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WO2018166733A1 - Bipolarplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle sowie verfahren zur herstellung einer bipolarplatte - Google Patents

Bipolarplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle sowie verfahren zur herstellung einer bipolarplatte Download PDF

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WO2018166733A1
WO2018166733A1 PCT/EP2018/053651 EP2018053651W WO2018166733A1 WO 2018166733 A1 WO2018166733 A1 WO 2018166733A1 EP 2018053651 W EP2018053651 W EP 2018053651W WO 2018166733 A1 WO2018166733 A1 WO 2018166733A1
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WO
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bipolar plate
fuel cell
coating
carrier material
electrode
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/053651
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English (en)
French (fr)
Inventor
Silvan Hippchen
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.)
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell, which comprises at least one distribution structure for distributing a fuel or an oxidizing agent to an electrode.
  • the invention also relates to a fuel cell, which comprises at least one 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.
  • the invention further relates to a method for producing a bipolar plate for a fuel cell.
  • 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 (O2) in water (H2O), electrical energy and heat are converted.
  • An electrolyzer is an electrochemical energy converter that splits water (H2O) into hydrogen (H2) and oxygen (O2) by means of electrical energy.
  • proton exchange membrane PEM
  • PEM proton exchange membrane
  • Air oxygen is thereby spatially from the fuel, in particular
  • 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 derived from the fuel cell and flow through an external
  • 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.
  • the distribution structure is usually realized as a channel or as an electronically conductive porous layer, for example as a foam.
  • a bipolar plate according to the prior art comprises
  • a distribution plate for example, a distribution plate, a foam and a foam with seal.
  • Bipolar plates serve both to provide optimal gas distribution
  • bipolar plates must be resistant to corrosion in fuel cells, since the fuel cell water has corrosive properties, and in particular in the vicinity of
  • Nafionmembranen creates an acidic, corrosive environment.
  • the partial surfaces have channels for gas transport.
  • WO 1016/070862 A1 describes a metallic bipolar plate for use in an electrochemical cell, wherein the bipolar plate has an electrically conductive graphene-like coating.
  • bipolar plates according to the prior art, inter alia, that they have a fairly high thickness and thus represent a spatial limitation for a structural reduction of electrochemical cells.
  • a bipolar plate is proposed for a fuel cell, which comprises at least one distribution structure for distributing a fuel or an oxidizing agent to an electrode, wherein the at least one distribution structure comprises a carrier material, which can also be referred to as substrate, and a coating, and the coating is electrically conductive and is porous.
  • the at least one distribution structure comprises a carrier material, which can also be referred to as substrate, and a coating, and the coating is electrically conductive and is porous.
  • the bipolar plate can also be used in other electrochemical energy converters, for example in an electrolyzer.
  • the bipolar plate is used in a fuel cell, particularly preferably in a polymer electrolyte fuel cell (PEM).
  • PEM polymer electrolyte fuel cell
  • the bipolar plate may have one or two or more distribution structures, preferably a distribution structure or two distribution structures. In the event that there are two distribution areas, both distribution areas can each be limited by a separate partition plate or by a common partition plate.
  • the support material is designed as a film and has a first thickness of not more than 2000 ⁇ m, preferably not more than 1500 ⁇ m, more preferably not more than 1000 ⁇ m, and particularly preferably not more than 800 ⁇ m.
  • the first thickness is preferably from 300 ⁇ to 2000 ⁇ , more preferably from 500 ⁇ to 2000 ⁇ .
  • the term foil is understood to mean a very thin, sheet-like material, in particular a material sheet, preferably a metal sheet or a plastic sheet. In the context of the invention, the term thickness in each case denotes the average layer thickness.
  • reaction gases such as hydrogen (Hb) and oxygen O2, as well as cooling liquids, are preferably conducted into the cell.
  • the oxygen O2 is preferably in air.
  • An electrode unit having a first electrode and a second electrode, which are separated from each other by a membrane, and at least one
  • Bipolar plate according to the invention comprises.
  • the fuel cell is constructed in such a way that in each case a bipolar plate is connected on both sides of an electrode unit.
  • the membrane is preferably a Nafion membrane containing sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE).
  • Distribution structure for distributing a fuel or an oxidizing agent to an electrode
  • the at least one distribution structure comprises a carrier material and a coating
  • the coating is electrically conductive and porous and the method comprises the following steps: a) providing the support material, wherein the support material as a film
  • the support material and the coating preferably form a layer structure.
