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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte. Bipolarplatten werden in Brennstoffzellensystemen eingesetzt. In der einfachsten Ausgestaltung umfasst ein Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen, die jeweils einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweisen. Die Brennstoffzellen werden meistens zu einem Brennstoffzellenstapel oder Stack zusammengefasst, wobei der Anodenraum und der Kathodenraum durch einen ionenselektiven Separator und durch Bipolarplatten begrenzt werden. Beispielsweise offenbart die
US 2005/0221150 A1 eine Bipolarplatte für ein Brennstoffzellensystem.
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Bipolarplatten müssen viele technische Anforderungen erfüllen. Für mobile Anwendungen sind insbesondere der Bauraum und das Gewicht wichtig. Bipolarplatten sollten möglichst dünn und möglichst leicht gestaltet sein. In Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen treten Betriebsbedingungen auf, bei denen selbst Edelstähle nicht langzeitstabil sind. Nach einigen tausend Stunden Betrieb kann Korrosion die Brennstoffzellenleistung erheblich beeinträchtigen. Daher werden seit einigen Jahren korrosionsfeste Beschichtungen für Bipolarplatten entwickelt. Die Anforderungen an die beschichteten Bipolarplatten umfassen vor allem gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, chemische und mechanische Beständigkeit sowie niedrige Kosten. Aus dem Stand der Technik bekannt sind Bipolarplatten, die aus mehreren metallischen Blechen gebildet sind. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2007 057 699 A1 eine metallische Blech-Bipolarplatte. Die Herstellung von Blech-Bipolarplatten ist aufgrund komplexer Geometrien vergleichsweise teuer.
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Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern bzw. zu beheben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle von einem Brennstoffzellensystem.
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Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Das Reaktionsprodukt der Reaktion in der Brennstoffzelle ist beispielsweise Wasser. Die Gase werden dabei in entsprechende Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt werden. Der Elektrolyt transportiert geladene Ionen zwischen den beiden Elektroden. Der Elektrolyt ist oft als Elektrolytmembran ausgebildet. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode in einem Anodenraum und eine Kathode in einem Kathodenraum, die durch einen ionenselektiven Separator voneinander getrennt sind. Der Anodenraum weist eine Zufuhr bzw. Anodenzuleitung für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Der Kathodenraum weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (auch Balance-of-Plant Komponenten oder BOP-Komponenten genannt), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst. Ferner kann die hier offenbarte Technologie auch in einem Redox-Brennstoffzellesystem Anwendung finden, wie es beispielsweise in der
WO 07122431 A1 gezeigt ist.
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Die Elektrolytmembran kann seinerseits von einem elektrisch leitfähigen, feinporigen Gasdiffusionsmedium (kurz GDL – engl.: Gas Diffusion Layer) eingefasst sein, das für einen elektrischen Kontakt sowie eine feingliedrige Verteilung der Reaktionsmedien über der Oberfläche der protonenleitenden Membran (kurz MEA – engl.: Membrane Electrode Assembly) sorgt. Die Zuführung von Brennstoff und Oxidationsmittel zur Anode und Kathode übernehmen die elektrisch leitfähigen Bipolarplatten, die die Membran-GDL-Einheit zu beiden Seiten einfassen. Die Bipolarplatten können dabei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Es kann bspw. eine Bipolarplatte zwei Topologien zur Ausbildung von zwei Strömungsfeldern aufweisen, insbesondere ein Strömungsfeld für den Brennstoff sowie ein Strömungsfeld für das Oxidationsmittel. Ferner können zwei Platten mit jeweils einem Strömungsfeld zu einer Bipolarplatte zusammengesetzt sein.
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Das hier offenbarte Verfahren umfasst die Schritte:
- – Bereitstellen eines Metallpulvers zur zumindest teilweisen Ausbildung einer metallischen Bipolarplatte; und
- – Herstellen von zumindest einem Teilbereich der metallischen Bipolarplatte im generativen Schichtbauverfahren.
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Bei einem generativen Schichtbauverfahren wird ein Werkstück Schicht für Schicht aufgebaut. Mittels generativer Schichtbauverfahren ist es möglich, beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen zu erzeugen. Beispielsweise kommen generative Schichtbauverfahren beim Rapid Prototyping zum Einsatz.
