BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.

Stand der Technik

Eine Bipolarplatte kann mit einer Brennstoffzelle zusammengesetzt werden und diese im Betrieb bspw. mit einem Reaktionsgas und/oder einem Kühlfluid versorgen. Die Herstellung einer solchen Bipolarplatte mit integrierter Kanalstruktur kann bspw. durch einen Materialabtrag erfolgen, in der Regel durch Fräsen aus einem Vollmaterial. In einem sog. Stack, also einem Brennstoffzellenstapel, kann die Bipolarplatte zwischen zwei Brennstoffzellen angeordnet sein, es können insbesondere eine Mehr- bzw. Vielzahl Brennstoffzellen und Bipolarplatten jeweils abwechselnd aufeinander folgend angeordnet sein. Über die Anzahl der somit in Reihe geschalteten Brennstoffzellen lässt sich die Leistung bzw. Spannung des Stapels auf die Anwendung anpassen.

Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle anzugeben.

Dies wird erfindungsgemäß mit der Bipolarplatte nach Anspruch 1 gelöst. Diese weist einen Plattenkern mit einer metallischen Grundschicht auf, die den Plattenkem bedeckt. Der Plattenkern ist aus einem Aluminiummaterial vorgesehen, das bereits an sich aufgrund der vergleichsweise geringen Dichte eine gewichtsoptimierte Bauweise ermöglichen kann. Zudem lässt sich das Aluminiummaterial auch noch bei relativ kleinen Schicht- bzw. Foliendicken handhaben, was das Gewicht der Bipolarplatte weiter reduzieren kann. In Kontakt mit dem bzw. den Reaktionsgas/-gasen, bzw. auch in Kontakt mit Wasser, könnten aus dem Aluminiummaterial jedoch Aluminium-Ionen abgegeben werden, die z. B. für die Brennstoffzelle schädlich sein können. Dem wird mit der Beschichtung des Plattenkerns vorgebeugt, die ferner ein Oxidationsrisiko des Aluminiummaterials verringern kann. Die Ausbildung einer nicht leitfähigen Alumini- umoxidschicht an der Oberfläche des Plattenkerns würde nämlich Kontaktwiderstände und infolgedessen eine Verlustleistung in der Brennstoffzelle erhöhen. Bevorzugt bedeckt die metallische Grundschicht den Plattenkern vollständig, also seine beiden einander abgewandten Seitenflächen jeweils komplett.

Unabhängig von bzw. zusätzlich zu der Korrosionsschutzfunktion wird die metallische Grundschicht mit einer Mindestdicke von 2 pm vorgesehen, wobei weitere Untergrenzen bspw. bei mindestens 3 pm, 4 pm bzw. 5 pm liegen können. Eine vorteilhafte und bevorzugte Obergrenze kann bspw. bei 20 pm liegen. Auch wenn mit der relativ dicken Schicht ggf. der Materialverbrauch für die Grundschicht höher ist, als es allein zu Korrosionsschutzzwecken erforderlich wäre, kann dies in der Gesamtschau Vorteile ergeben. Die vergleichsweise dick gefasste Grundschicht kann nämlich den Plattenkem stabilisieren, ihm also eine strukturelle Stabilität verleihen, sodass der Plattenkern dünner gefasst werden kann.

In der Gesamtschau wird so mit dem Aluminium-Plattenkern ein gewichtsoptimierter Aufbau möglich, was mit Blick auf Mobilitätsanwendungen von besonderem Interesse sein kann. Dort werden einerseits große Leistungen abgerufen, können also bspw. großflächige Bipolarplatten bzw. kann eine große Anzahl Bipolarplatten zum Einsatz kommen, sodass deren Gewicht eine besondere Bedeutung zukommt. Andererseits kann ein erhöhtes Gewicht speziell bei den Mobilitätsanwendungen nachteilig sein, weil es den Energieverbrauch erhöhen kann.

Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher An- spruchskategorien zu lesen. Wird bspw. eine in bestimmter Weise hergestellte Bipolarplatte beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung des entsprechenden Herstellungsverfahrens zu verstehen, und umgekehrt. Ferner bezieht sich die Beschreibung einer bestimmten Bipolarplatte stets auch auf eine Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Bipolarplatte.

Die metallische Grundschicht grenzt bevorzugt direkt an den Plattenkem. Unabhängig davon enthält sie vorzugsweise zumindest anteilig Titan, besonders bevorzugt kann sie im Wesentlichen aus Titan bestehen, bspw. zu 99,9 Gew.-%.

Das „Aluminiummaterial“ muss im Allgemeinen kein reines Aluminium sein, es ist bspw. auch eine Legierung möglich. Bevorzugt ist aber ein zumindest überwiegender Aluminiumanteil (mindestens 50 Gew -%), wobei mindestens 60 Gew.-%, 70 Gew.- %, 80 Gew.-%, 90 Gew. -% bzw. 95 Gew.-% in der Reihenfolge der Nennung zunehmend weiter bevorzugt sind. Es kann auch weitgehend reines Aluminium vorgesehen sein, bspw. mit einem Aluminiumanteil von rund 99,98 Gew.-%.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Plattenkem eine Dicke von höchstens 100 pm, weiter und besonders bevorzugt höchstens 80 pm bzw. 70 pm. Mit dem Aluminiummaterial, das z. B. in Form einer Folie vorgesehen wird, können auch Dicken kleiner 70 pm zugänglich sein (bspw. von höchstens 65 pm bzw.

60 pm), anders als z. B. bei der Verwendung einer Titanfolie (die zudem auch eine höhere Dichte hätte). Mit Blick auf die Herstell- und Handhabbarkeit kann eine mögliche Untergrenze der Plattenkerndicke bspw. bei mindestens 30 pm liegen.

Wie vorstehend erwähnt, bildet die Bipolarplatte bevorzugt an ihren beiden einander abgewandten Seitenflächen jeweils eine Kanalstruktur, die im Betrieb der Brennstoffzelle bzw. des Stapels von Reaktionsgas(en) und/oder Kühlfluid durchströmt wird und/oder dem Abführen von Wasser dient. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Kanalstruktur in den Plattenkern eingeprägt, es kann insbesondere die Kanalstruktur auf einer Seite der Bipolarplatte komplementär zur Kanalstruktur auf der anderen Seite sein, also eine Erhebung auf der einen mit einer Vertiefung auf der anderen Seite korrespondieren, und umgekehrt. Zur Herstellung kann das Aluminiummaterial bspw. in Form einer Folie vorgesehen und kann die Kanalstruktur dann unter Druck mit einem Umformwerkzeug eingebracht werden, sodass die Kanalstruktur als Relief gebildet wird. Die Grundschicht wird dann bevorzugt erst danach aufgebracht, auf den zuvor umgeformten Plattenkern.

Die Grundschicht ist in bevorzugter Ausgestaltung Teil eines Mehrschichtsystems, das aus mindestens zwei Schichten aufgebaut ist. Die Schichten werden sequenziell aufgebracht bzw. abgeschieden, sie können sich bspw. in ihrem Material bzw. ihrer Materialzusammensetzung unterscheiden. Zusätzlich zu der Versiegelungsfunktion kann das Mehrschichtsystem bspw. auch aufgrund der mechanischen Eigenschaften von Vorteil sein, etwa im Vergleich zu einer Einzelschicht eine höhere mechanische Stabilität bieten und damit auch den relativ dünnen Plattenkern stabilisieren.

