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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei zumindest eine Struktur zum Führen eines Gases aus Schichten auf einer Ebene aufgebaut wird. Die Erfindung betrifft auch eine Bipolarplatte, welche zumindest eine Struktur aufweist, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche chemische Energie eines Brennstoffes durch eine elektrochemische Reaktion in Elektrizität wandelt.
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Ein besonderer Brennstoffzellentyp ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton-Exchange-Membran-fuel-cell = PEM). Dieser Typ von Brennstoffzellen weist neben einer Membran, Elektroden und einem Katalyt auch sogenannte Bipolarplatten auf. Diese elektrisch leitenden Platten dienen sowohl als Elektroden, als auch zum Führen eines Fluides durch entsprechend angeordnete Strömungskanäle.
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Dabei soll die Führung des Gases möglichst so erfolgen, dass z. B. die Fluide so auf der Bipolarplatte verteilt werden, dass sie dem lokalen Verbrauch entsprechen und gleichzeitig der Strömungswiderstand des Fluides möglichst gering sein soll, damit möglichst wenig Energie für die Bewegung des Fluides verloren geht.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem erstem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen. Erfindungsgemäß weist die Bipolarplatte zumindest eine Ebene, über die ein Gas strömen kann, auf. Es ist weiter vorgesehen, dass auf der Ebene zumindest eine Struktur zum Führen des Gases aus Schichten aufgebaut wird, indem zunächst ein Material bereitgestellt wird. In einem nächsten Schritt wird das Material bereichsweise verflüssigt, wobei das verflüssigte Material einen Tropfen bildet. Der Tropfen aus verflüssigtem Material wird dann zumindest tlw. durch Gravitation auf die zumindest eine Ebene und/oder eine der Schichten hinbewegt. Anschließend wird der Tropfen aus verflüssigtem Material auf der Ebene und/oder einer der Schichten zum Erstarren abgekühlt. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die zuvor beschriebenen Schritte wiederholt werden, sodass die zumindest eine Struktur aus Schichten zur Herstellung der Bipolarplatte sukzessive hergestellt wird. Mit anderen Worten weist die Bipolarplatte ein Niveau auf, welches eine Fläche bildet, über die ein Gas strömen kann. Bei dem Gas kann es sich bspw. um den Brennstoff oder das Oxidationsmittel handeln. Bekannte Beispiele sind Wasserstoff, Sauerstoff oder Luft. Beim Überströmen der Ebene wird das Gas erfindungsgemäß von zumindest einer Struktur, welche sich auf der Ebene befindet, geführt. Dabei wird die Struktur aus mehreren Schichten aufgebaut, in dem zunächst ein Material in fester oder gasförmiger Form bereitgestellt wird. In einem nächsten Schritt wird das Material zumindest bereichsweise in eine flüssige Form überführt, wobei sich aus diesem verflüssigten Material eine Flüssigkeitsansammlung, insbesondere ein Tropfen, bildet. In einem nächsten Schritt wird der Tropfen auf die zumindest eine Ebene der Bipolarplatte bewegt, wobei die Gravitationskraft zumindest tlw. Ursache der Bewegung ist. Gelangt der Tropfen aus verflüssigtem Material schließlich auf die Ebene und/oder eine der Schichten, die zuvor aufgetragen wurden, wird er dort durch Abkühlen in eine feste Phase überführt. Um eine erfindungsgemäße Struktur aus Schichten herzustellen, werden die zuvor beschriebenen Schritte wiederholt. Ein besonderer Vorteil des oben beschriebenen Verfahrens ist die Pulverfreiheit. Somit wird vermieden, dass sich in dem Pulver enthaltene kleine Partikel von der Bipolarplatte lösen und dabei einerseits das Bedienpersonal gefährden als auch den Herstellungsprozess behindern.