  • the coating is arranged directly on the carrier material. More preferably, the layer structure consists of the carrier material and the
  • the layer structure preferably forms the distribution structure of the bipolar plate.
  • the distribution of the gas preferably takes place through the porosity of the layer structure.
  • the coating contains graphite, more preferably, the coating consists of more than 70 wt .-%, more preferably more than 90 wt .-% of graphite.
  • the coating contains a binder and / or a
  • Conductivity additive Preferred binders are cellulose and / or styrene-butadiene rubber.
  • a preferred conductivity additive is conductive black.
  • the coating has a porosity of 50% to 95%, preferably 70% to 90% and particularly preferably 80% to 85%.
  • the support material is preferably not less than 90% by weight of stainless steel, more preferably not less than 95% by weight, and particularly preferably not less than 99% by weight.
  • a preferred stainless steel is the stainless steel with the material number 1.4404 and the composition
  • the layer structure has a total thickness of not more than 3000 ⁇ , preferably not more than 2000 ⁇ and more preferably not more than 1500 ⁇ .
  • the slurry is applied by doctoring in step c).
  • the slurry is preferably applied with a slurry thickness of less than 1100 ⁇ m.
  • the slurry preferably contains graphite, which is preferably in the form of
  • the graphite powder is present.
  • the graphite powder preferably has a middle one
  • Particles preferably have a shape that deviates from a platelet shape. More preferably, the particles have a substantially spherical shape. Larger particles lead to an increased porosity of the coating. More preferably, the slurry contains a binder, in particular cellulose and / or styrene-butadiene rubber, and / or a conductive additive, in particular Leitruß. The slurry preferably contains 20% by weight to 70% by weight, more preferably 40% by weight to 60% by weight, for example 50% by weight.
  • the solvent is preferably water.
  • step d) at least parts of the solvent are removed from the slurry, so that the coating as a porous solid on the
  • Carrier material remains.
  • the drying is preferred in a
  • Drying temperature of 60 ° C to 100 ° C, more preferably carried out from 70 ° C to 90 ° C, for example 80 ° C.
  • the drying is for a period of
  • the slurry thickness preferably decreases by 20% to 50%, more preferably by 35% to 35%.
  • the carrier material and the coating can replace conventional channel structures and / or foams in bipolar plates.
  • the inventive Bipolar plate is characterized by a thin structure, which simultaneously ensures the fluid dynamic requirements in a fuel cell, for example, a tolerable pressure drop, so that individual fuel cells and thus fuel cell stacks can be made smaller and more compact.
  • the binder provides stability, ductility and flexibility
  • Coating and the addition of conductive black increases the conductivity of the coating.
  • the porosity of the coating leads to a good one
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell stack with a plurality of fuel cells
  • Figure 3 is a schematic representation of an inventive
  • Figure 4 is a schematic representation of the principle of a doctor blade method. Embodiments of the invention
  • Figure 1 shows a schematic representation of a fuel cell 2.
  • Fuel cell 2 has an anode 21, a cathode 22 and a
  • the fuel cell 2 has bipolar plates 40, through which hydrogen is transported to the anode 21 and oxygen to the cathode 22 or water away from the cathode 22 and a gas diffusion system 41 indicated only schematically in FIG. 1. A stream is taken from the fuel cell 2.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a fuel cell stack 5 with a plurality of fuel cells 2.
  • Each fuel cell 2 has an electrode unit 10 which comprises a first electrode 19, a second electrode 20 and a membrane 18.
  • the two electrodes 19, 20 are arranged on mutually opposite sides of the membrane 18 and thus separated from each other by the membrane 18.
  • the first electrode 19 will also be referred to below as the anode 21 and the second electrode 20 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 adjoin the electrode unit 10 on both sides.
  • each of the bipolar plates 40 may be arranged as being adjacent to each other
  • the bipolar plates 40 each comprise a first distribution structure 50 for
  • the bipolar plates 40 also each include a second distribution structure 60 for distributing the oxidant facing the cathode 22.
  • the second distribution structure 60 simultaneously serves to dissipate water formed in a reaction in the fuel cell 2.
  • the bipolar plates 40 further include a third distribution structure 70 disposed between the first distribution structure 50 and the second distribution structure 60.
  • the third distribution structure 70 serves to pass a
  • fuel is conducted via the first distribution structure 50 to the anode 21.
  • oxidizing agent is via the second
  • Distributed structure 60 passed to the cathode 22.
  • the fuel present
  • Hydrogen is catalytically oxidized at the anode 21 with the emission of electrons to protons.
