DE102015226753A1

DE102015226753A1 - Verfahren zur Herstellung einer Strömungsplatte für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102015226753A1
Application number: DE102015226753.9A
Authority: DE
Inventors: Herbert Gruhn; Harald Bauer; Helerson Kemmer; Jürgen Hackenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2017-06-29
Also published as: US10903507B2; WO2017114633A1; JP2019502238A; JP6731485B2; US20190081331A1; CN108701840A; CN108701840B

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Strömungsplatte (10, 28) für eine Brennstoffzelle (12), mit einer Vielzahl von Gasleitstegen (14) und mit zumindest einer auf den Gasleitstegen (14) angeordneten, elektrisch leitenden und porösen Schichteinheit (16). Es wird vorgeschlagen, dass eine Geometrie und/oder eine Struktur der Schichteinheit (16) während eines Materialauftrags auf die Gasleitstege (14) erzeugt wird.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer Strömungsplatte für eine Brennstoffzelle, mit einer Vielzahl von Gasleitstegen und mit zumindest einer auf den Gasleitstegen angeordneten elektrisch leitenden und porösen Schichteinheit, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Strömungsplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine PEM-Brennstoffzelle, mit einer Vielzahl von Gasleitstegen und mit zumindest einer auf den Gasleitstegen angeordneten elektrisch leitenden und porösen Schichteinheit.
Es wird vorgeschlagen, dass eine Geometrie und/oder eine Struktur der Schichteinheit während eines Materialauftrags auf die Gasleitstege erzeugt wird.
Unter einer „Strömungsplatte“ soll insbesondere eine mechanische Einheit verstanden werden, welche zu einer insbesondere elektrischen Kontaktierung von zumindest einer Brennstoffzelle und/oder von zumindest zwei insbesondere benachbarter Brennstoffzellen und/oder zu einer Versorgung einer Brennstoffzelle mit einem Brenngas, insbesondere Wasserstoff, und/oder Sauerstoff, und/oder zu einer Entsorgung zumindest eines Reaktionsprodukts, insbesondere Wasser und/oder Wasserdampf, vorgesehen ist. Insbesondere kann die Strömungsplatte als eine Monopolarplatte, eine Bipolarplatte oder Endplatte ausgebildet sein. Insbesondere kann die Strömungsplatte zumindest im Wesentlichen von einem geprägten Blech gebildet sein. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter einer „Brennstoffzelle“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere sind die Gasleitstege dazu vorgesehen, ein Strömungsfeld auszubilden. Unter einem „Strömungsfeld“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine dreidimensionale Struktur verstanden werden, welche insbesondere durch ein mechanisches und/oder chemisches und/oder optisches Verfahren auf zumindest eine Oberfläche der Strömungsplatte aufgebracht und/oder zumindest teilweise in eine Oberfläche der Strömungsplatte eingebracht ist. Insbesondere nimmt das Strömungsfeld zumindest 30 %, vorteilhaft zumindest 50 % und vorzugsweise zumindest 75 % der Oberfläche der Strömungsplatte ein. Insbesondere ist das Strömungsfeld als Gitterströmungsfeld und/oder als Kanalströmungsfeld, welches insbesondere eine Vielzahl an insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Kanälen und/oder zumindest einen mäanderförmig verlaufenden Kanal aufweisen kann, ausgebildet.
Unter einer „Schichteinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche zumindest eine von dem elektrisch leitenden Material gebildete Schicht umfasst. Insbesondere kann die Schichteinheit eine Vielzahl von übereinander angeordneten Schichten aufweisen. Insbesondere ist die Schichteinheit zumindest im Wesentlichen offen porös ausgebildet. Insbesondere weist die Schichteinheit eine Vielzahl von Hohlräumen auf, die insbesondere fluidtechnisch untereinander und/oder mit einer Umgebung verbunden sind. Darunter, dass eine Geometrie und/oder eine Struktur der Schichteinheit während eines Materialauftrags auf die Gasleitstege „erzeugt“ wird, soll insbesondere verstanden werden, dass eine endgültige Ausgestaltung der Schichteinheit, beispielsweise hinsichtlich einer Porosität, einer Abmessung, einer Anzahl von Schichten, einer Schichtdicke von Einzelschichten und/oder einer Gesamtdicke der Schichteinheit unmittelbar während eines Auftragungsprozesses des die Schichteinheit ausbildenden Materials gebildet wird.
Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein gattungsgemäßes Verfahren mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Herstellung von Strömungsplatten für Brennstoffzellen bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch ein lokales Auftragen eines Materials zur Erzeugung einer elektrisch leitenden und porösen Schichteinheit auf Gasleitstegen eine vorteilhafte Materialeinsparung erreicht werden. Ferner kann eine Verwendung zusätzlicher Elemente, insbesondere Elementen aus Metallschäumen, welche auf die Gasleitstege aufzubringen wären, verzichtet werden, wodurch eine Herstellung der Strömungsplatte vorteilhaft vereinfacht werden kann.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Schichteinheit zumindest teilweise mittels eines Beschichtungsverfahrens auf die Gasleitstege aufgebracht wird. Unter einem Beschichtungsverfahren soll insbesondere ein chemisches, mechanisches, thermisches und/oder thermomechanisches Fertigungsverfahren verstanden werden, welches zu einem Aufbringen einer zumindest im Wesentlichen festhaftenden Schicht aus zumindest einem formlosem Stoff auf eine Oberfläche eines Werkstückes vorgesehen ist. Hierdurch kann ein vorteilhaft einfaches und/oder kostengünstiges Erzeugen der Schichteinheit auf den Gasleitstegen ermöglicht werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schichteinheit zumindest teilweise mittels eines Spritzverfahrens auf die Gasleitstege aufgebracht wird. Unter einem „Spritzverfahren“ soll insbesondere ein Verfahren verstanden werden, bei welchem ein Beschichtungswerkstoff insbesondere mittels eines Gasstroms beschleunigt und auf ein Werkstück aufgetragen wird. Vorzugsweise wird die Schichteinheit zumindest teilweise mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf die Gasleitstege aufgebracht. Unter einem „thermischen Spritzverfahren“, soll insbesondere ein Verfahren verstanden werden, bei welchem ein Beschichtungswerkstoff innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners abgeschmolzen, angeschmolzen oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf zumindest eine Oberfläche eines zu beschichtenden Werkstücks geschleudert wird. Hierdurch kann ein vorteilhaft einfaches und/oder kostengünstiges Erzeugen der Schichteinheit auf den Gasleitstegen erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Schichteinheit zumindest teilweise mittels eines 3D-Druckverfahrens auf die Gasleitstege aufgebracht wird. Hierdurch kann vorteilhaft ein Schichtelement erzeugt werden, welches Abschnitte mit unterschiedlichen Schichteigenschaften, beispielsweise hinsichtlich einer Festigkeit, eines Kontaktwiderstands und/oder einer Porosität, aufweist.
Zudem wird vorgeschlagen, dass bei einem Auftragen der Schichteinheit Höhenunterschiede zwischen den Gasleitstegen ausgeglichen werden. Insbesondere können zu einem Ausgleich von Höhenunterschieden Schichten unterschiedlicher Schichtstärken auf die Gasleitstege aufgetragen werden. Hierdurch können vorteilhaft niedrige Toleranzanforderungen bei einer Ausbildung der Gasleitstege ermöglicht werden. Ferner kann eine vorteilhafte Kontaktfähigkeit der Strömungsplatte erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass Katalysatorpartikel zumindest in Teilbereiche der Schichteinheit eingebracht werden. Insbesondere können die Katalysatorpartikel mittels eines chemischen und/oder elektrochemischen Verfahrens, beispielsweise mittels eines Galvanisierungsverfahrens, in die Schichteinheit eingebracht werden. Hierdurch kann eine vorteilhafte Funktionalisierung der Schichteinheit erreicht werden.