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Als Material können insbesondere leitfähige Materialien vorgesehen sein, sodass die Struktur zum Führen des Gases ebenfalls leitfähig ist und die Elektrodenfunktion der Bipolarplatte nicht behindert. Dabei ist die Materialauswahl jedoch nicht auf Metalle oder Legierungen eingeschränkt. Insbesondere können leitfähige Kunststoffe vorgesehen sein, welche im Vergleich zu Metallen ein besonders günstiges Festigkeit-zu-Gewichtsverhältnis aufweisen.
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Das Material kann bspw. in Form eines langen, biegsamen Stranges bereitgestellt werden, um ein besonders einfaches Nachführen des Materiales im Herstellungsprozess zu ermöglichen. Alternativ kann das Material auch bspw. in Form von Pellets bzw. Granulat bereitgestellt werden, welche besonders einfach dosiert werden können.
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Das Überführen des Materials in den flüssigen Zustand kann bspw. durch Abführen oder Einbringen von Wärme oder durch chemische Reaktion erfolgen. Das Einbringen von Strom in das Material selbst zur Erwärmung ist besonders gut dazu geeignet, das Material bereichsweise zu verflüssigen. Ein Stromfluss kann jedoch auch dazu genutzt werden, eine Leiterstruktur zu erwärmen, welche die Wärme an das zu verflüssigende Material abgibt. Weiter kann vorgesehen sein, dass durch die Erwärmung des Materials dieses zumindest tlw. in die Gasphase oder in den Plasma-Zustand übergeht. Dies bietet den Vorteil, dass sehr hohe Abscheideraten erzielt werden können, also die Strukturen besonders schnell erstellt werden.
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Um besonders kleine Strukturen herzustellen, kann das Volumen des Tropfens, welcher auf die Ebene bewegt wird, im Bereich von wenigen Microlitern liegen.
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Um den Tropfen besonders schnell abzukühlen, kann vorgesehen sein, den Tropfen selbst und/oder die Ebene und/oder die Bipolarplatte aktiv zu kühlen. Alternativ dazu ist es denkbar, den Tropfen lediglich durch passive Kühlung erstarren zu lassen, wodurch Bauteile zur Kühlung eingespart werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Position, an dem der Tropfen auf die Ebene fällt, nach und/oder während eines Durchlaufs der Herstellungsschritte variiert wird. Dies bietet den Vorteil, dass der Tropfen auch bei passiver Kühlung genügend Zeit hat, um zu erkalten, bevor der nächste Tropfen in einer weiteren Schicht auf dem bestehenden Tropfen aufgebaut wird. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, zunächst alle Schichten aus Tropfen übereinander aufzubauen und erst anschließend die Position zu ändern, an dem der Tropfen auf die Ebene trifft. Dies bietet den Vorteil, dass Positionsänderungen auf ein Minimum beschränkt werden. Dabei können die Schritte zur Herstellung der Struktur so lange wiederholt werden, bis die Struktur durch das Aufeinanderstapeln mehrerer Schichten eine vordefinierte Höhe erreicht hat.
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Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass gleichzeitig die Herstellungsschritte an einer oder mehreren anderen Stelle(n) auf der Bipolarplatte ebenfalls durchgeführt werden. Dies bietet den Vorteil, dass der Herstellungsprozess beschleunigt wird. D. h., die zu erzeugende Struktur kann an mehreren Stellen gleichzeitig aufgebaut werden.
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Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird ermöglicht, auch besonders kleine Strukturen herzustellen, welche eine Größe von weniger als 1,5 mm aufweisen können. Derartig kleine Strukturen erlauben eine genauere Anpassung an die Anforderungen der Brennstoffzelle an den Gastransport. Bspw. kann vorgesehen sein, dass der Gastransport nicht homogen über die gesamte Ebene der Bipolarplatte erfolgen soll, um bspw. Inhomogenitäten in Bezug auf die Temperatur oder die Konzentration von bereitgestellten Gasen auszugleichen.