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Bevorzugt umfasst das generative Schichtbauverfahren eines der folgenden Verfahren: (selektives) Lasersintern, (selektives) Laserschmelzen, (selektives) Elektronenstrahlsintern oder (selektives) Elektronenstrahlschmelzen. Diese Verfahren sind an sich bekannt. Beim selektiven Lasersintern (SLS) handelt es sich um ein Flüssigphasensintern der metallischen Partikel. Das selektive Lasersintern ist ein Verfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen. Beim Lasersintern wird das Pulver nur partiell aufgeschmolzen. Hierzu kommt ein Kunststoff oder ein metallisches Pulver zum Einsatz. Beim selektiven Laserschmelzen kommt es zum vollständigen Aufschmelzen der Metallpartikel. Bei beiden Verfahren kommt ein Laser – bspw. ein CO2-Laser, ein Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser – zum Einsatz, der das Pulver partiell (Lasersintern) oder vollständig (Laserschmelzen) aufschmilzt. Beim selektiven Elektronenstrahlschmelzen bzw. beim selektiven Elektronenstrahlsintern (engl.: Electron Beam Melting) wird ebenfalls im generativen Schichtbauverfahren aus einem Metallpulver das zu erzeugende Bauteil generiert. Als Energiequelle dient hier nicht ein Laser, sondern ein Elektronenstrahl, der gezielt das Metallpulver an- bzw. aufschmilzt. Durch das Elektronenstrahlschmelzen bzw. Elektronenstrahlsintern lassen sich die Konturen des zu fertigenden Bauteils mit einer höheren Fertigungsgenauigkeit erstellen. Der schichtweise Aufbau erlaubt eine Variation der Werkstoffeigenschaften. Es kann also von einem Gradientenwerkstoff gesprochen werden, der hinsichtlich Dichte, Kornstruktur, chemischer Zusammensetzung bzw. Legierung über seine Prozessparameter verändert werden kann.
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Es können somit vergleichsweise komplexe 3D-Strukturen einfach geschaffen werden. Bspw. kann das Strömungsfeld (engl.: Flow Field) im generativen Schichtbauverfahren eingebracht werden.
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Bevorzugt kommt bei dem hier offenbarten Verfahren als Metallpulver ein Metallpulver zum Einsatz, welches Titan, Nickel und/oder Chrom sowie deren Legierungen, eine Ferrochromlegierung und/oder Edelmetalle umfasst. Die Korrosionseigenschaften und elektrische Leitfähigkeit der Komponenten bzw. Schichten können auch durch eine nachgelagerte oder integrierte Bildung von Karbiden, Oxiden oder Nitriden dieser Metalle eingestellt werden. Es können ebenso auch Mischungen aus metallischen und keramischen Pulvern verarbeitet werden. Auch rein keramische Lösungen sind denkbar. Ebenso ist eine Kombination mit keramischen und/oder metallischen Schichten (z. B. als Beschichtung) möglich. Die hier offenbarte Bipolarplatte umfasst zumindest eine Grundplatte mit zumindest einer Topologie zur Ausbildung eines Strömungsfeldes einer Brennstoffzelle.
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Die Grundplatte kann in einem generativen Schichtbauverfahren hergestellt sein, besonders bevorzugt durch Elektronenstrahlsintern bzw. Elektronenstrahlschmelzen.
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Das Verfahren kann zusätzlich den Schritt aufweisen: Selektives Aufbringen von Kontaktierung lediglich auf gegenüber den Vertiefungen der Topologie hervorstehenden Vorsprüngen der Topologie im generativen Schichtbauverfahren.
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Bevorzugt sind die Kontaktierungen aus Titan, Nickel, Chrom und/oder deren Legierungen und/oder Edelmetallen, z. B. Gold, ausgebildet. Nitride, Carbide (oder Oxide) der Metalle (insitu oder anschließend erzeugt) sind weitere zweckmäßige Ausprägungen.
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Kontaktierungen sind dabei Elemente, die geeignet sind, die an der Bipolarplatte angrenzende Materialschicht elektrisch und mechanisch zu kontaktieren. Allgemein gesprochen sind diese Kontaktierungen von ihrer Form her nicht eingeschränkt. Jedoch ist das Aufbringen dieser Kontaktierung bevorzugt beschränkt auf die Vorsprünge bzw. auf die Stirnflächen der Vorsprünge. Anders ausgedrückt umfasst dieses selektive Aufbringen bevorzugt nicht das großflächige Aufbringen von etwaigen Schichten über die komplette Topologieoberfläche der Bipolarplatte.
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Die Kontaktierungen können als Körner oder Inseln ausgestaltet sein, die nicht die gesamte Stirnfläche der Vorsprünge bedecken. Es handelt sich bevorzugt also nicht um eine Beschichtung, die die gesamte Stirnfläche bedeckt, sondern um partiell angeordnete Körner oder Inseln. Bevorzugt bedecken die Körner oder Inseln maximal 90%, ferner bevorzugt maximal 60% und besonders bevorzugt maximal 40% der Stirnfläche. Somit wird also der Bedarf an Titan, Nickel, Chrom und/oder deren Legierung und/oder von Edelmetallen weiter verringert. Titan, Nickel und Gold sind vergleichsweise teure Werkstoffe. Bei der hier offenbarten Technologie wird eine vergleichsweise geringe Menge an Titan und/oder Nickel gezielt eingesetzt, um Korrosionseigenschaften und elektrische Leitfähigkeit in gewünschter Höhe einzustellen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Grundplatte eine Ferrochrom-Legierung, wohingegen die Körner aus Titan oder aus einer Titan-Legierung hergestellt sind. Das Verfahren umfasst bevorzugt die Schritte:
- – Bereitstellen einer Grundplatte, und
- – selektives Aufbringen von Kontaktierung im generativen Schichtbauverfahren, bevorzugt im Elektronenstrahl-Sinterverfahren.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte 119, 119', 119'', und
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2 bis 4 Querschnittsansichten durch die Bipolarplatte 119.
