DE102020209811A1

DE102020209811A1 - Verfahren zur Reduzierung des Kontaktwiderstands zwischen einer Separatorplatte und einer Gasdiffusionslage einer Brennstoffzelle, Separatorplatte

Info

Publication number: DE102020209811A1
Application number: DE102020209811.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Berner; Marcus Wegner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2020-08-04
Publication date: 2022-02-10
Also published as: WO2022028998A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Kontaktwiderstands zwischen einer metallischen Separatorplatte (1), beispielsweise einer Monopolarplatte oder einer Bipolarplatte, und einer Gasdiffusionslage (2) einer Brennstoffzelle, bei dem die Separatorplatte (1) zumindest bereichsweise mit einer kohlenstoffbasierten Beschichtung (3) versehen wird. Erfindungsgemäß wird dem Kohlenstoff zur Ausbildung der Beschichtung (3) mindestens ein Elastomer als Binder zugegeben.Die Erfindung betrifft ferner eine Separatorplatte (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Kontaktwiderstands zwischen einer Separatorplatte, beispielsweise einer Monopolarplatte oder einer Bipolarplatte, und einer Gasdiffusionslage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Separatorplatte, beispielsweise eine Monopolarplatte oder eine Bipolarplatte, für eine Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, mit deren Hilfe Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in elektrische Energie, Wasser (H₂O) und Wärme gewandelt werden können. Eine Brennstoffzelle umfasst hierzu eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyten. Dieses Zellkernpaket ist üblicherweise beidseits von jeweils einer Gasdiffusionslage und einer Separatorplatte eingefasst. Die Separatorplatte ist in der Regel eine aus zwei Monopolarplatten bestehende Bipolarplatte. Aufgabe der Separatorplatte ist es, die Zufuhr von Wasserstoff und Luft, die Abfuhr von Wasserdampf sowie die Abgabe von thermischer und elektrischer Energie zu regeln. Die Separatorplatte weist daher zumindest auf ihrer der Gasdiffusionslage zugewandten Seite Vertiefungen zur Ausbildung von Strömungskanälen auf. Die nicht vertieften Bereiche bilden Kontaktflächen aus.
Separatorplatten haben einen entscheidenden Anteil sowohl an den Herstellungskosten als auch am Gewicht einer Brennstoffzelle. Seit einiger Zeit werden daher Anstrengungen in Form von Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten unternommen, die Leistungsfähigkeit und die Beständigkeit von Separatorplatten zu erhöhen. Großes Potential wird dabei rostfreiem Stahl als Basismaterial für eine Separatorplatte zugeschrieben, da rostfreier Stahl eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie gute mechanische Eigenschaften aufweist. Darüber hinaus ist das Material vergleichsweise günstig. Separatorplatten aus rostfreiem Stahl können zudem schnell und in hoher Stückzahl durch Präge- oder Hydroforming-Verfahren hergestellt werden. Allerdings passiviert der rostfreie Stahl in der sauren Medienumgebung der Brennstoffzelle durch Bildung von Chromoxid an der Oberfläche, was zu einer nicht tolerierbaren Erhöhung des Kontaktwiderstands führt.
Im Stand der Technik wurden daher bereits Separatorplatten aus rostfreiem Stahl und einer hierauf aufgebrachten Beschichtung vorgeschlagen. Die meisten konventionellen Beschichtungen sind jedoch kostspielig und neigen - aufgrund von Oberflächendefekten - zu einer lokalen Korrosion. Durch die Freisetzung der Korrosionsprodukte kann es in der Folge zu einer irreversiblen Schädigung der Brennstoffzelle kommen.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Kontaktwiderstand zwischen einer Separatorplatte und einer Gasdiffusionslage möglichst effektiv und dauerhaft zu reduzieren.
Zur Lösung der Aufgabe werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Separatorplatte angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagenen wird ein Verfahren zur Reduzierung des Kontaktwiderstands zwischen einer metallischen Separatorplatte, beispielsweise einer Monopolarplatte oder einer Bipolarplatte, und einer Gasdiffusionslage einer Brennstoffzelle. Bei dem Verfahren wird die Separatorplatte zumindest bereichsweise mit einer kohlenstoffbasierten Beschichtung versehen. Erfindungsgemäß wird dem Kohlenstoff zur Ausbildung der Beschichtung mindestens ein Elastomer als Binder zugegeben.