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Es kann vorgesehen sein, dass das bereitgestellte Material in der Halterung gehalten wird, und sich der verflüssigte Teil des Materials zwischen Schritt c) und d) in Form eines Tropfens dadurch löst, dass eine Bewegung der Halterung und/oder des Materials durchgeführt wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Tropfen aus verflüssigtem Material nicht nur durch die Gravitation die Oberflächenspannung überwinden muss, sondern zusätzlich beschleunigt werden kann. Dabei kann entweder das Material selbst, welches in einer Halterung gehalten wird, durch einen entsprechenden Antrieb bewegt werden. Alternativ dazu kann das Material im Bezug zur Ebene der Bipolarplatte in Ruhe verbleiben, während die Halterung bewegt wird. Beide Varianten bieten den Vorteil, dass der Tropfen auch dann auf die zumindest eine Ebene und/oder eine der Schichten hinbewegt werden kann, wenn die Gravitationskraft allein dafür noch nicht ausreichen würde. Auch beide Varianten in Kombination sind möglich.
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Es kann von Vorteil sein, dass das Material in Form eines Drahtes bereitgestellt wird und dass der Draht bereichsweise durch das Anlegen eines elektrischen Stromes an den Draht verflüssigt wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass lediglich ein Teil des Drahtes durch das Anlegen eines Stromes bzw. durch Erwärmung verflüssigt werden kann. Ein weiterer Teil des Drahtes kann dann als nicht verflüssigter Teil zurückbleiben. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Strom durch den Draht und die Bipolarplatte fließt, welche auf Erdpotential liegen kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Strom zum einen durch das Material in Form eines Drahtes zur Bipolarplatte und anschließend zu einem weiteren, zweiten Draht fließt. Auch der zweite Draht kann dann bereichsweise verflüssigt werden. Dies bietet den Vorteil, dass mit dem zweiten Draht das gleiche Verfahren zur Herstellung einer Struktur parallel angewendet werden kann, sodass das Verfahren insgesamt dadurch beschleunigt wird.
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In einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme kann vorgesehen sein, dass der nicht verflüssigte Teil des Drahtes während der Schritte b) bis e) aus der Halterung zum Anlegen des Stromes herausbewegt wird, wobei der Draht bereichsweise verflüssigt und nach dem Schritt c) kurzzeitig hin- und herbewegt wird.
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Mit anderen Worten kann sich nach dem Verflüssigen des Materials ein Tropfen am Ende des nicht verflüssigten Teils des Drahtes befinden. Durch eine Bewegung des Drahtes weg von der Bipolarplatte löst sich dann der Tropfen vom Ende des Drahtes und fällt auf die Bipolarplatte.
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Das bietet den Vorteil, dass auch derart kleine Mengen verflüssigten Materials auf die Bipolarplatte aufgebracht werden können, bei denen die Gravitationskraft nicht ausreichen würde, die Oberflächenspannung des Tropfens zu überwinden.
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Es kann von Vorteil sein, dass zwischen der Ebene und dem vorderen Teil des bereitgestellten Drahtes kurzzeitig ein elektrischer Strom angelegt wird, und dass der Draht in dem Moment zurückgezogen wird, wenn der elektrische Strom fließt und wieder herausbewegt wird, wenn der elektrische Stromfluss aktiv unterbrochen wird. Mit anderen Worten kann der Draht solange in Richtung der Bipolarplatte bzw. der Ebene und/oder der Schicht bewegt werden, bis die Spannung ausreichend ist, um das Gas zwischen dem Draht und der Oberfläche der Ebene der Bipolarplatte zu durchschlagen. Sobald sich ein Kurzschluss gebildet hat und somit auch verflüssigtes Material am Ende des Drahtes vorliegt, wird eine Rückwärtsbewegung des Drahtes gestartet, wodurch der Stromfluss wieder unterbrochen wird. Der durch den Kurzschluss gebildete Tropfen löst sich auch aufgrund der Rückwärtsbewegung des Drahtes von diesem ab. Dabei kann in dieser Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass der Draht dann wieder von neuem nach vorne geführt wird. Dieses, auch unter dem Namen „Cold-Metal-Transfer“ (CMT) bekannte Verfahren bietet den Vorteil, dass eine besonders geringe Wärmeeinbringung in den zu behandelnden Werkstoff erfolgt.