Titel:

Verteilerplatte, Bipolarplatte, elektrochemische Zelle mit einer Verteilerplatte und Verfahren zur Herstellung einer Verteilerplatte

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verteilerplatte und eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle sowie eine elektrochemische Zelle mit einer entsprechenden Verteilerplatte und ein Verfahren zur Herstellung einer Verteilerplatte.

Stand der Technik

Verteilerplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist aus der DE 10 221 951 B4 eine Verteilerplatte bzw. Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt. Die bekannte Verteilerplatte weist Kanäle und angrenzende Stege auf. Die Unterseiten der Stege bilden eine Kontaktfläche der Verteilerplatte zu einer Diffusionslage der Brennstoffzelle. Dementsprechend sind auch Brennstoffzellen mit derartigen Verteilerplatten und darunterliegenden Diffusionslagen bekannt.

Weiterhin sind Bipolarplatten aus Graphit bzw. einem Graphit-Polymer- Kompositmaterial aus der DE 10 2016 2020 010 Al bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung verbessert die elektrische Leitfähigkeit einer Verteilerplatte aus einem Graphit-Polymer-Kompositmaterial in Dickenrichtung zu einer angrenzenden Komponente. Dazu besteht die Verteilerplatte bzw. die aus zwei Verteilerplatten bestehende Bipolarplatte aus einem Graphit-Polyrner-Kompositmaterial. Die Verteilerplatte weist Kanäle für eine Verteilung eines Fluids auf. Die Verteilerplatte weist weiterhin eine Kontaktfläche für die elektrische Kontaktierung einer weiteren Komponente einer elektrochemischen Zelle auf. Die Kontaktfläche ist derart nachbearbeitet, dass eine Kunststoff haut entfernt ist.

Die Verteilerplatte dient insbesondere der Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, bevorzugt einer Brennstoffzelle. Jedoch ist auch der Einsatz in weiteren elektrochemischen Zellen, wie beispielsweise in Batteriezellen oder Elektrolysezellen, möglich. Das in den Kanälen strömende Fluid ist üblicherweise ein Reaktions- oder Produktfluid der elektrochemischen Zelle, beispielsweise Wasserstoff oder Sauerstoff.

Die Außenflächen des Graphit- Polymer- Kompositmaterials sind inhärent von einer Kunststoff haut überzogen, welche auch sehr dünn sein kann. Diese wird nun erfindungsgemäß entfernt, bevorzugt mittels einer Laserbehandlung, so dass in der nachbearbeiteten Kontaktfläche direkt das Graphitmaterial der Verteilerplatte kontaktiert werden kann und dadurch der elektrische Übergangswiderstand reduziert wird. Dies ist insbesondere bei in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen eines Zellenstapels von sehr großem Vorteil, da dadurch der Wirkungsgrad des gesamten Zellenstapels gesteigert wird.

Die Erfindung umfasst auch eine Bipolarplatte mit zwei Verteilerplatten, wobei die beiden Verteilerplatten in ihren nachbearbeiteten Kontaktflächen zueinander angeordnet sind. Der elektrische Widerstand der Bipolarplatte in Stapelrichtung z bzw. in Dickenrichtung der Platte wird dadurch minimiert, womit die Leistungsverluste in der Bipolarplatte im Betrieb minimiert werden.

Eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einer Verteilerplatte bzw. einer Bipolarplatte weist weiterhin eine Diffusionslage auf. Die Unterseiten von die Kanäle begrenzenden Stegen bilden dann eine Kontaktfläche der Verteilerplatte bzw. Bipolarplatte zu der Diffusionslage. Die Erfindung umfasst somit auch eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, in welcher die Kontaktfläche der Verteilerplatte zu der angrenzenden Diffusionslage derart nachbearbeitet ist, dass die Kunststoff haut in dieser Kontaktfläche entfernt ist. Der elektrische Übergangswiderstand zwischen Verteilerplatte und Diffusionslage ist dadurch minimiert.

Die Erfindung umfasst auch ein Herstellungsverfahren zur Fertigung einer Verteilerplatte bzw. Bipolarplatte nach einer der obigen Ausführungen. Der kennzeichnende Verfahrensschritt ist dabei die Entfernung der Kunststoff haut auf der Kontaktfläche der Verteilerplatte. Die Kunststoff haut wird bevorzugt mittels Laserbearbeitung entfernt, besonders bevorzugt mit einem Nanosekunden- Beschriftungslaser oder Ultrakurzpuls-Laser.