Durch die Verwendung eines Elastomers als Binder wird die Haftung der Beschichtung auf der Separatorplatte verbessert. Dies gilt insbesondere, wenn die Separatorplatte nach dem Beschichten mit der Gasdiffusionslage verbunden, vorzugsweise verpresst wird. Denn die dabei auftretenden Spannungen können über den Binder ausgeglichen werden. Oberflächendefekte und eine irreversible Schädigung der Separatorplatte werden auf diese Weise vermieden. Mit Hilfe des mindestens einen Elastomers als Binder wird eine stabile Verbindung der einzelnen Partikel des Kohlenstoffs untereinander sowie mit der Separatorplatte erreicht.
Da die Hauptaufgabe der Beschichtung darin besteht, den Kontaktwiderstand zwischen der Separatorplatte und der Gasdiffusionslage zu senken, wird ferner vorgeschlagen, dass die Ausgangsstoffe zur Ausbildung der Beschichtung überwiegend aus Kohlenstoff bestehen und der Binderanteil geringer als der Kohlenstoffanteil ist.
Bevorzugt beträgt der Kohlenstoffanteil mindestens 55 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 60 Gew.-%, weiterhin vorzugsweise mindestens 70 Gew.-%, und der Elastomeranteil maximal 45 Gew.-%, vorzugsweise maximal 40 Gew.-%, weiterhin vorzugsweise maximal 30 Gew.-% jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Ausgangsstoffe. Neben Kohlenstoff und Binder können darüber hinaus noch Zusatzstoffe enthalten sein, insbesondere um die Verarbeitungseigenschaften des Beschichtungsmaterials und/oder die Eigenschaften der späteren Beschichtung zu optimieren.
Als Binder wird vorzugsweise mindestens ein synthetischer Kautschuk, beispielsweise Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Polybutadien-Kautschuk und/oder Chloropren-Kautschuk, ein Naturkautschuk und/oder ein thermoplastisches Elastomer (TPE) verwendet.
Ferner wird vorgeschlagen, dass Ruß und/oder Graphit als Kohlenstoff verwendet wird. Diese Kohlenstoffe sind leicht verfügbar und vergleichsweise kostengünstig. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Kohlenstoff vor der Zugabe des Binders in eine Flüssigkeit, beispielsweise in Toluol, gegeben und dispers gelöst wird. Das heißt, dass zunächst eine Dispersion bzw. Suspension hergestellt wird, die dann mit dem Binder gemischt wird. Auf diese Weise kann eine bessere Durchmischung der Ausgangsstoffe erreicht werden. Zugleich kann über die Menge an Flüssigkeit die Konsistenz des Beschichtungsmaterials eingestellt werden. Vorzugsweise weist das Beschichtungsmaterial eine eher pastöse, insbesondere schlickerartige Konsistenz auf, da hierdurch der Beschichtungsprozess vereinfacht wird. Insbesondere wird ein Verlaufen bzw. Zerfließen des Beschichtungsmaterials auf der Separatorplatte beim Trocknen der Beschichtung verhindert.
Die Beschichtung wird bevorzugt in einer Dicke von 1 bis 100 µm, vorzugsweise von 10 bis 40 µm, ausgebildet. Dies kann beispielsweise in einem Dip-Coating-Prozess, einem Spray-Coating-Prozess oder in einem Siebdruckverfahren erfolgen. Die Auftragsart hängt insbesondere davon ab, ob die Separatorplatte vollflächig oder nur bereichsweise beschichtet wird. Beispielsweise kann die Beschichtung ausschließlich auf die Bereiche der Separatorplatte aufgebracht werden, die später unmittelbar an der Gasdiffusionslage anliegen. Denn bevorzugt weist die Separatorplatte Vertiefungen zur Ausbildung von Strömungskanälen auf, die nicht in Kontakt mit der Gasdiffusionslage gelangen. Insofern kann die Beschichtung auf die wenigen Kontaktflächen beschränkt werden.
Des Weiteren bevorzugt werden die beschichtete Separatorplatte und die Gasdiffusionslage unter Druck miteinander verpresst. Durch das Verpressen wird sichergestellt, dass alle Kontaktflächen der Separatorplatte in Kontakt mit der Gasdiffusionslage gelangen.
Um den Kontakt zwischen der Separatorplatte und der Gasdiffusionslage zu optimieren, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die beschichtete Separatorplatte und die Gasdiffusionslage vor dem Trocknen der Beschichtung miteinander verpresst werden. Die Gasdiffusionslage wird demnach in den noch feuchten Schlicker auf der Separatorplatte gedrückt. Die Gasdiffusionslage dringt somit tief in den Schlicker ein, so dass eine innige Verbindung zwischen der Separatorplatte und der Gasdiffusionslage erreicht wird.