In bevorzugter Ausgestaltung weist das Mehrschichtsystem bzw. die Beschichtung eine nitridische Mittelschicht auf, die auf der metallischen Grundschicht angeordnet ist. Generell muss im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein „Angeordnet-Sein auf ‘ nicht zwingend ein Angrenzen implizieren, kann es also dazwischen auch noch eine weitere Schicht geben. Bevorzugt ist jedoch ein Angrenzen, wird also bspw. die Mittelschicht direkt auf die metallische Grundschicht aufgebracht. Die nitridische Mittelschicht kann bspw. vergleichsweise hart sein, also z. B. eine mechanische Stabilisierung schaffen, und/oder auch der Haftvermittlung bzw. dem Korrosionsschutz dienen. Die Schichtfolge metallisch/nitridisch kann in dem Mehrschichtsystem auch mehrfach, also in wiederholter Abfolge vorgesehen sein. Generell kann als nitridi- sches Material Titannitrid bevorzugt sein, besonders bevorzugt in Kombination mit einer Titan-Grundschicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Mehrschichtsystem bzw. die Beschichtung eine Deckschicht auf, die eine Leitfähigkeit von mindestens 1-10 ⁶ S/m hat. Bevorzugt kann die Deckschicht aus Kohlenstoff vorgesehen sein, insbesondere zur Erhöhung der Leitfähigkeit dotiertem Kohlenstoff.

Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit einer vorliegend offenbarten Bipolarplatte. Die Brennstoffzelle kann bspw. eine Katalysatorbeschichtete Membranlage catalyst coated membrane, CCM) aufweisen, die im Betrieb bspw. Wasser- und Sauerstoff trennt und zugleich die Protonen von der Anode zur Kathode transportiert. Ferner kann die Brennstoffzelle eine Gasdiffusionslage, insbesondere beidseits der katalysatorbeschichteten Membranlage jeweils eine Gasdiffusionslage aufweisen. Diese kann bzw. können einerseits das Reaktionsgas an die Elektrode der katalysatorbeschichteten Membranlage verteilen und andererseits den Strom von dort abführen (und bspw. auch Wasser und Wärme).

Die Bipolarplatte grenzt dann an eine Seite der Brennstoffzelle, insbesondere an deren Gasdiffusionslage. Auch an der entgegengesetzten Seite der Brennstoffzelle kann eine Bipolarplatte angeordnet sein, eine jeweilige Bipolarplatte ist in dem Stapel also jeweils zwischen zwei Brennstoffzellen platziert.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte bzw. einer Brennstoffzelle oder eines Stapels mit einer entsprechenden Bipolarplatte, wobei der Plattenkem mit der Grundschicht versehen, insbesondere beschichtet wird. Bevorzugt wird er zuvor hinsichtlich seines Außenumfangs in seine finale Form gebracht, wird er also bspw. vor dem Beschichten aus einer Folie ausgetrennt, z. B. ausgestanzt.

In bevorzugter Ausgestaltung wird dem Plattenkem die Kanalstruktur vor dem Beschichten mit einem Umformwerkzeug eingeprägt. Es wird also bspw. mit einem Stempel, vorzugsweise in Verbindung mit einer komplementären Matrix an der entgegengesetzten Seite, ein die Kanalstruktur bildendes Relief in das Folienmaterial eingedrückt. Die unbeschichtete Folie kann z. B. einfacher umzuformen sein, und es kann auch einer Beschädigung der Beschichtung beim Umformen vorgebeugt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Plattenkem vor dem Aufbringen der Beschichtung gereinigt, vorzugsweise in einem Ätzprozess. Die Reinigung kann insbesondere nach dem Umformen, also zwischen dem Einprägen der Kanalstruktur und vor dem Aufbringen der Beschichtung vorgenommen werden. Bevorzugt ist ein lonen-Ätzprozess, bspw. ein Ätzen mit Titan-Ionen. Auch unabhängig von der vorherigen Reinigung erfolgt die Beschichtung in bevorzugter Ausgestaltung durch Physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, P VD), bspw. in einem Arc- oder Sputter-PVD-Prozess.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Brennstoffzelle bzw. des Stapels mit einer vorliegend offenbarten Bipolarplatte in einer Antriebseinheit eines Flugzeugs oder Nutzfahrzeugs. Bei diesen Mobilitätsanwendungen können die Vorteile der gewichtsoptimierten Bauweise im Besonderen zum Tragen kommen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.