  • the protons pass through the membrane 18 to the cathode 22.
  • the emitted electrons flow through the distribution structures 50, 60, 70 to the cathode 22 of the adjacent fuel cell 2, or from the anode 21 of the peripheral fuel cell 2 via an external circuit the cathode 22 located at the other edge
  • Fuel cell 2 The oxidizing agent, in the present case atmospheric oxygen, reacts by taking up the thus conducted electrons and the protons, which through the
  • Membrane 18 have come to the cathode 22, to water.
  • FIG. 3 shows a layer structure 30 comprising a carrier material 31, which may also be referred to as a substrate, and a coating 32.
  • the coating 32 contains graphite 33 in particulate form and a binder 35 and Leitruß 36.
  • the coating 32 has cavities 34 which are occupied by neither the graphite 33 nor the binder 35 or Leitruß 36 and which make up the porosity of the coating 32.
  • the carrier material 31 is designed as a foil and has a first thickness 37.
  • the coating 32 has a second thickness 38.
  • Figure 4 shows a schematic representation of the principle of a doctor blade method.
  • the carrier material 31 is designed as a film and is provided as a web.
  • a slurry 82 containing graphite 33 is present in a doctoring trough 81.
  • the web of support material 31 is moved relative to the doctoring trough 81 which is adjacent to a doctor blade 80, the slurry 82 being thinly applied by the doctor blade 80 to the support material 31 and forming the coating 32.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend mindestens eine Verteilstruktur (50, 60) zur Verteilung eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels an eine Elektrode (19, 20), wobei die mindestens eine Verteilstruktur (50, 60) ein Trägermaterial(31) und eine Beschichtung (32) umfasst und die Beschichtung (32) elektrisch leitfähig und porös ist. Das Trägermaterial(31)ist als Folie ausgeführt undweisteine erste Dicke(37)von nicht mehr als 2000 µm auf.Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle (2), umfassend mindestens eine Elektrodeneinheit (10) mit einer ersten Elektrode (19) und einer zweiten Elektrode (20), welche voneinander durch eine Membran (18) getrenntsind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte (40). Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (40).

Description

Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle
sowie Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die mindestens eine Verteilstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels an eine Elektrode umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine Elektrodeneinheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
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 (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H2O) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) 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. Gemäß dem Stand der Technik ist die Verteilstruktur üblicherweise als Kanal oder als elektronisch leitfähige poröse Schicht, beispielsweise als Schaum realisiert. Eine Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik umfasst
beispielsweise eine Verteilplatte, einen Schaum und einen Schaum mit Dichtung. Bipolarplatten dienen sowohl dazu, eine optimale Gasverteilung zu
gewährleisten, als auch durch eine elektrische Leitfähigkeit bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle entstehenden Strom optimal abzuführen. Darüber hinaus müssen Bipolarplatten in Brennstoffzellen korrosionsbeständig sein, da das in Brennstoffzellen entstehende Wasser korrosive Eigenschaft aufweist und insbesondere in der Nähe von
gegebenenfalls eingesetzten Nafionmembranen ein saures, korrosives Milieu entsteht.
Aus der WO 2006/125775 AI sind Bipolarplatten für Brennstoffzellen-Stacks bekannt, die eine elektrisch nicht leitfähige Substratplatte mit
gegenüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten, und mindestens eine elektrisch leitfähige Folie umfassen. Die Teilflächen weisen Kanäle zum Gastransport auf.
Die WO 1016/070862 AI beschreibt eine metallische Bipolarplatte für den Einsatz in einer elektrochemischen Zelle, wobei die Bipolarplatte eine elektrisch leitfähige graphen-ähnliche Beschichtung aufweist.
Nachteilig an Bipolarplatten gemäß dem Stand der Technik ist unter anderem, dass diese eine recht hohe Dicke besitzen und somit eine räumliche Limitierung für eine bauliche Verkleinerung von elektrochemischen Zellen darstellen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche mindestens eine Verteilstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels an eine Elektrode umfasst, wobei die mindestens eine Verteilstruktur ein Trägermaterial, das auch als Substrat bezeichnet werden kann, und eine Beschichtung umfasst und die Beschichtung elektrisch leitfähig und porös ist.
Die Bipolarplatte kann auch in anderen elektrochemischen Energiewandlern, beispielsweise in einem Elektrolyseur eingesetzt werden. Bevorzugt wird die Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle, insbesondere bevorzugt in einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEM) eingesetzt.
