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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei auf einen Grundträger ein Profil aufgebracht wird, welches eine Medienverteilerstruktur bildet. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine Bipolarplatte umfasst, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt. Es sind aber auch Brennstoffzellen bekannt, welche mit Methanol oder Methan arbeiten.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembran(Proton-Exchange-Membran = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die ausschließlich für Protonen, also nur für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode.
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Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O
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Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
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Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an der Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an der Kathode sind Verteilerplatten vorgesehen, welche auch als Bipolarplatten bezeichnet werden. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels auf. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
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Aus der
DE 10 2012 221 730 A1 ist eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte bekannt, welche aus zwei Plattenhälften aufgebaut ist. Dabei weist jede der beiden Plattenhälften eine Verteilerstruktur auf, welche zur Verteilung der Reaktionsgase sowie einer Kühlflüssigkeit vorgesehen sind. Zwischen den beiden Plattenhälften ist ein Kühlmittelraum vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2014 207 594 A1 ist eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Bipolarplatte weist dabei einen mäanderförmigen Kanal auf, welcher beispielsweise als Nut ausgebildet ist. Der mäanderförmige Kanal dient zur Einleitung von Wasserstoff oder Sauerstoff in die Brennstoffzelle. Ferner sind mehrere Wärmerohre vorgesehen, durch welche ein Kühlmedium durch die Bipolarplatte geleitet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird dabei auf einen Grundträger mittels eines additiven Fertigungsverfahrens ein Profil aufgebracht, welches eine Medienverteilerstruktur der Bipolarplatte bildet. Der Grundträger ist dabei vorzugsweise aus einem Metall gefertigt und beispielsweise als flache Platte ausgebildet. Der Grundträger kann aber auch profiliert ausgebildet sein. Auch das aufgebrachte Profil ist vorzugsweise ein Metall.
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Additive Fertigungsverfahren, zu denen auch beispielsweise 3D-Druck zu gerechnet wird, gestatten die schichtweise Aufbringung komplizierter Strukturen und Profile. Als Basis dienen insbesondere rechnerinterne CAD-Datenmodelle, die an die Fertigungsanlage übergeben werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das additive Fertigungsverfahren als Pulverbettverfahren ausgestaltet. Dabei wird das Profil durch selektives und schichtweises Schmelzen eines Pulvers aufgebracht. Dazu wird ein, insbesondere metallisches, Pulver als Pulverschicht mit einer Dicke zwischen 1 µm und 200 µm auf den Grundträger, beziehungsweise auf das schon vorhandene Profil aufgebracht. Anschließend wird das aufgebrachte Pulver selektiv an den Stellen aufgeschmolzen, an denen das Profil entstehen soll. Dabei wird das aufgeschmolzene Pulver mit der darunter liegenden Schicht verschweißt.
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Danach wird der Grundträger mit dem bereits vorhandenen Profil um die Dicke einer Pulverschicht abgesenkt, und es wird eine weitere Pulverschicht aufgebracht, die dann mit der darunter liegenden Schicht verschweißt wird. Diese besagten Verfahrensschritte werden dabei so lange wiederholt, bis das gewünschte Profil, welches dann die Medienverteilerstruktur bildet, vollständig auf den Grundträger aufgebracht ist. Anschließend wird noch überschüssiges Pulver entfernt.
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Das insbesondere metallische Pulver kann beispielsweise durch einen Laserstrahl geschmolzen werden. Ein solches Verfahren, bei dem das Pulver durch einen Laserstrahl geschmolzen wird, wird auch als "selective laser melting" (SLM) bezeichnet. Insbesondere ist ein "Mikro-SLM-Verfahren" bekannt, welches an der Hochschule Mittweida entwickelt wurde.
