Titel:

Bipolarplatte, elektrochemische Zelle und Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, eine elektrochemische Zelle - insbesondere eine Brennstoffzelle - und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle

Stand der Technik

Elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, mit Membran- Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweis aus der Offenlegungsschrift DE102015218117 (Al). Die Membran-Elektroden-Anordnungen weisen dabei üblicherweise eine Membran und auf beiden Seiten der Membran je eine Elektrodenschicht auf, optional auch noch Diffusionslagen. Die Membran und die Elektrodenschichten sind an ihrem Umfang von einer Rahmenstruktur eingefasst, oft wird hier auch von einem Subgasket gesprochen.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun eine Membran- Elektroden- Anordnung und eine Bipolarplatte zur Verfügung zu stellen, welche beim Stapeln gegenüber Verrutschen gesichert sind und so ein positionsgenaues Stapeln der einzelnen Komponenten zu einem Zellenstapel aus mehreren elektrochemischen Zellen ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst dazu zumindest eine Einlage für eine Verbindung zur einer Membran-Elektroden-Anordnung. Die Einlage kann anschließend mit der Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere mit einer Folie einer Rahmenstruktur der Membran-Elektroden-Anordnung, verschmolzen bzw. stoffschlüssig verbunden werden. Dazu ist die Einlage bevorzugt aus einem Polymer, besonders bevorzugt au einem thermoplastischem Polymer, beispielsweise PEN (Polyethylennaphthalat) gebildet. Vorteilhafterweise ist die Folie, mit welcher die Einlage verschmolzen wird, dabei aus dem gleichen Material wie die Einlage selbst gebildet.

In bevorzugten Weiterbildungen weist die Bipolarplatte in einer Verbindungsfläche zu der Einlage eine aufgeraute Fläche auf. Die aufgeraute Fläche kann beispielsweise durch eine Laserstrukturierung erzeugt werden und dient einer mechanischen Verkrallung der Einlage in der Bipolarplatte zur besseren Verbindung. Üblicherweise ist die Bipolarplatte aus Metall oder Graphit und kann eventuell mit einer aufgespritzten Einlage aus einem Polymer nur unzureichende Adhäsionskräfte ausbilden, sofern diese an einer vergleichsweise glatten Oberfläche ausgebildet werden. Die Aufrauhung der Oberfläche bzw. Kontaktfläche führt dann dazu, dass deutlich stärkere Adhäsionskräfte ausgebildet werden können, so dass die Einlage ausreichend fest mit der Bipolarplatte verbunden ist.

Die Erfindung umfasst auch eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einer Bipolarplatte und einer Membran- Elektroden- Einheit. Die Bipolarplatte weist eine Ausführung wie oben beschrieben auf. Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine Rahmenstruktur, wobei die Rahmenstruktur eine Folie aufweist. Die Folie ist mit der Einlage der Bipolarplatte verschmolzen, insbesondere stoffschlüssig verbunden. Dadurch wird eine für den Stapelvorgang ausreichende Festigkeit der Verbindung zwischen Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Anordnung erzielt, wobei dieser Verbund fürs Stapeln durch die erfindungsgemäßen Ausführungen so in engen Grenzen toleriert ist, dass Funktionsflächen von Bipolarplatten und Membran- Elektroden- Anordnungen sehr genau zueinander positioniert werden können.

Bevorzugt bestehen dazu die Bipolarplatte und die Folie aus dem gleichen Material, besonders bevorzugt einem thermoplastischem Polymer wie PEN. In vorteilhaften Herstellungsverfahren wird die Verbindung der Folie zu der Einlage thermisch - bevorzugt mittels eines Heißstempels - erzeugt. Dadurch kann während der Fertigung die Membran- Elektroden-Anordnung zur Bipolarplatte zunächst positioniert werden ohne dass störende Klebekräfte wirken. Die Klebekräfte werden dann erst anschließend mittels des Heißstempels aktiviert bzw. erzeugt.

Vorliegende Erfindung umfasst demzufolge auch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle nach einer der obigen Ausführungen.

Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:

• Positionieren der Folie zu der Einlage.

• Verschmelzen der Folie mit der Einlage mittels eines Heißstempels.

Indem die Folie zu der Einlage positioniert wird, wird also die Membran- Elektroden-Anordnung zu der Bipolarplatte positioniert, es wird quasi eine elektrochemische Zelle gebildet. Erst anschließend werden die Folie und die Einlage miteinander verschmolzen, so dass die Positionierung ohne störende Adhäsionskräfte durchgeführt werden kann.

Die Erfindung betrifft auch weitere elektrochemische Zellen, wie Batteriezellen und Elektrolysezellen.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.

Es zeigen schematisch: Fig. 1 den Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,

Fig. 2 in einer perspektivischen Explosionsansicht eine elektrochemische Zelle mit einer Membran- Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,

Fig. 3 eine Membran- Elektroden-Anordnung in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Rahmenstruktur, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,

Fig. 5 einen Ausschnitt einer Bipolarplatte mit einer Einlage im Querschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Figur 1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt- Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet.

Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran- Elektroden-Anordnung 1. Optional können auch die beiden Diffusionslagen 5, 6 noch Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1 sein. Optional können eine oder beide Diffusionslagen 5, 6 auch wegfallen, sofern die Verteilerplatten 7, 8 für ausreichend homogene Gaszuführungen sorgen können. Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -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 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.

Üblicherweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte 20 zusammengefasst.

Figur 2 zeigt dazu schematisch die Anordnung einer Membran- Elektroden- Anordnung 1 zwischen zwei Bipolarplatten 20 in perspektivischer Explosionsdarstellung. In Figur 2 sind auch Verteileröffnungen 30 zu sehen, welche sowohl in der Membran-Elektroden-Anordnung 1 als auch in den Bipolarplatten 20 in Form von Ausnehmungen gebildet sind. Beim Übereinanderstapeln der Elektrochemischen Zellen 100 bilden die Verteileröffnungen 30 dann Verteilerkanäle in Stapelrichtung z, von denen die einzelnen Kanäle 11 der gestapelten elektrochemischen Zellen 100 mit Medien versorgt werden. Vorteilhafterweise haben jede Membran-Elektroden-Anordnung 1 und jede Bipolarplatte 20 insgesamt sechs Verteileröffnungen 30, nämlich je einen Ein- und Auslass für die drei Medien Anodengas, Kathodengas und Kühlmedium.

Für einen Zellenstapel, welcher aus mehreren - beispielsweise bis zu 500 - elektrochemischen Zellen 100 besteht, müssen also dementsprechend viele Membran- Elektroden-Anordnungen 1 und Bipolarplatten 20 alternierend gestapelt werden. Hierbei müssen die Bipolarplatten 20 und Membran- Elektroden-Anordnungen 1 positionsgenau aufeinander platziert werden, um die bestmögliche Überlappung der funktionellen Bereiche und damit die Funktion des gesamten Zellenstapels zu gewährleisten. Funktionelle Bereiche sind dabei beispielsweise die Kanäle 11 und Stege 12, oder aber auch die Verteileröffnungen 30 oder nicht dargestellte Dichtungen.

Um beim Stapeln der Membran-Elektroden-Anordnungen 1 und Bipolarplatten 20 zu einem Zellenstapel ein positionsgenaues Stapeln ohne Verrutschen zu gewährleisten, wird nun die Membran- Elektroden-Anordnung 1 an die Bipolarplatte 20 angeheftet. Dies kann direkt beim Stapeln der einzelnen Zellen 100 zu einem Zellenstapel erfolgen. Alternativ kann auch jeweils eine Membran- Elektroden-Anordnung 1 mit einer Bipolarplatte 20 verbunden werden und anschließend die so entstandenen Zellen 100 zu einem Zellenstapel gestapelt, ausgerichtet und verpresst werden. Die Schreibweise „Zelle“ betrifft dann genau genommen nicht eine einzelne funktionsfähige elektrochemische Zelle 100, welche aus der Membran- Elektroden-Anordnung 1 und je einer Hälfte von zwei Bipolarplatten 20 besteht, sondern eben die Verbindung einer ganzen Bipolarplatte 20 mit einer Membran- Elektroden-Anordnung 1.

Erfindungsgemäß weist die Bipolarplatte 20 nun Einlagen 21 auf, insbesondere polymere Einlagen 21, welche beispielsweise bei der Herstellung der Bipolarplatte 20 mittels Spritzguss in die Bipolarplatte 20 integriert werden können. Die Ausführung der Figur 2 zeigt dazu beispielhaft zwei diagonal gegenüberliegende Einlagen 21 an der unteren Bipolarplatte 20, welche mit der darüber liegenden Membran-Elektroden-Anordnung 1 verbunden werden können, insbesondere stoffschlüssig verbunden werden können, so dass für den Stapelvorgang zu einem Zellenstapel eine Vielzahl von Paaren aus je einer Bipolarplatte 20 und einer Membran-Elektroden-Anordnung 1 zur Verfügung stehen. Die polymeren Einlagen 21 können dazu bevorzugt mit einer Rahmenstruktur der Membran-Elektroden-Anordnung 1 stoffschlüssig verbunden werden.

Figur 3 zeigt eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt. Die Membran-Elektroden- Anordnung 1 weist in ihrer Mitte eine aktive Fläche 15 auf. Hier sind zumindest die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4- optional auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 - angeordnet. Die aktive Fläche 15 wirkt in den elektrochemischen Zellen 100 dann mit den Kanälen 11 und Stegen 12 der Verteilerplatten 7, 8 bzw. der Bipolarplatten 20 zusammen. Die aktive Fläche 15 ist von einer Rahmenstruktur 16 eingefasst, in vorliegender Ausführung ist die Rahmenstruktur 16 die aktive Fläche 15 über den gesamten Umfang umgebend ausgeführt. In der Rahmenstruktur 16 sind die Verteileröffnungen 30 für die Medien Anodengas, Kathodengas und Kühlmedium ausgebildet.