Sollten das Beschichten der Separatorplatte und das Verpressen von Separatorplatte und Gasdiffusionslage zeitlich auseinanderfallen, so dass die Beschichtung zum Zeitpunkt des Verpressens bereits getrocknet ist, kann alternativ die Beschichtung vor dem Verpressen mit einem Lösemittel angelöst werden. Auf diese Weise kann eine ähnlich innige Verbindung zwischen der Separatorplatte und der Gasdiffusionslage erreicht werden.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus eine Separatorplatte, beispielsweise eine Monopolarplatte oder eine Bipolarplatte, für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die eine kohlenstoffbasierte Beschichtung aufweist. Erfindungsgemäß enthält die Beschichtung mindestens ein Elastomer als Binder. Das Elastomer fördert eine optimale Haftung der Beschichtung auf der Separatorplatte, insbesondere unter Belastung, da das Elastomer Spannungen aufzunehmen und auszugleichen vermag. Auf diese Weise wird ein optimaler Kontakt zwischen der Separatorplatte und der Gasdiffusionslage erreicht. Die einzelnen Partikel des in der Beschichtung enthaltenen Kohlenstoffs werden sowohl untereinander als auch an der Separatorplatte dauerhaft gebunden.
Bei dem Elastomer kann es sich insbesondere um einen synthetischen Kautschuk, beispielsweise Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Polybutadien-Kautschuk und/oder Chloropren-Kautschuk, einen Naturkautschuk und/oder ein thermoplastisches Elastomer (TPE) handeln. Als Kohlenstoff wird bzw. werden vorzugsweise Ruß und/oder Graphit verwendet.
Die Beschichtung weist bevorzugt eine Dicke von 1 bis 100 µm, vorzugsweise von 10 bis 40 µm, auf. Ferner bevorzugt weist die Beschichtung eine Porosität von 0 bis 50 %, vorzugsweise von 0 bis 30 %, bezogen auf. Mit der Porosität steigt die Gasdurchlässigkeit. Was grundsätzlich von Vorteil ist. Zugleich nimmt jedoch die elektrische Leitfähigkeit ab, so dass die angegebene maximale Porosität nicht überschritten werden sollte.
Da Separatorplatten in Brennstoffzellen zum Einsatz gelangen, wird ferner eine Brennstoffzelle mit mindestens einer erfindungsgemäßen Separatorplatte, beispielsweise einer Monopolarplatte oder einer Bipolarplatte, vorgeschlagen. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Separatorplatte führen zu einer Brennstoffzelle, deren Robustheit und damit Lebensdauer gesteigert ist und zudem einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Separatorplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vor und nach dem Beschichten,
2 einen schematischen Längsschnitt durch die beschichtete Separatorplatte der 1 vor und nach dem Verpressen mit einer Gasdiffusionslage, wobei die Darstellung auf der rechten Seite vergrößert ist, und
3 eine perspektivische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Separatorplatte.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der 1 ist auf der linken Seite eine noch unbeschichtete Separatorplatte 1 für eine Brennstoffzelle zu entnehmen. Die Separatorplatte 1 weist Vertiefungen 4 auf, die der Ausbildung von Strömungskanälen 6 dienen. Die nicht vertieften Bereiche bilden Kontaktflächen 5 aus, über welche ein Kontakt der Separatorplatte 1 mit einer Gasdiffusionslage 2 herstellbar ist (siehe 2, rechte Seite).
Bevor jedoch die Separatorplatte 1 mit der Gasdiffusionslage verbunden, vorzugsweise verpresst wird, wird auf die Separatorplatte 1 eine Beschichtung 3 aufgebracht, und zwar vorliegend ausschließlich auf die Kontaktflächen 5 (siehe 1, rechte Seite). Alternativ (nicht dargestellt) kann die Separatorplatte 1 vollflächig beschichtet werden. Je nach Material der Separatorplatte 1 kann eine vollflächige von Vorteil sein, beispielsweise um die Separatorplatte über die gesamte Fläche vor Korrosion zu schützen.
Vorzugsweise unmittelbar nach dem Beschichten werden die Separatorplatte 1 und die Gasdiffusionslage 2 miteinander verbunden, insbesondere verpresst. Dabei wird die Gasdiffusionslage 2 in die noch feuchte Beschichtung 3 gedrückt, so dass diese tief eindringt. Sofern das Verbinden bzw. Verpressen erst zu einem Zeitpunkt erfolgt, an dem die Beschichtung 3 bereits getrocknet ist, wird vorteilhafterweise die Beschichtung 3 mittels eines Lösungsmittels wieder angelöst, um die in der 2, rechte Seite dargestellte innige Verbindung zwischen der Separatorplatte 1 und der Gasdiffusionslage 2 zu erzielen.