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Das insbesondere metallische Pulver kann beispielsweise auch durch einen Elektronenstrahl geschmolzen werden. Ein solches Verfahren, bei dem das Pulver durch einen Elektronenstrahl geschmolzen wird, wird auch als "electron beam melting" (EBM) bezeichnet.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das additive Fertigungsverfahren als Pulverauftragsschweißverfahren ausgestaltet. Dabei wird das Profil durch lokales Auftragen von Material erzeugt. Dazu wird ein, insbesondere metallisches, Pulver aus einer Düse in Richtung des Grundträgers geführt und durch Einwirkung eines Laserstrahls aufgeschmolzen. Gleichzeitig wird das solide Material des Grundträgers, beziehungsweise des schon vorhandenen Profils, wieder aufgeschmolzen, und das neu aufgetragene, geschmolzene Pulver kann sich stoffschlüssig verbinden. Die aufgetragenen Schichtdicken liegen je nach Ausgangsgröße des Pulvers zwischen 3 µm und 200 µm. Das Auftragen von Material findet anschließend wiederholt nur an den Stellen statt, an denen letztlich das Profil generiert werden soll.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Profil mehrere Stege auf. Vorzugsweise verlaufen die Stege des Profils dabei parallel zueinander. Die Medienverteilerstruktur, die von dem Profil gebildet wird, ist somit in Form von parallel zueinander verlaufenden Kanälen mit gleicher Breite ausgestaltet.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Profil mehrere Säulen auf. Dabei können die einzelnen Säulen beispielsweise in Reihen hintereinander angeordnet sein, wodurch sich Kanäle mit Querverbindungen zueinander als Medienverteilerstruktur ausbilden. Der Abstand der Säulen zueinander kann auch variabel gestaltet werden. Insbesondere kann der Abstand der einzelnen Säulen zueinander in Strömungsrichtung des durchzuleitenden Mediums verkleinert sowie vergrößert werden, um einen Druckverlust innerhalb der Medienverteilerstruktur zu minimieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist mindestens eine Vielzahl von Säulen des Profils einen zumindest annähernd tropfenförmigen Querschnitt auf. Durch eine solche Ausgestaltung der Säulen können Turbulenzen sowie Totgebiete in Strömungsrichtung hinter den Säulen vermindert oder vermieden werden.
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Vorteilhaft sind die Stege sowie die Säulen des Profils strömungstechnisch optimiert ausgelegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Herstellung der Bipolarplatte beidseitig je ein Profil auf den Grundträger aufgebracht. Dadurch wird auf jeder Seite des Grundträgers eine Medienverteilerstruktur gebildet, und somit weist die Bipolarplatte beidseitig eine Medienverteilerstruktur auf.
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Beispielweise dient die Medienverteilerstruktur auf einer Seite der Bipolarplatte zur Verteilung von Wasserstoff, und die Medienverteilerstruktur auf der anderen Seite der Bipolarplatte dient zur Verteilung von Sauerstoff oder Luft in der Brennstoffzelle.
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Auch ist denkbar, dass die Medienverteilerstruktur auf einer Seite der Bipolarplatte zur Verteilung eines Reaktionsgases, beispielsweise Wasserstoff oder Sauerstoff, beziehungsweise Luft, in der Brennstoffzelle dient, und dass die Medienverteilerstruktur auf der anderen Seite der Bipolarplatte zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme vorgesehen ist.
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Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche mindestens eine Bipolarplatte umfasst, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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Vorteile der Erfindung
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind Bipolarplatten für Brennstoffzellen herstellbar, wobei die Medienverteilerstruktur der Bipolarplatten mittels eines CAD-Modells entwickelt werden kann. Insbesondere sind Bipolarplatten herstellbar, deren Medienverteilerstruktur einen geringen Druckverlust für ein durchgeleitetes Medium bewirken. Additive Fertigungsverfahren gestatten weiterhin die Aufbringung eines verhältnismäßig schmalen Profils in horizontaler Richtung. Bei einem schmalen Profil kommt es auch weniger zur Ablagerung von Wasser unmittelbar unterhalb des Profils.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle,
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1b eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,
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2 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte gemäß einer ersten Ausführungsform,
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3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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4 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte gemäß einer dritten Ausführungsform und
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5 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte gemäß einer vierten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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In 1a ist eine Brennstoffzelle 2 schematisch dargestellt. Die Brennstoffzelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Brennstoffzelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 fließt ein elektrischer Strom zwischen den beiden Terminals 11, 12 über einen externen Stromkreis.
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Die Brennstoffzelle 2 weist eine erste Anschlussstelle 31 auf, welche zur Zuführung eines Brennstoffs, vorliegend Wasserstoff, dient. Die Brennstoffzelle 2 weist ferner eine zweite Anschlussstelle 32 auf, welche zur Zuführung eines Oxidationsmittels, vorliegend Luftsauerstoff, dient. Die Brennstoffzelle 2 weist auch eine dritte Anschlussstelle 33 auf, welche zur Ableitung von entstandenem Wasser sowie der Restluft dient.