Die Bipolarplatte kann ein oder zwei oder mehr Verteilstrukturen, bevorzugt eine Verteilstruktur oder zwei Verteilstrukturen aufweisen. Für den Fall, dass zwei Verteilbereiche vorliegen, können beide Verteilbereiche jeweils von einer separaten Trennplatte oder auch von einer gemeinsamen Trennplatte begrenzt sein.
Erfindungsgemäß ist das Trägermaterial als Folie ausgeführt und weist eine erste Dicke von nicht mehr als 2000 μηη, bevorzugt nicht mehr als 1500 μηη, mehr bevorzugt nicht mehr als 1000 μηη und besonders bevorzugt nicht mehr als 800 μηη auf. Die erste Dicke beträgt bevorzugt von 300 μηη bis 2000 μηη, mehr bevorzugt von 500 μηη bis 2000 μηη. Unter dem Begriff Folie wird ein sehr dünnes, flächiges Material, insbesondere ein Werkstoffblatt, bevorzugt ein Metallblatt oder ein Kunststoffblatt, verstanden. Im Rahmen der Erfindung bezeichnet der Begriff Dicke jeweils die mittlere Schichtdicke.
Über die Verteilstruktur werden bevorzugt Reaktionsgase wie Wasserstoff (Hb) und Sauerstoff O2, sowie Kühlflüssigkeiten in die Zelle geleitet. Der Sauerstoff O2 liegt bevorzugt in Luft vor.
Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine
Elektrodeneinheit 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 einer Elektrodeneinheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt. Die Membran ist bevorzugt eine Nafionmembran, die sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) enthält.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine
Brennstoffzelle vorgeschlagen, wobei die Bipolarplatte mindestens eine
Verteilstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels an eine Elektrode umfasst, die mindestens eine Verteilstruktur ein Trägermaterial und eine Beschichtung umfasst, die Beschichtung elektrisch leitfähig und porös ist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen des Trägermaterials, wobei das Trägermaterial als Folie
ausgeführt ist und eine erste Dicke von nicht mehr als 2000 μηη aufweist, b) Herstellen einer Slurry enthaltend Graphit und ein Lösungsmittel, c) Auftragen der Slurry auf das Trägermaterial und
d) Trocknen der Beschichtung auf dem Trägermaterial, so dass die
Beschichtung ausgebildet wird.
Bevorzugt bilden das Trägermaterial und die Beschichtung einen Schichtaufbau. Vorteilhaft ist die Beschichtung direkt auf dem Trägermaterial angeordnet. Mehr bevorzugt besteht der Schichtaufbau aus dem Trägermaterial und der
Beschichtung. Bevorzugt bildet der Schichtaufbau die Verteilstruktur der Bipolarplatte. Bevorzugt erfolgt die Verteilung des Gases durch die Porosität des Schichtaufbaus.
Bevorzugt enthält die Beschichtung Graphit, insbesondere bevorzugt besteht die Beschichtung zu mehr als 70 Gew.-%, insbesondere bevorzugt zu mehr als 90 Gew.-% aus Graphit.
Weiter bevorzugt enthält die Beschichtung einen Binder und/oder ein
Leitfähigkeitsadditiv. Bevorzugte Binder sind Cellulose und/oder Styrol-Butadien- Kautschuk. Ein bevorzugtes Leitfähigkeitsadditiv ist Leitruß.
Vorteilhaft weist die Beschichtung eine Porosität von 50 % bis 95 % auf, bevorzugt 70% bis 90 % und insbesondere bevorzugt 80 % bis 85 %.
Das Trägermaterial besteht bevorzugt zu nicht weniger als 90 Gew.-% aus Edelstahl, mehr bevorzugt zu nicht weniger als 95 Gew.-% und insbesondere bevorzugt zu nicht weniger als 99 Gew.-%. Ein bevorzugter Edelstahl ist der Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4404 und der Zusammensetzung
X2CrNiMol7-12-2. Vorzugsweise weist der Schichtaufbau eine Gesamtdicke von nicht mehr als 3000 μηη, bevorzugt nicht mehr als 2000 μηη und mehr bevorzugt nicht mehr als 1500 μηη auf. Vorteilhaft wird in Schritt c) die Slurry durch Rakeln aufgetragen. Die Slurry wird bevorzugt mit einer Slurrydicke von weniger als 1100 μηη aufgetragen.
