DE102009059763A1 - Bipolar plate producing method, involves removing reaction particle developed in coating process and impurities after coating process from plates in cleaning process e.g. mechanical and/or chemical cleaning process - Google Patents

Bipolar plate producing method, involves removing reaction particle developed in coating process and impurities after coating process from plates in cleaning process e.g. mechanical and/or chemical cleaning process Download PDF

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Abstract

The method involves coating plates with a catalyst (K) in a coating process. A reaction particle developed in the coating process and impurities after the coating process are removed from the plates in a cleaning process e.g. mechanical and/or chemical cleaning process. The plates are processed and/or brushed by ultrasound and/or high pressure during the mechanical cleaning process. A protective layer is formed by a mask, where the protective layer is resistant against the catalyst to be applied.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, welche aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte gebildet wird, wobei die erste Platte und die zweite Platte in einem Beschichtungsprozess mit einem Katalysator beschichtet werden.The invention relates to a method for producing a bipolar plate, which is formed from a first plate and a second plate, wherein the first plate and the second plate are coated in a coating process with a catalyst.

Aus dem Stand der Technik sind allgemein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen bekannt, wobei eine Brennstoffzelle einen Brennstoffzellenstapel (auch Brennstoffzellenstack genannt) umfasst. Dabei bilden Bipolarplatten Elektroden, welche jeweils durch eine Membran, insbesondere eine Membran-Elektroden-Einheit (im Englischen: membrane electrode assembly) oder ein Elektrolyt elektrisch voneinander getrennt sind. Die Bipolarplatten werden aus einer einzelnen Platte oder zwei miteinander verbundenen Platten gebildet, wobei die Außenseiten der Bipolarplatte jeweils derart mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet werden, dass eine Außenseite die Anode und die verbleibende Außenseite die Kathode der Bipolarplatte bildet.In general, methods for the production of fuel cells are known from the prior art, wherein a fuel cell comprises a fuel cell stack (also called fuel cell stack). In this case, bipolar plates form electrodes which are each electrically separated from one another by a membrane, in particular a membrane electrode assembly (an English: membrane electrode assembly) or an electrolyte. The bipolar plates are formed from a single plate or two interconnected plates, wherein the outer sides of the bipolar plate are each coated with an electrically conductive material such that an outer side forms the anode and the remaining outer side forms the cathode of the bipolar plate.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte anzugeben, mittels welchem eine Qualität, insbesondere eine Leistungsfähigkeit und eine Langlebigkeit der Bipolarplatte erhöht werden.The invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved method for producing a bipolar plate, by means of which a quality, in particular a performance and longevity of the bipolar plate can be increased.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by a method having the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte wird diese aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte gebildet, wobei die erste Platte und die zweite Platte in einem Beschichtungsprozess mit einem Katalysator beschichtet werden.In the method for producing a bipolar plate, this is formed from a first plate and a second plate, wherein the first plate and the second plate are coated in a coating process with a catalyst.

Erfindungsgemäß werden in dem Beschichtungsprozess entstehende Reaktionspartikel und Verunreinigungen nach dem Beschichtungsprozess in einem Reinigungsprozess von der ersten Platte und der zweiten Platte entfernt.According to the invention, reaction particles and impurities arising in the coating process are removed from the first plate and the second plate after the coating process in a cleaning process.

Während des Reinigungsprozesses werden die Reaktionspartikel und Verunreinigungen insbesondere mittels eines mechanischen und/oder chemischen Reinigungsverfahrens derart entfernt, dass eine Beschädigung der Beschichtung und der Bipolarplatte vermieden wird.During the cleaning process, the reaction particles and impurities are removed in particular by means of a mechanical and / or chemical cleaning process in such a way that damage to the coating and the bipolar plate is avoided.