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Bewegung der Halterung zum Ablösen des Tropfens mit einer Frequenz von mehr als 16 kHz erfolgt und insbesondere ein Ultraschallpuls erzeugt wird. Mit anderen Worten wird das Ablösen des Tropfens dadurch unterstützt, dass die Halterung selbst einen Ultraschall-Puls erzeugt. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Material in einer Art Schmelztiegel im verflüssigten Zustand bereitgestellt wird und durch eine Öffnung in der Halterung heraustreten kann. Eine Ablösung des Materials von der Halterung kann dann stattfinden, wenn die Halterung einen Ultraschall-Puls mit einer Frequenz von insbesondere mehr als 16 kHz durchführt.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass mehrere Tropfen zunächst nebeneinander in der Ebene zu einer ersten Schicht angeordnet werden, bevor eine weitere Schicht auf die bestehende Schicht aufgetragen wird. Mit anderen Worten kann an verschiedenen Positionen der Bipolarplatte zunächst eine erste Schicht aufgetragen werden. Das verflüssigte Material kann also in einem ersten Schritt lediglich auf die Ebene treffen. Erst wenn das Material zumindest tlw. erstarrt ist, kann eine weitere Schicht aufgetragen werden, wobei die Tropfen dann zumindest tlw. auf vorhandene Schichten treffen und dort erstarren. Dies bietet den Vorteil, dass das verflüssigte Material mehr Zeit zum Erstarren hat, der Herstellungsprozess jedoch währenddessen fortgeführt werden kann.
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Dabei kann sowohl vorgesehen sein, dass zunächst eine einzelne komplette Struktur schichtweise erstellt wird. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die Strukturen weit voneinander entfernt sind, da dann ggfs. unnötig oft die Position gewechselt wird.
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Alternativ können sämtliche Strukturen der Bipolarplatte schichtweise aufgebaut werden. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn die Strukturen nahe beieinander liegen und die Abkühlzeiten zum Ändern der Position genutzt werden können.
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Gemäß einem zweiten Aspekt ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, aufweisend zumindest eine Ebene, über die ein Gas strömen kann, sowie Strukturen zum Führen des Gases, wobei die Strukturen auf der zumindest einen Ebene angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist dabei zumindest eine Struktur mit einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gefertigt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Struktur aus mehreren Schichten aufgebaut ist, die stoffflüssig miteinander verbunden sind. Dies bietet den Vorteil, dass die elektrische Leitfähigkeit der Schichten bzw. der Struktur untereinander gewährleistet ist. Sämtliche Vorteile, die zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, gelten entsprechend auch für die durch das Verfahren hergestellte Bipolarplatte.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Strukturen eine Stromlinienform aufweisen. Durch die Stromlinienform weisen die Strukturen einen geringeren Strömungswiderstand auf als Strukturen, die durch ein Prägeverfahren hergestellt werden. Ein geringerer Strömungswiderstand bietet den Vorteil, dass weniger Energie darauf verwendet werden muss, die verwendeten Gase an ihren Bestimmungsort zu bewegen. Dabei können sowohl Zylinder, Tropfen oder auch weitere komplexe, stromlinienförmige Formen vorgesehen sein. Diese können auch zum Ausrichten der Strömung dienen, um Inhomogenitäten bezüglich der Temperatur oder der Reaktionen der Brennstoffzelle auszugleichen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, mit zumindest einer Bipolarplatte gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen. Sämtliche Vorteile, die zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, gelten entsprechend auch bei der Brennstoffzelle.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und/oder mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen bzw. werden kann.