Im Einzelnen zeigt

Figur 1 einen Stack mit mehreren aneinandergesetzten Brennstoffzellen und jeweils einer Bipolarplatte dazwischen;

Figur 2 einen schematischen Detailschnitt durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Brennstoffzellenstapels 1, der aus mehreren in einer Stapelrichtung 2 aneinandergesetzten Brennstoffzellen 3 aufgebaut ist. Die Brennstoffzellen 3 weisen jeweils eine katalysatorbeschichtete Membranlage mit beidseits davon angeordneten Gasdiffusionslagen auf, wobei dieser Detailaufbau der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Zwischen zwei Brennstoffzellen 3 ist jeweils eine Bipolarplatte 4 angeordnet, die an ihren beiden einander entgegengesetzten Seiten 4.1, 4.2 jeweils eine Kanalstruktur 5.1, 5.2 zur Versorgung der Brennstoffzelle bzw. - zellen 3 mit dem Reaktionsgas bildet, also für den Verbrennungsprozess von Gas durchströmt wird, im vorliegenden Beispiel von Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft.

Endseitig werden die gestapelten Brennstoffzellen 4 von einer Monopolarplatte 6 und einer Stromabnehmerplatte 7 eingefasst, den mechanischen Zusammenhalt schafft eine Abdeckplatte 8. Diese wird von Zugankern 9 durchsetzt, damit wird die Abdeckplatte 8 unter Zug gegen die gestapelten Brennstoffzellen 3 verspannt. Am entgegengesetzten Ende (hier nicht dargestellt) ist der Stapel 1 analog aufgebaut, sind also eine Monopolarplatte, eine Stromabnehmerplatte und eine mit den Zugan- kem 9 verspannte Abdeckplatte angeordnet.

Fig. 2 zeigt einen Detailschnitt durch eine Bipolarplatte 4. Diese weist einen Plattenkern 20 auf, der an beiden Seiten 20. 1, 20.2 jeweils mit einer Beschichtung 21 versehen ist. Der Plattenkern 20 ist aus einer Aluminiumfolie gebildet (Aluminiumanteil von ca. 99,98 Gew.-%), die im vorliegenden Beispiel eine Dicke 22 von ca. 50 pm hat. Die Beschichtung 21 ist jeweils in Form eines Mehrschichtsystems 25 aufgebracht, beginnend mit einer metallischen Grundschicht 25. 1, die vorliegend aus Titan vorgesehen ist (zu ca. 99,9 Gew.-%) und eine Dicke von rund 10 pm hat.

Darauf ist eine nitridische Mittelschicht 25.2 angeordnet, hier aus Titannitrid, die mechanisch stabil ist und eine gute Sperrwirkung hat. Auf der Mittelschicht 25.2 ist optional eine Deckschicht 25.3 vorgesehen, die aus zur Erhöhung der Leitfähigkeit dotiertem Kohlenstoff gebildet werden kann. Wie in der Beschreibungseinleitung im Detail erläutert, lässt sich mit dem Plattenkern 20 aus Aluminium ein gewichtsoptimierter Aufbau realisieren, wobei die Beschichtung 21 einem Aluminiumeintrag in die Zellen bzw. einer Oxidation/Passivierung des Aluminiums vorbeugt. BEZUGSZEICHENLISTE

Brennstoffzellenstapel 1

Stapelrichtung 2

Brennstoffzelle(n) 3

Bipolarplatte(n) 4

Entgegengesetzte Seiten 4.1, 4.2

Kanalstruktur 5.1, 5.2

Monopolarplatte 6

Stromabnehmerplatte 7

Abdeckplatte 8

Zuganker 9

Plattenkern 20

Entgegengesetzte Seiten 20.1, 20.2

Beschichtung 21

Dicke 22

Mehrschichtsystem 25

Metallische Grundschicht 25.1

Nitridische Mittelschicht 25.2

Deckschicht 25.3