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1 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren benachbarten Brennstoffzellen 10. Zwei benachbarte Bipolarplatten 119, 119', 119'' begrenzen jeweils eine Brennstoffzelle 10. In den Bipolarplatten 119, 119', 119'' sind jeweils Kühlmittelströmungspfade 144 angeordnet, durch die Kühlmittel K fließt. Die Aussparung 113 der Bipolarplatte 119 sowie der benachbarte Raum u. a. mit der Gasdiffusionsschicht 114 bildet hier den Anodenraum 112 aus, der durch die Bipolarplatte 119' und der Polymerelektrolytmembran 115 begrenzt wird. In diesem Anodenraum 112 führt die Brennstoffzelle 10 bzw. der Brennstoffzellenstapel Brenngas B, bspw. Wasserstoff. Die Aussparung 118 bildet zusammen mit der Gasdiffusionsschicht 117 den Kathodenraum 116 aus, durch den der Oxidationsmittelstrom O fließt. Seitlich begrenzt wird der hier gezeigte Brennstoffzellenstapel durch Endplatten, die hier nicht weiter erörtert werden.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine Bipolarplatte 119, wobei lediglich ein oberer Teil dargestellt ist. Die Grundplatte 100 umfasst einen unteren Basisteil 110 sowie eine Topologie 120. Die hier gezeigte Grundplatte 100 kann bspw. aus einem austenitischen oder ferritischen Edelstahl hergestellt sein, bspw. einem AISI 316 L. Die Topologie 120 umfasst Kanäle 113, die zusammen mit dem Volumen der Gasdiffusionsschicht 114 ein Strömungsfeld für den Brennstoff bilden. Zwischen zwei benachbarten Kanalabschnitten 113 erhebt sich aus der Vertiefung der beiden Kanalabschnitte 113 der Vorsprung 122. Auf diesen Vorsprüngen 122, insbesondere auf deren Stirnflächen 124 zu benachbarten Bauteilen der Bipolarplatte, sind Kontaktierungen 130 aufgebracht. In der hier dargestellten Ausführungsform bedecken diese Kontaktierungen 130 vollständig die Stirnflächen der Vorsprünge 122. Das Material, welches diese Kontaktierungen ausbildet, ist lediglich auf den Stirnflächen 124 der Vorsprünge 122 und nicht in den Vertiefungen der Kanäle 113 vorgesehen. Die Kontaktierungen 130 kontaktieren hier die Gasdiffusionsschicht 114. Die Grundplatte 100, die Kontaktierung 130 und die Gasdiffusionsschicht 114 sind im generativen Schichtbauverfahren hergestellt, hier durch Elektronenstrahlschmelzen.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Bipolarplatte 119. Die Ausgestaltung stimmt im Wesentlichen mit der Ausgestaltung gemäß der 2 überein. Lediglich unterschiedlich ausgebildet sind hier die Kontaktierungen 130. Die Kontaktierungen 130 sind hier auf den Stirnflächen 124 der Vorsprünge 122 der Topologie 120 als Körner bzw. Inseln 130 vorgesehen. Die Körner bzw. Inseln 130 bedecken nicht vollständig die Stirnflächen 124. Sie bedecken jedoch eine ausreichende Fläche der Stirnfläche 124, so dass sich eine gute elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit einstellt.
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4 zeigt einen weiteren Aspekt der hier offenbarten Bipolarplatte 119. Vereinfachend wurde hier die Gasdiffusionsschicht 114 sowie die Kontaktierungen 130 weggelassen. Diese können bspw. so wie in der 2 und 3 ausgeführt sein. Die hier dargestellte Bipolarplatte 119 weist ferner einen Kühlkanal 144 auf, der wiederum eine Vertiefung 145 umfasst. Solche komplexen Geometrien können mit dem hier offenbarten generativen Schichtbauverfahren einfach und kostengünstig hergestellt werden. Auch die hier gezeigte Grundplatte wird bevorzugt im Schichtbauverfahren hergestellt.
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Die 2 bis 4 zeigen die Gasdiffusionsschicht 114 und den Kanal 113 eines Anodenraums 112. Ebenso kann nach demselben Prinzip der Kathodenraum 116 mit der Gasdiffusionsschicht 117 und dem Kanal 118 ausgebildet werden. Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2005/0221150 A1 [0001]
- DE 102007057699 A1 [0002]
- WO 07122431 A1 [0005]