Daraus resultiert in besonders vorteilhafter Weise, dass Inhomogenitäten, so genannte ”droplets”, welche aus den Reaktionspartikeln und Verunreinigungen resultieren, auf den Beschichtungsoberflächen vermieden werden. Somit werden Kontaminationen von Medien, beispielsweise eines Kühlmediums, während eines Betriebs eines Brennstoffzellenstapels, welcher mehrere Bipolarplatten umfasst, vermieden oder zumindest verringert, so dass eine elektrische Leistungsfähigkeit der Bipolarplatte und daraus folgend des Brennstoffzellenstapels erhöht ist. Dabei wird insbesondere auch vermieden, dass sich während des Betriebs Partikel und Inhomogenitäten von der Bipolarplatte lösen und eine Membran-Elektroden-Einheit kontaminieren und/oder Reaktionsgaskanäle der Bipolarplatte verstopfen. Weiterhin resultiert aus der hohen Qualität der Bipolarplatte und den gleich bleibenden physikalischen und chemischen Eigenschaften der Medien sowie den gleich bleibenden Eigenschaften der Bipolarplatte ein gleichmäßiger Betrieb des Brennstoffzellenstapels, so dass auch eine Lebensdauer der Bipolarplatten und des Brennstoffzellenstapels erhöht ist.This results in a particularly advantageous manner that inhomogeneities, so-called "droplets", which result from the reaction particles and impurities are avoided on the coating surfaces. Thus, contamination of media, such as a cooling medium, during operation of a fuel cell stack that includes multiple bipolar plates is avoided or at least reduced, so that electrical performance of the bipolar plate and consequent fuel cell stack is increased. In particular, it is also avoided that particles and inhomogeneities detach from the bipolar plate during operation and contaminate a membrane-electrode assembly and / or block reaction gas channels of the bipolar plate. Furthermore, resulting from the high quality of the bipolar plate and the consistent physical and chemical properties of the media and the consistent characteristics of the bipolar plate uniform operation of the fuel cell stack, so that a lifetime of the bipolar plates and the fuel cell stack is increased.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to a drawing.

Dabei zeigt:Showing:

1 schematisch eine Bipolarplatte und eine auf dieser angeordnete Beschichtung. 1 schematically a bipolar plate and a coating arranged on this.

Die einzige 1 zeigt eine Bipolarplatte 1 und eine auf dieser angeordnete Beschichtung, welche als Katalysator K ausgebildet ist.The only 1 shows a bipolar plate 1 and a coating disposed thereon, which is formed as a catalyst K.

Mehrere dieser Bipolarplatten 1 werden zur Erzeugung eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellenstapels mit ebenfalls nicht dargestellten Membran-Elektroden-Einheiten abwechselnd übereinander gestapelt. Dabei werden mehrere gebildete Brennstoffzellen elektrisch in Serie geschaltet und planparallel übereinander gestapelt. Jede dieser Brennstoffzellen weist als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt, insbesondere eine Elektrolytmembran, auf, die zusammen die Membran-Elektroden-Einheit (kurz MEA bezeichnet) bilden.Several of these bipolar plates 1 are alternately stacked to produce a non-illustrated fuel cell stack with membrane electrode units also not shown. Several fuel cells formed are electrically connected in series and stacked plane-parallel one above the other. Each of these fuel cells has, as electrodes in the form of gas diffusion electrodes, an anode, a cathode and an electrolyte arranged therebetween, in particular an electrolyte membrane, which together form the membrane-electrode unit (MEA for short).

Die jeweilige, zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten angeordnete Bipolarplatte 1 dient dabei der Beabstandung der Membran-Elektroden-Einheiten, dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle wie Brennstoff und Oxidator über die angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu den Membran-Elektroden-Einheiten hin offenen Kanälen, der Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und der Kathode von benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen.The respective bipolar plate arranged between two membrane-electrode units 1 serves the spacing of the membrane-electrode assemblies, the distribution of reactants for the fuel cell such as fuel and oxidizer on the adjacent membrane-electrode assemblies and the removal of the reactants in designated, each open to the membrane-electrode units channels the removal of the heat of reaction via a coolant carried in separate coolant channels and the establishment of an electrical connection between the anode and the cathode of adjacent membrane-electrode assemblies.

Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe (kurz: Reaktionsgase) eingesetzt, z. B. Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gas, wie z. B. so genanntes Reformatgas, als Brennstoff und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z. B. Luft, als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffen werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte, wie z. B. Wasser oder Restbrenngas.The reactants used are a fuel and an oxidizing agent. Most gaseous reactants (in short: reaction gases) are used, for. B. hydrogen or a hydrogen-containing gas, such as. As so-called reformate gas, as a fuel and oxygen or an oxygen-containing gas such. As air, as an oxidizing agent. Reactants are all substances involved in the electrochemical reaction understood, including the reaction products such. As water or residual fuel gas.