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Die Verfahrensschritte können dabei zumindest tlw. gleichzeitig oder zeitlich nacheinander ablaufen, wobei die Reihenfolge der Verfahrensschritte, wenn technisch möglich, nicht auf die durch die Nummerierung definierte Reihenfolge begrenzt ist, sodass einzelne Schritte in unterschiedlicher Reihenfolge durchführbar sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer konventionell gefertigten Bipolarplatte,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, mit unterschiedlichen Strukturen,
- 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt eine konventionelle Bipolarplatte 100, welche eine Ebene 120, über die ein Gas strömen kann, sowie Strukturen 110 zum Führen eines Gases aufweist. Dabei zeigt die 1 lediglich einen Ausschnitt der gesamten Bipolarplatte 100. In der konventionellen Bipolarplatte 100 strömt das Gas über die Ebene 120 entlang der Strukturen 110 über die Bipolarplatte 100.
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In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 100 gezeigt. Auch diese weist eine Ebene 120 auf, über die ein Gas strömen kann. Weiterhin weist das gezeigte Ausführungsbeispiel der 2 Strukturen 110 zum Führen des Gases auf. Wie in der 2 gezeigt ist, können diese Strukturen 110 zumindest tlw. aus Schichten 130 aufgebaut sein. Diese können sowohl gleichförmig groß sein oder ein unterschiedliches Volumen aufweisen. Eine besonders starke Führung kann bspw. dadurch erreicht werden, dass zusammenhängende Stege auf die Ebene 120 der Bipolarplatte 100 aufgebracht werden. Es ist jedoch auch möglich, freistehende Strukturen 110 auf die Ebene 120 aufzubringen. Wie in der 2 gezeigt ist, können diese Strukturen 110 verschiedenste Formen aufweisen, bspw. quaderförmig, zylindrisch oder tropfenförmig ausgestaltet sein. Insbesondere stromlinienförmige Strukturen 110 bieten den Vorteil, dass der Strömungswiderstand gegenüber einer konventionellen Struktur zum Führen des Gases reduziert ist.
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In der 3 sind von links nach rechts als zeitliche Abfolge Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des Herstellungsverfahrens dargestellt. In diesem Beispiel wird das Material als langer, biegsamer Strang bspw. in Form eines Drahtes 141 bereitgestellt. Dieser wird in einer Halterung 150 gehalten. Nach dem Bereitstellen des Materials wird dieses bereichsweise, bspw. an der Spitze des Drahtes 142 verflüssigt, sodass das verflüssigte Material einen Tropfen 140 bildet. Der Tropfen 140 aus verflüssigtem Material wird dann zumindest tlw. durch Gravitation auf die zumindest eine Ebene 120 und/oder eine der Schichten 130 hinbewegt. Dies kann entweder durch Gravitation alleine oder dadurch erfolgen, dass das Material selbst oder die Halterung 150 bewegt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Draht 141 so lange in Richtung der Ebene 120 vorbewegt wird, bis sich ein Stromfluss am vorderen Teil des Drahtes 142 und der Ebene 120 ausbilden kann, durch welchen der vordere Teil des Drahtes 142 verflüssigt wird. Es kann dann vorgesehen sein, dass bei einer Detektion des Kurzschlusses, bspw. durch ein Ampere- oder Voltmeter der Draht 141 wieder zurückgezogen wird, sodass der Stromfluss entweder durch die größere Entfernung oder aber aktiv durch eine entsprechende Regelung der Stromversorgung unterbrochen wird. Durch das Zurückbewegen des Drahtes 141 wird weiterhin das Ablösen des Tropfens 140 vom vorderen Ende des Drahtes 142 unterstützt. Der abgelöste Tropfen 140 bewegt sich dann auf die zumindest eine Ebene 120 und/oder eine der Schichten 130 zu. Nach dem Auftreffen des Tropfens 140 aus verflüssigtem Material auf die Ebene 120 und/oder eine der Schichten 130 wird dieser zum Erstarren abgekühlt. Dies kann entweder durch aktive Kühlung oder aber passiv erfolgen. Nachdem der Tropfen 140 auf der Oberfläche erstarrt ist, wird dieser Bestandteil einer Schicht 130. Die Schritte zur Herstellung der Struktur 110 können dann solange wiederholt werden, bis eine bestimmte, vordefinierte Höhe erreicht ist.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