Die Slurry enthält vorzugsweise Graphit, das bevorzugt in Form von
Graphitpulver vorliegt. Das Graphitpulver weist bevorzugt eine mittlere
Partikelgröße von 5 μηη bis 50 μηη, mehr bevorzugt von 10 μηη bis 20 μηη auf. Die
Partikel besitzen bevorzugt eine Form, die von einer Plättchenform abweicht. Mehr bevorzugt besitzen die Partikel eine im Wesentlichen sphärische Form. Größere Partikel führen zu einer erhöhten Porosität der Beschichtung. Weiter bevorzugt enthält die Slurry einen Binder, insbesondere Cellulose und/oder Styrol-Butadien-Kautschuk, und/oder ein Leitfähigkeitsadditiv, insbesondere Leitruß. Die Slurry enthält bevorzugt 20 Gew.-% bis 70 Gew.-%, mehr bevorzugt 40 Gew.-% bis 60 Gew.-%, zum Beispiel 50 Gew.-%
Lösungsmittel. Das Lösungsmittel ist bevorzugt Wasser.
Beim Trocknen in Schritt d) werden zumindest Teile des Lösungsmittels aus der Slurry entfernt, so dass die Beschichtung als poröser Feststoff auf dem
Trägermaterial zurückbleibt. Das Trocknen wird bevorzugt bei einer
Trocknungstemperatur von 60°C bis 100°C, mehr bevorzugt von 70°C bis 90°C, zum Beispiel 80°C ausgeführt. Bevorzugt wird das Trocknen für eine Dauer von
20 Minuten bis 80 Minuten, mehr bevorzugt von 30 Minuten bis 60 Minuten durchgeführt.
Durch das Trocknen nimmt die Slurrydicke bevorzugt um 20% bis 50%, mehr bevorzugt um 35 % bis 35% ab.
Vorteile der Erfindung
Das Trägermaterial und die Beschichtung können übliche Kanalstrukturen und/oder Schäume in Bipolarplatten ersetzen. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich durch einen dünnen Aufbau aus, der gleichzeitig die fluiddynamischen Anforderungen in einer Brennstoffzelle, hinsichtlich beispielsweise eines tolerierbaren Druckverlustes, gewährleistet, so dass einzelne Brennstoffzellen und damit auch Brennstoffzellen-Stacks kleiner und kompakter gestaltet werden können.
Durch den Binder wird eine Stabilität, Duktilität und Biegsamkeit der
Beschichtung ermöglicht und die Zugabe von Leitruß erhöht die Leitfähigkeit der Beschichtung. Die Porosität der Beschichtung führt zu einem guten
Gasaustausch sowie einem effizienten Gastransport im Brennstoffzellen-Stack.
Die Materialien Graphit, Wasser, Ruß und Binder sind in großen Mengen kostengünstig verfügbar und stellen keine Gefahrstoffe dar. Folglich wird eine Entsorgung von Brennstoffzellen-Stacks durch diese Stoffe nicht verkompliziert.
Das Aufbringen der Slurry durch Rakeln ermöglicht eine sehr dünne Ausführung der Beschichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Trägermaterials mit erfindungsgemäßer Beschichtung und
Figur 4 eine schematische Darstellung des Prinzips eines Rakelverfahrens. 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 einer Brennstoffzelle 2. Die
Brennstoffzelle 2 weist eine Anode 21, eine Kathode 22 und eine
protonenleitende Membran 18 auf, durch die die Anode 21 und die Kathode 22 voneinander getrennt sind. Weiterhin besitzt die Brennstoffzelle 2 Bipolarplatten 40, durch die Wasserstoff zur Anode 21 und Sauerstoff zur Kathode 22 bzw. Wasser von der Kathode 22 weg transportiert wird und eine in Figur 1 nur schematisch angedeutete Gasdiffusionsanlage 41. Der Brennstoffzelle 2 wird ein Strom entnommen.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Elektrodeneinheit 10 auf, die eine erste Elektrode 19, eine zweite Elektrode 20 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 19, 20 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 19 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet und die zweite Elektrode 20 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 Elektrodeneinheit 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 eine erste Verteilstruktur 50 zur
Verteilung eines Brennstoffs, die der Anode 21 zugewandt ist. Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch eine zweite Verteilstruktur 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, die der Kathode 22 zugewandt ist. Die zweite Verteilstruktur 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser.
Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner eine dritte Verteilstruktur 70, welche zwischen der ersten Verteilstruktur 50 und der zweiten Verteilstruktur 60 angeordnet ist. Die dritte Verteilstruktur 70 dient zur Durchleitung eines
Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 zur Kühlung der Brennstoffzelle 2.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über die erste Verteilstruktur 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über die zweite
Verteilstruktur 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 fließen durch die Verteilstrukturen 50, 60, 70 zu der Kathode 22 der benachbarten Brennstoffzelle 2, beziehungsweise aus der Anode 21 der an einem Rand befindlichen Brennstoffzelle 2 über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22 der an dem anderen Rand befindlichen
Brennstoffzelle 2. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der so geleiteten Elektronen und der Protonen, die durch die
Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser.
Figur 3 zeigt einen Schichtaufbau 30, der ein Trägermaterial 31, das auch als Substrat bezeichnet werden kann, und eine Beschichtung 32 umfasst. Die Beschichtung 32 enthält Graphit 33 in Partikelform sowie einen Binder 35 und Leitruß 36. Die Beschichtung 32 weist Hohlräume 34 auf, die weder vom Graphit 33 noch vom Binder 35 oder dem Leitruß 36 eingenommen sind und die die Porosität der Beschichtung 32 ausmachen.
Das Trägermaterial 31 ist als Folie ausgeführt und weist eine erste Dicke 37 auf. Die Beschichtung 32 besitzt eine zweite Dicke 38. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung des Prinzips eines Rakelverfahrens. Das Trägermaterial 31 ist als Folie ausgeführt und wird als Bahn bereitgestellt. Eine Slurry 82, die Graphit 33 enthält, liegt in einem Rakeltrog 81 vor. Die Bahn des Trägermaterials 31 wird relativ zum Rakeltrog 81, der benachbart zu einem Rakel 80 angeordnet ist, bewegt, wobei die Slurry 82 durch den Rakel 80 dünn auf das Trägermaterial 31 aufgetragen wird und die Beschichtung 32 bildet.
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. Bipolarplatte (40) für eine Brennstoffzelle (2), umfassend
mindestens eine Verteilstruktur (50, 60) zur Verteilung eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels an eine Elektrode (19, 20), wobei die mindestens eine Verteilstruktur (50, 60) ein Trägermaterial (31) und eine Beschichtung (32) umfasst und die Beschichtung (32) elektrisch leitfähig und porös ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (31) als Folie ausgeführt ist und eine erste Dicke (37) von nicht mehr als 2000 μηη aufweist.
2. Bipolarplatte (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (32) Graphit (33) enthält.
3. Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (32) einen Binder (35), insbesondere Cellulose und/oder Styrol-Butadien-Kautschuk, und/oder ein Leitfähigkeitsadditiv, insbesondere Leitruß (36), enthält.
4. Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (32) eine Porosität von 50 % bis 95% aufweist.
5. Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (31) zu nicht weniger als 90 Gew-% aus Edelstahl besteht.
6. Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (40) eine Gesamtdicke von nicht mehr als 3000 μηη aufweist. Brennstoffzelle (2), umfassend
mindestens eine Elektrodeneinheit (10) mit einer ersten Elektrode (19) und einer zweiten Elektrode (20), welche voneinander durch eine Membran (18) getrennt sind, und
mindestens eine Bipolarplatte (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (40) für eine
Brennstoffzelle (2), wobei die Bipolarplatte (40) mindestens eine
Verteilstruktur (50, 60) zur Verteilung eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels an eine Elektrode (19, 20) umfasst,
die mindestens eine Verteilstruktur (50, 60), ein Trägermaterial (31) und eine Beschichtung (32) umfasst und die Beschichtung (32) elektrisch leitfähig und porös ist, umfassend die folgenden Schritte:
a) Bereitstellen des Trägermaterials (31), wobei das Trägermaterial (31) als Folie ausgeführt ist und eine erste Dicke (37) von nicht mehr als 2000 μηη aufweist,
b) Herstellen einer Slurry (82) enthaltend Graphit (33) und ein
Lösungsmittel,
c) Auftragen der Slurry (82) auf das Trägermaterial (31) und d) Trocknen der Beschichtung (32) auf dem Trägermaterial (31), so dass die Beschichtung (32) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Slurry (82) Graphit (33) enthält und/oder das Trägermaterial (31) zu nicht weniger als 90 Gew.-% aus Edelstahl besteht.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Slurry (82) durch Rakeln aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Slurry (82) einen Binder (35), insbesondere Cellulose und/oder Styrol-Butadien-Kautschuk, und/oder ein Leitfähigkeitsadditiv, insbesondere Leitruß (36), enthält.
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