Zudem wird eine Strömungsplatte für eine Brennstoffzelle, mit einer Vielzahl von Gasleitstegen und mit zumindest einer auf den Gasleitstegen aufgetragenen elektrisch leitenden und porösen Schichteinheit vorgeschlagen. Die Strömungsplatte mit aufgetragener elektrisch leitender und poröser Schichteinheit unterscheidet sich von bekannten Strömungsplatten mit auf Gasleitstegen angeordneten Elementen aus metallischen Schäumen insbesondere hinsichtlich einer Struktur der Schichteinheit im Vergleich zu den metallischen Schäumen sowie hinsichtlich einer Verbindung zu Oberflächen der Gasleitstege. Insbesondere weist die Strömungsplatte mit einer aufgetragenen elektrisch leitenden und porösen Schichteinheit gegenüber den bekannten Strömungsplatten mit auf Gasleitstegen angeordneten Elementen aus metallischen Schäumen den Vorteil einer kostengünstigeren und/oder einfacheren Herstellung auf.
Ferner wird eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, mit zumindest einer Membraneinheit und zumindest einer Strömungsplatte mit einer Vielzahl von Gasleitstegen und mit zumindest einer auf den Gasleitstegen angeordneten elektrisch leitenden und porösen Schichteinheit vorgeschlagen, wobei die Schichteinheit in einem Kontaktbereich zwischen der Membraneinheit und der Strömungsplatte angeordnet ist. Hierdurch kann eine Herstellung einer Brennstoffzelle vorteilhaft vereinfacht und Herstellungskosten vorteilhaft reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit einer Membraneinheit, einer kathodenseitigen Strömungsplatte und einer anodenseitigen Strömungsplatte und
2 eine Schnittdarstellung der Membraneinheit und der kathodenseitigen Strömungsplatte.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 12. Die Brennstoffzelle 12 weist eine Membraneinheit 18 auf. Die Membraneinheit 18 weist eine protonenleitende Polymermembran 22 auf. Ferner weist die Membraneinheit 18 zwei Diffusionsschichten 24, 26 auf, welche beidseitig an der Polymermembran 22 angeordnet sind. Die Diffusionsschichten 24, 26 sind insbesondere von einem mit einem katalytischen Material belegten Kohlenstoffgewebe gebildet.
Ferner weist die Brennstoffzelle 12 eine kathodenseitige Strömungsplatte 10 und eine anodenseitige Strömungsplatte 28 auf. Die Membraneinheit 18 ist zwischen der kathodenseitigen Strömungsplatte 10 und der anodenseitigen Strömungsplatte 28 angeordnet. Zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zwischen der kathodenseitigen Strömungsplatte 10 und der anodenseitigen Strömungsplatte 28 über die Membraneinheit 18, sind die Strömungsplatten 10, 28 mit der Membraneinheit 18 verpresst. Die eine anodenseitige Strömungsplatte 28 weist eine Vielzahl von Gasleitstegen 40 auf, welche eine Vielzahl von Gaskanälen 38 ausbilden, die dazu vorgesehen sind, der Membraneinheit 18 anodenseitig ein Brenngas 34, insbesondere Wasserstoff, zuzuführen. Die kathodenseitige Strömungsplatte 10 weist eine Vielzahl von Gasleitstegen 14 auf, welche eine Vielzahl von Gaskanälen 30 ausbilden, welche dazu vorgesehen sind, der Membraneinheit 18 kathodenseitig Sauerstoff 32, insbesondere Luftsauerstoff, zuzuführen und während einer Reaktion entstehendes Wasser 36, insbesondere Wasserdampf, abzuführen.
