bereich von 10-13 S·cm-1 bis 103 S·cm-1 auf.
-
Das Polymermaterial ist bevorzugt mittels eines Spritzgussverfahrens verarbeitbar, wodurch sich neue Designvarianten für die Bipolarplatte ergeben. Die Verarbeitung ist bezüglich der zu erzeugenden Geometrien flexibel und kostengünstig. Durch den Einsatz des intrinsisch elektrisch leitfähigen Polymers insbesondere anstelle eines Metalls können die positiven Eigenschaften bezüglich der Leitfähigkeit mit einer vereinfachten Verarbeitung, die von Kunststoffen bekannt ist, kombiniert werden.
-
Die elektrische Leitfähigkeit σ eines Materials wird durch die Anzahl N von Ladungsträgern pro Volumen V, die Elementarladung e, und die Mobilität µ der Ladungsträger bestimmt:
-
In Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung beträgt der spezifische Widerstand (ρ=1/σ) des Polymermaterials und insbesondere des intrinsisch elektrisch leitfähigen Polymers nicht mehr als 5 Ωcm.
-
Unter intrinsisch elektrisch leitfähigen Polymeren werden üblicherweise Kunststoffe verstanden, die eine elektrische Leitfähigkeit besitzen, die vergleichbar mit Metallen ist. Häufig wird die elektrische Leitfähigkeit des Polymers durch konjugierte Doppelbindungen erreicht, die eine freie Beweglichkeit von Ladungsträgern im dotierten Zustand ermöglichen.
-
Bevorzugt ist das intrinsisch elektrisch leitfähige Polymer ein konjugiertes Polymer. Unter einem konjugiertem Polymer wird insbesondere ein Polymer verstanden, das alternierende Doppelbindungen und/oder Dreifachbindungen und Einfachbindungen aufweist, wodurch ein ausgedehntes π-Elektronensystem aufgebaut wird, das eine Leitfähigkeit ermöglicht. Die intrinsische elektrische Leitfähigkeit erfordert frei bewegliche Ladungsträger. Deshalb besitzen intrinsisch elektrisch leitfähige Polymere häufig ein ausgedehntes π-Elektronensystem in Form konjugierter Doppelbindungen. Als Ladungsträger dienen Defektelektronen, die auch als „Löcher“ bezeichnet werden, oder freibewegliche Ladungen wie Elektronen.
-
Bei einigen intrinsisch elektrisch leitfähigen Polymeren kann auch ein negativ aufgeladenes Polymergerüst erzeugt werden. Als Gegenionen des oxidierten Polymergerüsts dienen hier Anionen. Fließt ein elektrischer Strom, springen die Ladungsträger von einer Polymerkette auf eine benachbarte, was auch als Hopping bezeichnet wird. Bezüglich intrinsisch elektrisch leitfähigen Polymeren wird unter dem Begriff der Dotierung durch Oxidation eine p-Dotierung verstanden.
-
Konjugierte Polymere bezeichnen in diesem Zusammenhang organische Makromoleküle, die aus mindestens einer Kette von alternierenden Doppel- und Einfachbindungen bestehen. Da die π-Orbitale, aus denen die Doppelbindungen gebildet werden, mesomerisieren, bekommen Einfachbindungen und Doppelbindungen ähnlichen Charakter, sodass die pZ-Orbitale des Kohlenstoffs auch über die Einfachbindungen überlappen. Daher können π-Elektronen in konjugierten Polymeren leicht von einem Ende der Kette zum anderen verschoben werden.
-
Bevorzugt ist das intrinsisch elektrisch leitfähige Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Poly-3,4-ethylendioxythiophen-Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS), Polyanilin, Polyacetylen, Polyparaphenylen (PPP), Polypyrol (PPy), Polythiophen (PT) und Mischungen davon.
-
Das Polymermaterial enthält bevorzugt zu mindestens 30 Gew.-%, mehr bevorzugt zu mindestens 60 Gew.-%, weiter bevorzugt zu mindestens 80 Gew.-% und insbesondere zu mindestens 95 Gew.-% das intrinsisch elektrisch leitfähige Polymer. Entsprechend ist die Bipolarplatte bevorzugt im Wesentlichen aus dem intrinsisch elektrisch leitfähigen Polymer aufgebaut und das intrinsisch elektrisch leitfähige Polymer ist bevorzugt eine strukturgebende Komponente für die Bipolarplatte.