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Weiterhin weist die Brennstoffzelle 2 eine Anode 21, eine Kathode 22 und eine Membran 18 auf. Die Membran 18 ist dabei zwischen der Anode 21 und der Kathode 22 angeordnet. Die Anode 21, die Kathode 22 und die Membran 18 bilden gemeinsam eine Membran-Elektroden-Einheit 10, welche zentral innerhalb der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist.
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Auf der Seite der Anode 21 ist eine erste Bipolarplatte 40 angeordnet, welche mit der ersten Anschlussstelle 31 verbunden ist. Die erste Bipolarplatte 40 weist eine Medienverteilerstruktur 45 auf, über welche der Brennstoff, der über die erste Anschlussstelle 31 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, zu der Anode 21 weiter geleitet wird. Die erste Bipolarplatte 40 ist elektrisch leitfähig und aus Graphit gefertigt. Es ist aber auch denkbar, dass die erste Bipolarplatte 40 aus Metall fertigt ist.
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Auf der Seite der Kathode 22 ist eine zweite Bipolarplatte 40 angeordnet, welche mit der zweiten Anschlussstelle 32 verbunden ist. Die zweite Bipolarplatte 40 weist eine Medienverteilerstruktur 45 auf, über welche das Oxidationsmittel, das über die zweite Anschlussstelle 32 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, zu der Kathode 22 weiter geleitet wird. Die zweite Bipolarplatte 40 ist ebenfalls elektrisch leitfähig und aus Graphit gefertigt. Auch die zweite Bipolarplatte 40 kann aus Metall gefertigt sein.
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Ferner ist die auf der Seite der Kathode 22 angeordnete zweite Bipolarplatte 40 mit der dritten Anschlussstelle 33 verbunden. Über die Medienverteilerstruktur 45 der zweiten Bipolarplatte 40 wird auch das im Betrieb der Brennstoffzelle 2 entstehende Wasser zusammen mit der nicht verbrauchten Restluft über die dritte Anschlussstelle 33 aus der Brennstoffzelle 2 abgeleitet.
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Die Bipolarplatten 40 weisen weiterhin hier nicht dargestellte Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle 2 auf. Somit ist eine Abführung von im Betrieb der Brennstoffzelle 2 entstehender Wärme und damit eine Kühlung der Brennstoffzelle 2 ermöglicht.
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Zwischen der Anode 21 und der ersten Bipolarplatte 40 ist eine erste Gasdiffusionslage 30 vorgesehen. Die erste Gasdiffusionslage 30 ist elektrisch leitfähig und beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffpapier gefertigt. Die erste Gasdiffusionslage 30 gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des über die Medienverteilerstruktur 45 der ersten Bipolarplatte 40 zugeführten Brennstoffs zu der Anode 21.
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Zwischen der Kathode 22 und der zweiten Bipolarplatte 40 ist eine zweite Gasdiffusionslage 30 vorgesehen. Die zweite Gasdiffusionslage 30 ist elektrisch leitfähig und beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffpapier gefertigt. Die zweite Gasdiffusionslage 30 gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des über die Medienverteilerstruktur 45 der zweiten Bipolarplatte 40 zugeführten Oxidationsmittels zu der Kathode 22.
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Die Anode 21, die erste Bipolarplatte 40 und die dazwischen angeordnete erste Gasdiffusionslage 30 sind elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Brennstoffzelle 2 verbunden. Die Kathode 22, die zweite Bipolarplatte 40 und die dazwischen angeordnete zweite Gasdiffusionslage 30 sind elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Brennstoffzelle 2 verbunden. Die erste Gasdiffusionslage 30 sowie die zweite Gasdiffusionslage 30 sind optional und können auch entfallen.
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In 1b ist ein Brennstoffzellenstapel schematisch dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel umfasst dabei mehrere alternierend angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten 10 und Bipolarplatten 40. Die Membran-Elektroden-Einheiten 10 sind dabei wie in 1a gezeigt aufgebaut und umfassen jeweils eine Anode 21, eine Kathode 22 und eine dazwischen angeordnete Membran 18.
