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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Bipolarplattenhälfte für eine Brennstoffzelle. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine Bipolarplattenhälfte umfasst, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen bspw. Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Gattungsgemäße Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel sind aus abwechselnd übereinander angeordneten Membranelektrodeneinheiten und Bipolarplatten aufgebaut. Hierbei dienen die Bipolarplatten, welche aus zwei aneinander anliegenden Bipolarplattenhälften gebildet sein können, zur Versorgung der Elektroden mit Edukten und zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Die Bipolarplatten weisen hierzu eine Verteilerstruktur auf, die Edukt enthaltende Fluide entlang den Elektroden führen. Darüber hinaus dienen die Verteilerstrukturen dazu ein Kühlfluid entlang der weiteren Verteilerstrukturen zu führen. Diese Verteilerstrukturen sind dabei als Kanäle ausgebildet, wodurch die unterschiedlichen Fluide leitbar sind.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2017/215872 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt, wobei bei diesem Verfahren ein plattenförmiges Werkstück erzeugt wird, und wobei eine Medienverteilerstruktur in das plattenförmige Werkstück eingebracht wird.
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Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass die an der Bipolarplattenhälfte anliegende und druckbeaufschlage Gasdiffusionslage (GDL) in die Kanalstruktur eindringt, so dass sich der effektive, für die Medienverteilung zur Verfügung stehende Kanalquerschnitt verringert.
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Zusätzlich ergibt sich das Problem, dass unter den Stegen der Bipolarplattenhälfte auf der Kathodenseite Wasser ansammelt. Dieses Wasser wird typischerweise zwischen GDL und Membran gebildet und muss die GDL in Richtung der Luft-Kanäle in der Bipolarplattenhälfte verlassen und wird dort mit dem Luftstrom abtransportiert. Durch die auf die GDL aufliegenden Stege der Bipolarplattenhälfte wird dieser Prozess allerdings behindert, so dass es dort zu einer Wasseransammlung kommt.
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Diese Probleme könnten jedoch gelöst werden, wenn die Stegbreite und die Kanalbreite verringert werden würde. Um die grobe Verteilung der Betriebsmedien mit einem geringen Druckverlust und ohne größere Kosten zu gewährleisten wird eine konventionelle Bipolarplattenhälfte typischerweise durch Prägen einer Kanalstruktur in ein ca. 0,1mm dickes Blech hergestellt. Bezüglich der Kanalabmessungen, insbesondere der Kanalbreite, sind dadurch Grenzen vorgegeben, welche sich aus der Blechdicke und dem Prägeprozess ergeben.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die vorgenannten Probleme auf wirtschaftliche Weise gelöst werden können. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplattenhälfte für eine Brennstoffzelle gelöst. Dieses Verfahren umfasst dabei die Schritte des Synchronisierten Vorbeiführens eines endlos umlaufenden Siebes an einem bewegten Substrat, des Aufbringens eines Medienverteilmaterials auf das Substrat mittels eines Siebdruckschrittes zum Ausbilden einer Medienverteilstruktur, und des Abhebens des Siebes vom Substrat.
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Als Sieb im Sinne der Erfindung wird eine Maske verstanden, welche eine Negativform der zu erstellenden Struktur aufweist. Diese Maske ist dabei gegebenenfalls noch um Stützstrukturen zur Stabilisierung der Medienverteilstruktur ergänzt. Unter einem Synchronisierten Vorbeiführen im Sinne der Erfindung wird dabei verstanden, dass die Geschwindigkeit des Siebes und des Substrates aneinander angeglichen werden. Dadurch besteht zwischen dem Sieb und dem Substrat keine Relativgeschwindigkeit. Als Medienverteilstruktur bzw. Medienverteilmaterial wird die zum Leiten und Verteilen der Medien vorgesehene Kanalstruktur bzw. das Material aus dem die Kanalstruktur hergestellt ist, verstanden. Als Medienverteilmaterial wird dabei vorzugsweise eine elektrisch leitfähige Paste, bei welcher Ruß in einen Binder eingebettet ist, verwendet. Die Verwendung von Ruß in einem Medienverteilmaterial hat den Vorteil, dass zu im Stand der Technik verwendeten beschichteten Blechen eine höhere Korrosionsbeständigkeit vorliegt. Das Substrat ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel Blech oder Folie.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit kein Blech geprägt. Bei der Ausbildung der Bipolarplattenhälfte sind somit nicht die üblichen durch den Prägeprozess des Bleches gesetzten Grenzen vorhanden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich deutlich kleinere Stegbreiten, Kanalbreiten und Kanalhöhen bereitzustellen. Ebenso können flexiblere Strukturen hergestellt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden somit flexible Strukturen in einer Größenordnung von vorzugsweise 100µm bis 500 µm gebildet. Besonders bevorzugt werden Strukturen in einer Größenordnung von 100µm bis 200µm gebildet.