-
Das Polymermaterial kann zusätzlich ein elektrisch leitfähiges Additiv enthalten, das auch als Füllstoff bezeichnet werden kann. Das elektrisch leitfähige Additiv umfasst bevorzugt oder besteht bevorzugt aus Metallpulver, Metallfasern, Ruß, Graphit, Kohlefasern, Carbon Nanotubes oder Mischungen daraus. Das Polymermaterial kann das elektrisch leitfähige Additiv zu einem Anteil im Bereich von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% enthalten.
-
Ferner kann die Bipolarplatte eine Metallbeschichtung aufweisen, wobei das Polymermaterial bevorzugt einen Kern der Bipolarplatte darstellt. Bevorzugt enthält die Metallbeschichtung zu mindestens 90 Gew.-% ein Metall. Das Metall kann zum Beispiel Nickel, Gold und/oder Chrom sein. Die Metallbeschichtung besitzt bevorzugt eine Dicke in einem Bereich von 5 nm bis 10 µm. Die Bipolarplatte kann die Metallbeschichtung ganzflächig oder teilweise aufweisen. Die Metallbeschichtung kann beispielsweise durch Bedampfen oder Galvanisieren, insbesondere auf dem Polymermaterial, hergestellt werden.
-
Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle umfassend mehrere Lagen und eine Bipolarplatte gerichtet, wobei zur Bildung der Bipolarplatte ein Polymermaterial enthaltend ein intrinsisch elektrisch leitfähiges Polymer spritzgegossen wird.
-
Eine Brennstoffzelle und insbesondere ein Brennstoffzellenstapel weist üblicherweise mehrere Lagen auf. Die einzelnen Lagen werden beispielsweise durch die Membran, die Elektroden und Gasdiffusionslagen sowie die Bipolarplatten gebildet. Die Elektroden und die Membran können zu einer Membran-Elektroden-Anordnung zusammengefasst sein.
-
Bevorzugt werden die Bipolarplatte und mindestens eine weitere Lage der Brennstoffzelle durch Ultraschallschweißen, Laserschweißen, Heißsiegeln oder Kleben miteinander verbunden.
-
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle umfassend die Bipolarplatte und eine Brennstoffzelle, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, sowie ein Fahrzeug umfassend die Brennstoffzelle.
-
Vorteile der Erfindung
-
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Polymermaterials zur Bildung einer Bipolarplatte kann eine Bipolarplatte mittels Spritzguss hergestellt werden. Ein Prägeprozess, welcher für metallische Bipolarplatten benötigt wird, wird vermieden.
-
Die Herstellung mittels Spritzguss bietet eine kostengünstigere Verarbeitung sowie eine erhöhte Flexibilität in der Herstellung verschiedener Geometrien der Bipolarplatte oder in der Ausgestaltung von Strukturen auf der Bipolarplatte. Dadurch sind neue Designvarianten für Bipolarplatten möglich.
-
Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Polymermaterial eine vergleichsweise geringe Dichte auf, sodass das Gewicht der Bipolarplatte und damit auch das Gewicht der Brennstoffzelle und insbesondere des Brennstoffzellenstapels verringert werden kann.
-
Figurenliste
-
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle und
- 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels.
-
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.
-
1 zeigt eine Brennstoffzelle 1 mit mehreren Lagen 21 in Form von Gasdiffusionslagen 11, Elektroden 9, einer Membran 13 und Bipolarplatten 7.
-
Die Brennstoffzelle 1 umfasst eine Anode 3 und eine Kathode 5. Die Anode 3 und die Kathode 5 sind jeweils von einer Bipolarplatte 7 begrenzt und weisen jeweils eine Elektrode 9 und eine Gasdiffusionslage 11 auf. Die Anode 3 und die Kathode 5 sind durch die Membran 13 voneinander getrennt. Durch Vertiefungen 15 der Bipolarplatten 7 wird beispielsweise Wasserstoff zugeführt oder abgeführt. Auf der Fläche der Bipolarplatten 7 bilden die Vertiefungen 15 ein Strömungsfeld.
-
Die Bipolarplatte 7 ist aus einem Polymermaterial 23 aufgebaut, das ein intrinsisch elektrisch leitfähiges Polymer 25 enthält. Weiterhin weist die Bipolarplatte 7 eine Metallbeschichtung 27 auf.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 17, in dem mehrere Brennstoffzellen 1 zwischen zwei Endplatten 19 gestapelt sind.
-
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.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10112394 A1 [0014]
- WO 2017/211423 A1 [0015]
- DE 102014103611 A1 [0016]