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Die Bipolarplatten 40, die zischen je zwei Membran-Elektroden-Einheiten 10 angeordnet sind, umfassen jeweils einen ersten Medienraum 41, einen zweiten Medienraum 42 und einen Kühlmittelraum 43. Der Kühlmittelraum 43 grenzt dabei an den ersten Medienraum 41 und an den zweiten Medienraum 42 an und wird im Betrieb von einem Kühlmittel durchströmt.
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Der erste Medienraum 41 ist der Anode 21 der benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 zugewandt. Der erste Medienraum 41 enthält eine Medienverteilerstruktur 45, welche im Betrieb von dem Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, durchströmt wird.
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Der zweite Medienraum 42 ist der Kathode 22 der benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 zugewandt. Der zweite Medienraum 42 enthält eine Medienverteilerstruktur 45, welche im Betrieb von dem Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, durchströmt wird. Ferner werden Restluft sowie entstandenes Wasser durch die Medienverteilerstruktur 45 des zweiten Medienraums 42 abgeleitet.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 40 gemäß einer ersten Ausführungsform. Auf einem Grundträger 52, der vorliegend als flache Platte ausgebildet ist, ist mittels eines additiven Fertigungsverfahrens ein Profil 50 aufgebracht, welches mehrere Stege 54 aufweist.
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Die Stege 54 des Profils 50 verlaufen dabei parallel zueinander und weisen eine Breite von vorzugsweise weniger als 100 µm auf. Die Stege 54 des Profils 50 bilden eine Medienverteilerstruktur 45, welche mehrere parallel zueinander verlaufende Kanäle umfasst. Vorliegend sind die Stege 54 des Profils 50 in äquidistanten Abständen angeordnet. Somit weisen die Kanäle der Medienverteilerstruktur 45 eine gleiche Breite auf.
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3 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Auf einem Grundträger 52, der vorliegend als flache Platte ausgebildet ist, ist mittels eines additiven Fertigungsverfahrens ein Profil 50 aufgebracht, welches mehrere Säulen 56 aufweist. Die einzelnen Säulen 56 des Profils 50 weisen dabei einen zumindest annähernd kreisförmigen Querschnitt auf. Zwischen den Säulen 56 des Profils 50 ist die Medienverteilerstruktur 45 der Bipolarplatte 40 gebildet.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 40 gemäß einer dritten Ausführungsform. Auf einem Grundträger 52, der vorliegend als flache Platte ausgebildet ist, ist mittels eines additiven Fertigungsverfahrens ein Profil 50 aufgebracht, welches mehrere Säulen 56 aufweist. Die einzelnen Säulen 56 des Profils 50 weisen dabei einen zumindest annähernd kreisförmigen Querschnitt auf.
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Die einzelnen Säulen 56 des Profils 50 sind vorliegend in Reihen hintereinander angeordnet. Zwischen den Säulen 56 des Profils 50 sind somit Kanäle mit Querverbindungen zueinander als Medienverteilerstruktur 45 gebildet. Der Abstand der einzelnen Säulen 56 zueinander ist vorliegend in Strömungsrichtung des durchzuleitenden Mediums variierend ausgestaltet.
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5 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 40 gemäß einer vierten Ausführungsform. Auf einem Grundträger 52, der vorliegend als flache Platte ausgebildet ist, ist mittels eines additiven Fertigungsverfahrens ein Profil 50 aufgebracht, welches mehrere Säulen 56 aufweist. Die einzelnen Säulen 56 des Profils 50 weisen dabei einen zumindest annähernd tropfenförmigen Querschnitt auf.
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Zwischen den Säulen 56 des Profils 50 ist die Medienverteilerstruktur 45 der Bipolarplatte 40 gebildet. Der Abstand der einzelnen Säulen 56 des Profils 50 zueinander ist vorliegend in Strömungsrichtung des durchzuleitenden Mediums äquidistant ausgestaltet. Der Abstand der einzelnen Säulen 56 des Profils 50 zueinander muss aber nicht zwingend äquidistant sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012221730 A1 [0008]
- DE 102014207594 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Artikel "Generatives Fertigungsverfahren" vom Wikipedia mehrere additive Fertigungsverfahren vorgestellt und erläutert. Auch im "Statusreport Additive Fertigungsverfahren" des VDI vom September 2014 [0012]