2 zeigt in einer Schnittdarstellung die Membraneinheit 18 und die kathodenseitige Strömungsplatte 10 der Brennstoffzelle 12. Die Strömungsplatte 10 weist eine elektrisch leitende und poröse Schichteinheit 16 auf, welche auf Oberflächen der Gasleitstege 14 aufgetragen ist. Die Schichteinheit 16 ist in einem Kontaktbereich 20 zwischen der Membraneinheit 18 und der Strömungsplatte 10 angeordnet. Durch die elektrisch leitende und poröse Schichteinheit 16 kann eine vorteilhaft elektrische Anbindung und ein vorteilhaftes Ausleiten von Wasser 36 aus der kathodenseitigen Diffusionsschicht 26 im Bereich der Gasleitstege 14 erreicht werden.
Bei einer Herstellung der kathodenseitigen Strömungsplatte 10 wird eine Geometrie und/oder eine Struktur der Schichteinheit 16 unmittelbar während eines Materialauftrags auf die Gasleitstege 14 erzeugt. Die Schichteinheit 16 wird zumindest teilweise mittels eines Beschichtungsverfahrens auf die Gasleitstege 14 aufgebracht. Die Schichteinheit 16 wird zumindest teilweise mittels eines Spritzverfahrens, vorzugsweise mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf die Gasleitstege 14 aufgebracht. Alternativ oder zusätzlich kann die Schichteinheit 16 zumindest teilweise mittels eines 3D-Druckverfahrens auf die Gasleitstege 14 aufgebracht werden. Bei einem Aufbringen mittels eines 3D-Druckverfahrens kann die Schichteinheit 16 derart aufgetragen werden, dass Teilbereiche der Schichteinheit 16 sich insbesondere hinsichtlich einer Festigkeit, eines Kontaktwiderstands und/oder einer Porosität voneinander unterscheiden. Bei einem Auftragen der Schichteinheit 16 können ferner Höhenunterschiede zwischen den Gasleitstegen 14 ausgeglichen werden. Nach dem Auftragen der Schichteinheit 16 können zumindest in Teilbereiche der Schichteinheit 16 Katalysatorpartikel eingebracht werden, wodurch eine lokale Reaktionsrate der Brennstoffzelle 12 vorteilhaft erhöht werden kann. Die anodenseitige Strömungsplatte 28 kann identisch zu der kathodenseitigen Strömungsplatte 10 hergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Strömungsplatte (10, 28) für eine Brennstoffzelle (12), mit einer Vielzahl von Gasleitstegen (14) und mit zumindest einer auf den Gasleitstegen (14) angeordneten, elektrisch leitenden und porösen Schichteinheit (16), dadurch gekennzeichnet, dass eine Geometrie und/oder eine Struktur der Schichteinheit (16) während eines Materialauftrags auf die Gasleitstege (14) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichteinheit (16) zumindest teilweise mittels eines Beschichtungsverfahrens auf die Gasleitstege (14) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichteinheit (16) zumindest teilweise mittels eines Spritzverfahrens auf die Gasleitstege (14) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichteinheit (16) zumindest teilweise mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf die Gasleitstege (14) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichteinheit (16) zumindest teilweise mittels eines 3D-Druckverfahrens auf die Gasleitstege (14) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Auftragen der Schichteinheit (16) Höhenunterschiede zwischen den Gasleitstegen (14) ausgeglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Katalysatorpartikel zumindest in Teilbereiche der Schichteinheit (16) eingebracht werden.
Strömungsplatte für eine Brennstoffzelle (12), mit einer Vielzahl von Gasleitstegen (14) und mit zumindest einer auf den Gasleitstegen (14) aufgetragenen, elektrisch leitenden und porösen Schichteinheit (16), welche mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Brennstoffzelle mit zumindest einer Membraneinheit (18) und zumindest einer Strömungsplatte (10, 28) nach Anspruch 8, wobei die Schichteinheit (16) in einem Kontaktbereich (20) zwischen der Membraneinheit (18) und der Strömungsplatte (10) angeordnet ist.