In vorteilhaften Weiterbildungen des Verfahrens wird während der Entfernung der Kunststoff haut eine Strukturform verwendet, so dass lediglich eine definierte Struktur der Kunststoffhaut in der Kontaktfläche entfernt. Dadurch können beispielsweise nur die die Kanäle begrenzenden Stege der Verteilerplatte mit dem Laser bearbeitet werden. Bereiche, in denen die Entfernung der Kunststoff haut keine Vorteile bringt, können durch Abdeckung mit der Strukturform von der Laserbearbeitung ausgespart werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 schematisch eine elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Figur 1 zeigt schematisch eine elektrochemische Zelle 1 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 1 weist einen Elektrolyten 2, beispielsweise eine Membran, insbesondere eine Polymerelektrolyt- Membran auf. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum la, zu der anderen Seite ein Anodenraum lb ausgebildet. lm Kathodenraum la sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum lb von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet.

Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum la und Wasserstoff im Anodenraum lb -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.

Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13, 13a der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.

Üblicherweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 1 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte 20 zusammengefasst, so dass sich die beiden Verteilerplatten 7, 8 in einer gemeinsamen Kontaktfläche 13, 13b kontaktieren.

Bei den erfindungsgemäßen Verteilerplatten 7, 8 bzw. Bipolarplatten 20 handelt es sich um Verteilerplatten aus einem Graphit-Polymer-Kompositmaterial.

Erfindungsgemäß wird nun - zumindest in einer der Kontaktflächen 13, 13a, 13b - die prozessbedingt entstehende Kunststoff haut des Graphit-Polymer- Kompositmaterials entfernt.

Den graphitischen Verteilerplatten 7, 8 bzw. Bipolarplatten 20 werden zur Minimierung der Gaspermeation und Vergrößerung der Stabilität Polymere, insbesondere thermoplastische und/oder duroplastische Kunststoffe, beigemischt, so dass ein Graphit-Polymer-Kompositmaterial entsteht. Nach dem Prägeprozess der Strukturen für die Kanäle 11 überzieht die Verteilerplatte 7,8 bzw. Bipolarplatte 20 eine Kunststoffhaut. Diese Haut wirkt isolierend gegenüber Strom und Wärme bzw. erhöht die elektrischen und thermischen Übergangswiderstände zu den Diffusionslagen 5, 6 und innerhalb der Bipolarplatte 20 zwischen den beiden Verteilerplatten 7, 8.

Diese Kunststoff haut wird bevorzugt mittels Laser entfernt, besonders bevorzugt mittels Nanosekunden-Beschriftungslaser oder Ultrakurzpuls-Laser. Dabei kann die Kunststoff haut auf einer oder mehrerer Kontaktflächen 13, 13a, 13b großflächig oder aber auch mit Hilfe einer Strukturform lokal definiert entfernt werden. Die Strukturform deckt dann beispielsweise die Kanäle 11 ab und spart die Stege 12 bzw. die Kontaktflächen 13a zu den Diffusionslagen 5, 6 aus, so dass nur an den Stegen 12 die Kunststoff haut beim Lasern entfernt wird und demzufolge der elektrische Widerstand zwischen Verteilerplatte 7, 8 und angrenzender Diffusionslage 5, 6 reduziert wird.

Wird die Kunststoff haut der beiden Verteilerplatten 7, 8 in der gemeinsamen Kontaktfläche 13, 13b entfernt, so wird entsprechend der elektrische Widerstand in Stapelrichtung z bzw. in Dickenrichtung innerhalb der so entstehenden Bipolarplatte 20 reduziert. In besonderen Ausführungen der Bipolarplatte 20 weist diese im Bereich der Kontaktfläche 13, 13b weitere Kanäle für ein Kühlmedium auf. Wird auch in diesen weiteren Kanälen die Kunststoff haut entfernt, so ist der Wärmeübergangskoeffizient in den weiteren Kanälen von der Bipolarplatte 20 ins Kühlmedium größer, so dass die Kühlung der Bipolarplatte 20 effektiver ist.