Figur 4 zeigt in einem Vertikalschnitt die Membran-Elektroden-Anordnung 1 einer elektrochemischen Zelle 100, insbesondere einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Membran-Elektroden- Anordnung 1 weist die Membran 2, beispielhaft eine Polymerelektrolytmembran (PEM), und die zwei porösen Elektrodenschichten 3 bzw. 4 mit jeweils einer Katalysatorschicht auf, wobei die Elektrodenschichten 3 bzw. 4 jeweils an eine Seite der Membran 2 angeordnet sind. Weiter weist die elektrochemische Zelle 100 die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 auf, welche je nach Ausführung auch zur Membran-Elektroden-Anordnung 1 gehören können.

Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 ist an ihrem Umfang von der Rahmenstruktur 16 umgeben, hier spricht man auch von einem Subgasket. Die Rahmenstruktur 16 dient der Steifigkeit und der Dichtheit der Membran- Elektroden-Anordnung 1 und ist ein nicht-aktiver Bereich der elektrochemischen Zelle 100.

Die Rahmenstruktur 16 ist im Schnitt insbesondere U-förmig bzw. Y-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine erste Folie 161 aus einem ersten Werkstoff W1 gebildet ist und ein zweiter Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine zweite Folie 162 aus einem zweiten Werkstoff W2 gebildet ist. Zusätzlich sind die erste Folie 161 und die zweite Folie 162 mittels eines Klebemittels 163 aus einem dritten Werkstoff W3 zusammengeklebt. Häufig sind der erste Werkstoff W1 und der zweite Werkstoff W2 identisch und aus thermoplastischem Polymer, beispielsweise aus PEN (Polyethylennaphthalat) ausgeführt. Die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 sind quasi in die Rahmenstruktur 16 eingelegt, üblicherweise so, dass sie über der aktiven Fläche der elektrochemischen Zelle 100 mit je einer Elektrodenschicht 3, 4 in Kontakt sind.

Die erste Folie 161 weist eine erste Verbindungsfläche 161a für die spätere Verbindung zu einer oder mehrere Einlagen 21 einer Bipolarplatte 20 auf. Und die zweite Folie 162 weist eine zweite Verbindungsfläche 162a für die spätere Verbindung zu einer oder mehrerer Einlagen 21 einer weiteren Bipolarplatte 20 auf. Somit wird für den Stapelprozess jeweils eine Bipolarplatte 20 mit einer Folie 161, 162 der Membran- Elektroden-Anordnung 1 verbunden.

Figur 5 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 20 im Querschnitt. Die Bipolarplatte 20 weist die Einlage 21 auf, welche in Stapelrichtung z an der Bipolarplatte 20 - genau genommen an einem Grundkörper 22 der Bipolarplatte 20 - angebracht ist. Die Einlage 21 kann dabei beispielsweise auf den Grundkörper 22 aufgespritzt sein, oder in einer Ausnehmung bzw. Nut des Grundkörpers 22 angeordnet sein. Bevorzugt ist die Einlage 21 dabei mittels einer mechanischen Verkrallung an die Bipolarplatte 20 bzw. an den Grundkörper 22 angebunden. Die mechanische Verkrallung wird über eine aufgeraute Fläche 23 der Bipolarplatte 20 bzw. des Grundkörpers 22 erzielt. Die aufgeraute Fläche 23 kann beispielsweise mittels einer Oberflächenvorbehandlung - bevorzugt mittels Laserstrukturierung - erreicht werden und besitzt eine vergleichsweise hohe Rauheit. Die Einlage 21 wirkt mit der aufgerauten Fläche 23 derart zusammen, dass mechanische Verkrallungen oder auch Hinterschnitte entstehen, welche zu einer starken Adhäsion zwischen der Bipolarplatte 20 und der Einlage 21 führen.

Für die Verbindung einer Bipolarplatte 20 mit einer Membran- Elektroden- Anordnung 1 werden also die Bipolarplatte 20 und die Membran- Elektroden- Anordnung 1 passgenau übereinandergelegt, dann die die Bipolarplatte 20 kontaktierende erste Folie 161 bzw. zweite Folie 162 lokal im Bereich der Einlage(n) 21 aufgeschmolzen, bevorzugt mittels eines Heißstempels, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Folie 161, 162 und der Einlage 21 entsteht. Die mechanische Verkrallung zwischen dem Grundkörper 22 der Bipolarplatte 20 und der Einlage 21 sorgt bevorzugt dafür, dass sich die Einlage 21 nicht von der Bipolarplatte 20 ablösen kann.