Der 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Separatorplatte 1 zu entnehmen. Sie umfasst zwei aufeinanderliegende Metallbleche, die zur Ausbildung von Strömungskanälen 6 geprägt sind. Auf diese Weise werden als Strömungskanäle 6 dienende Vertiefungen 4 ausgebildet.
Die Metallbleche bilden jeweils eine Monopolarplatte aus, die zusammengesetzt eine Bipolarplatte ergeben. Als Separatorplatte 1 kann sowohl die einzelne Monopolarplatte als auch die Bipolarplatte bezeichnet werden. Die obere Monopolarplatte begrenzt eine erste Gasdiffusionslage 2, die von einem ersten Gas, beispielsweise Luft, durchströmt wird. In diesem Fall ist die Monopolarplatte auf der Kathodenseite einer Brennstoffzelle angeordnet. Die untere Monopolarplatte begrenzt dann eine weitere Gasdiffusionslage 2, die von einem weiteren Gas, beispielsweise Wasserstoff, durchströmt wird. Die untere Monopolarplatte ist dementsprechend auf der Anodenseite einer weiteren Brennstoffzelle angeordnet. Die beiden Monopolarplatten bzw. die eine Bipolarplatte trennen bzw. trennt somit einen Kathodenbereich 7 einer ersten Brennstoffzelle von einem Anodenbereich 8 einer weiteren Brennstoffzellen.
Die in der 3 dargestellte Bipolarplatte ist beidseitig im Bereich von Kontaktflächen 5 mit einer Beschichtung 3 versehen. Die Beschichtung 3 enthält Kohlenstoff sowie mindestens ein Elastomer als Binder. Alternativ zur dargestellten Ausführungsform kann die Beschichtung 3 auch nur einseitig, beispielsweise nur kathodenseitig oder nur anodenseitig, aufgebracht sein. Ferner kann die Beschichtung auch außerhalb der Kontaktflächen 5 aufgebracht sein.

Claims

Verfahren zur Reduzierung des Kontaktwiderstands zwischen einer metallischen Separatorplatte (1), beispielsweise einer Monopolarplatte oder einer Bipolarplatte, und einer Gasdiffusionslage (2) einer Brennstoffzelle, bei dem die Separatorplatte (1) zumindest bereichsweise mit einer kohlenstoffbasierten Beschichtung (3) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kohlenstoff zur Ausbildung der Beschichtung (3) mindestens ein Elastomer als Binder zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffanteil mindestens 55 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 60 Gew.-%, weiterhin vorzugsweise mindestens 70 Gew.-%, und der Elastomeranteil maximal 45 Gew.-%, vorzugsweise maximal 40 Gew.-%, weiterhin vorzugsweise maximal 30 Gew.-% jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Ausgangsstoffe beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Binder mindestens ein synthetischer Kautschuk, beispielsweise Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Polybutadien-Kautschuk und/oder Chloropren-Kautschuk, ein Naturkautschuk und/oder ein thermoplastisches Elastomer (TPE) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ruß und/oder Graphit als Kohlenstoff verwendet wird und/oder der Kohlenstoff vor der Zugabe des Binders in eine Flüssigkeit, beispielsweise in Toluol, gegeben und dispers gelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) in einer Dicke von 1 bis 100 µm, vorzugsweise von 10 bis 40 µm, ausgebildet wird, beispielsweise in einem Dip-Coating-Prozess, einem Spray-Coating-Prozess oder in einem Siebdruckverfahren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Separatorplatte (1) und die Gasdiffusionslage (2) unter Druck miteinander verpresst werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Separatorplatte (1) und die Gasdiffusionslage (2) vor dem Trocknen der Beschichtung (3) miteinander verpresst werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) vor dem Verpressen der beschichteten Separatorplatte (1) und der Gasdiffusionslage (2) mit einem Lösemittel angelöst wird.
Separatorplatte (1), beispielsweise Monopolarplatte oder Bipolarplatte, für eine Brennstoffzelle, aufweisend eine kohlenstoffbasierte Beschichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) mindestens ein Elastomer als Binder enthält, wobei vorzugsweise das Elastomer ein synthetischer Kautschuk, beispielsweise Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Polybutadien-Kautschuk und/oder Chloropren-Kautschuk, ein Naturkautschuk und/oder ein thermoplastisches Elastomer (TPE) ist.
Separatorplatte (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) eine Dicke von 1 bis 100 µm, vorzugsweise von 10 bis 40 µm, aufweist.