Die jeweilige Bipolarplatte 1 besteht dabei aus zwei planparallel miteinander verbundenen Formteilen, welche als Platten ausgebildet sind. Dabei dient eine der Platten als Anodenplatte zur Verbindung mit der Anode der Membran-Elektroden-Einheit und die verbleibende der Platten als Kathodenplatte zur Verbindung mit der Kathode der anderen Membran-Elektroden-Einheit.The respective bipolar plate 1 consists of two plane-parallel interconnected moldings, which are formed as plates. In this case, one of the plates serves as an anode plate for connection to the anode of the membrane-electrode assembly and the remaining of the plates as a cathode plate for connection to the cathode of the other membrane-electrode assembly.

An der der einen Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Oberfläche der Anodenplatte sind dabei Anodenkanäle zur Verteilung eines Brennstoffs entlang der einen Membran-Elektroden-Einheit angeordnet, wobei an der der anderen Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Oberfläche der Kathodenplatte Kathodenkanäle zur Verteilung des Oxidators über der anderen Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sind. Die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle haben keine Verbindung miteinander.At the surface of the anode plate facing a membrane-electrode unit, anode channels for distributing a fuel are arranged along the membrane-electrode unit, wherein cathode channels for distributing the oxidizer are disposed on the surface of the cathode plate facing the other membrane-electrode unit the other membrane electrode assembly are arranged. The cathode channels and the anode channels are not connected to each other.

Die Kathoden- und Anodenkanäle werden dabei von durch Erhebungen (im Weiteren Stege genannt) voneinander getrennten Vertiefungen (im Weiteren Kanäle genannt) auf den jeweils den Membran-Elektroden-Anordnungen zugewandten Oberflächen der Anoden- und Kathodenplatte gebildet. Die Kathoden- und Anodenplatte sind vorzugsweise geformt, insbesondere hohl geprägt. Die Stege und Kanäle werden beispielsweise diskontinuierlich durch Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder dergleichen, oder kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen hergestellt.In this case, the cathode and anode channels are formed by depressions (referred to below as channels) which are separated from one another by elevations (referred to below as webs) on the surfaces of the anode and cathode plates which respectively face the membrane electrode assemblies. The cathode and anode plate are preferably shaped, in particular hollow embossed. The ridges and channels are produced, for example, discontinuously by forming, deep drawing, extrusion or the like, or continuously by rolling or drawing.

Nach dem Umformen werden weitere Bearbeitungsschritte ausgeführt, welche beispielsweise verschiedene Reinigungsprozesse, Trennprozesse, mechanische und/oder chemische Oberflächenbearbeitungen, Schneidprozesse, Fügeprozesse und/oder Qualitätskontrollen umfassen.After the forming, further processing steps are carried out, which include, for example, various cleaning processes, separation processes, mechanical and / or chemical surface treatments, cutting processes, joining processes and / or quality controls.

Weiterhin wird in einem der Bearbeitungsschritte auf die Platten ein Katalysator K aufgebracht, welcher zur katalytischen Oxidation des Brennstoffs erforderlich ist. Dieses Aufbringen erfolgt vorzugsweise mittels einer physikalischen Gasphasenabscheidung, auch als PVD-Verfahren (aus dem Englischen: physical vapor deposition) bekannt. Dabei werden die erste Platte und die zweite Platte vor dem Beschichtungsprozess zumindest in Teilabschnitten, welche nicht elektrisch leitfähig sein sollen und in welchen der anschließende Laserschweißprozess erfolgt, maskiert. Die Maske bildet hierbei eine Schutzschicht, welche derart beständig gegenüber dem aufzubringenden Katalysator K ist, dass die Maske bei dem Beschichtungsvorgang nicht zu beschichtende Teilbereiche der Platten derart schützt, dass diese nicht beschichtet werden.Furthermore, in one of the processing steps on the plates, a catalyst K is applied, which is required for the catalytic oxidation of the fuel. This application is preferably carried out by means of a physical vapor deposition, also known as PVD (Physical Vapor Deposition). In this case, the first plate and the second plate are masked before the coating process, at least in sections which are not intended to be electrically conductive and in which the subsequent laser welding process takes place. In this case, the mask forms a protective layer which is so resistant to the catalyst K to be applied that during the coating process the mask protects portions of the plates which are not to be coated in such a way that they are not coated.

Bei dieser Beschichtung können sich Reaktionspartikel und Verunreinigungen auf der Oberfläche des Katalysators K bilden, die so genannte Inhomogenitäten hervorrufen. Diese Inhomogenitäten können weiterführend zu Kontaminationen von Medien, insbesondere eines Kühlmediums, während eines Betriebs der Brennstoffzelle führen und somit deren elektrische Leistungsfähigkeit mindern. Auch können sich die Partikel während des Betriebs lösen und in die Membran-Elektroden-Einheit gelangen und/oder Reaktionsgaskanäle der Bipolarplatte 1 verstopfen, so dass neben der verringerten elektrischen Leistung auch eine Lebensdauer der Bipolarplatte 1 und der Brennstoffzelle begrenzt ist.In this coating, reaction particles and impurities on the surface of the catalyst K can form, causing so-called inhomogeneities. These inhomogeneities can lead to further contamination of media, in particular a cooling medium, during operation of the fuel cell and thus reduce their electrical performance. Also, the particles may dissolve during operation and enter the membrane-electrode assembly and / or reaction gas channels of the bipolar plate 1 clog, so that in addition to the reduced electrical power and a lifetime of the bipolar plate 1 and the fuel cell is limited.

Deshalb werden erfindungsgemäß nach dem Beschichtungsprozess in diesem entstehende Reaktionspartikel und Verunreinigungen in einem Reinigungsprozess von der ersten Platte und der zweiten Platte entfernt. Hierzu werden ein oder mehrere mechanische und/oder chemische Reinigungsverfahren verwendet, wobei besonders bevorzugt eine Ultraschallreinigung, ein Hochdruckreinigen oder ein ”sanftes” Bürsten verwendet. Dabei ist die Erfindung jedoch auf die genannten Reinigungsverfahren beschränkt. Es sind vielmehr alle Reinigungsverfahren verwendbar, welche die Schicht des Katalysators K und die Bipolarplatte 1 nicht beschädigen.Therefore, according to the invention, after the coating process in the resulting reaction particles and impurities are removed in a cleaning process from the first plate and the second plate. For this purpose, one or more mechanical and / or chemical cleaning methods are used, particularly preferably an ultrasonic cleaning, a high-pressure cleaning or a "gentle" brushing used. However, the invention is limited to the mentioned cleaning methods. Rather, all cleaning methods can be used which comprise the layer of the catalyst K and the bipolar plate 1 do not damage.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Bipolarplattebipolar
KK
Katalysatorcatalyst

Claims (3)

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1), welche aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte gebildet wird, wobei die erste Platte und die zweite Platte in einem Beschichtungsprozess mit einem Katalysator (K) beschichtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Beschichtungsprozess entstehende Reaktionspartikel und Verunreinigungen nach dem Beschichtungsprozess in einem Reinigungsprozess von der ersten Platte und der zweiten Platte entfernt werden.Method for producing a bipolar plate ( 1 ), which is formed from a first plate and a second plate, wherein the first plate and the second plate are coated in a coating process with a catalyst (K), characterized in that formed in the coating process reaction particles and impurities after the coating process in a Cleaning process to be removed from the first plate and the second plate. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reinigungsprozess die Reaktionspartikel und Verunreinigungen mittels eines mechanischen und/oder chemischen Reinigungsverfahrens entfernt werden.A method according to claim 1, characterized in that in the cleaning process, the reaction particles and impurities are removed by means of a mechanical and / or chemical cleaning process. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des mechanischen Reinigungsverfahrens die erste Platte und die zweite Platte mittels Ultraschall und/oder Hochdruck bearbeitet werden und/oder gebürstet werden.A method according to claim 2, characterized in that during the mechanical cleaning process, the first plate and the second plate are processed by means of ultrasound and / or high pressure and / or brushed.
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