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Durch die geringere Kanalbreite wird die GDL besser abgestützt, so dass es kaum zu einem Eindringen der GDL in die Kanalstruktur kommt und somit der Querschnitt nicht verringert wird. Durch die geringere Breite der Stege wird der Wasserabfluss kaum behindert, so dass es zudem kaum zu einer Wasseransammlung im Bereich der Stege kommt. Dadurch wird ein störungsfreier und effizienter Betrieb der Brennstoffzelle sichergestellt.
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Die Erfindung hat zusätzlich den Vorteil, dass durch die geringere Kanalhöhe der Bipolarplattenhälfte eine minimale Stackhöhe erzielt wird. Dadurch ergibt sich ein geringerer Platzbedarf für die Brennstoffzelle.
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Durch das endlos umlaufende Sieb und den Siebdruckschritt, hat das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich den Vorteil, dass eine mit diesem Verfahren hergestellte Bipolarplattenhälfte trotz alledem wirtschaftlich herstellbar ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird ein Aufheizschritt des auf das Substrat aufgebrachten Medienverteilmaterials nach dem Abheben des Siebes vom Substrat durgeführt. Dies hat den Vorteil, dass der Trocknungsprozess nach dem Abheben des Siebes schneller beendet und die Bipolarplattenhälfte damit schneller eingesetzt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Aufheizschritt zwischen Aufbringen des Medienverteilmaterials und Abheben des Siebes durchgeführt. Bei diesem Aufheizschritt werden die Medienverteilstrukturen vor dem Abheben des Siebes bereits vorverfestigt. Dadurch wird die Ablösbarkeit des Siebes von den Medienversteilstrukturen verbessert und der Anteil der Medienverteilmaterialreste im Sieb verringert. Dies hat den Vorteil, dass die Formgenauigkeit der Medienverteilstrukturen verbessert ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Reinigens des Siebes nach dem Abheben vom Substrat. Durch den Schritt des Reinigens werden im Sieb verbleibende Medienverteilmaterialreste entfernt. Bei einem anschließenden Beschichtungsprozess stören diese Reste nicht die Ausbildung der Medienverteilstrukturen. Dadurch kann eine hohe Qualität bei der Ausbildung der Medienverteilstrukturen sichergestellt werden.
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Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren den Schritt des Kontrollierens des Siebes nach dem Abheben vom Substrat. Bei diesem Schritt wird insbesondere kontrolliert, ob das Sieb Fehler aufweist, welches sich auf die Ausbildung der Medienverteilstruktur auswirken oder zu einem Ausfall des Siebes führen könnte. Vorzugsweise kann zusätzlich kontrolliert werden, ob ein vorangegangener Reinigungsschritt erfolgreich gewesen ist. Dadurch kann eine hohe und gleichbleibende Qualität der Medienverteilstrukturen sichergestellt werden.
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Das Verfahren umfasst bevorzugt den Schritt des Aufbringens eines Trennmittels auf das Sieb vor dem Aufbringen des Medienverteilmaterials. Als Trennmittel im Sinne der Erfindung wird dabei ein Mittel verstanden, welches ein einfaches Abheben des Siebes von dem Substrat ermöglicht. Dadurch soll vermieden werden, dass Teile der Medienverteilstruktur während des Abhebens im Sieb hängen bleiben. Dadurch kann eine hohe Qualität der Medienverteilstruktur sichergestellt werden. Auch ein nach dem Abheben anschließender Reinigungsprozess wird dadurch vereinfacht. Alternativ kann auch ein als dauerhaftes Trennmittel vorgesehenes Mittel vor einer ersten Benutzung auf das Sieb aufgebracht sein. In diesem Fall könnte ein ständiger Aufbringschritt während des Verfahrens entfallen.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung wird als Medienverteilmaterial ein Material verwendet, welches Graphitpartikel und Binder, oder Metallpartikel und Binder umfasst. Diese Graphitpartikel und Binder werden dabei bevorzugt als Paste aufgebracht. Die Verwendung eines solchen Materials hat den Vorteil, dass zu im Stand der Technik verwendeten beschichteten Blechen eine höhere Korrosionsbeständigkeit vorliegt. Dadurch kann die Lebensdauer einer derart hergestellten Brennstoffzelle verlängert werden. Besonders bevorzugt sind die Metallpartikel aus rostfreiem Stahl. Hier ist ein späterer Sinterschritt notwendig.
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Die Aufgabe der Erfindung wird zusätzlich durch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst. Die Vorrichtung umfasst dabei ein endlos umlaufendes Sieb, mittels welchem eine Medienverteilstruktur auf einem Substrat ausbildbar ist, eine Antriebseinheit, welche eingerichtet ist, das Sieb anzutreiben und umzulenken, so dass das Sieb endlos umlaufbar ist, eine Beschichtungseinheit, mittels welcher über einen Siebdruckschritt ein Medienverteilmaterial auf das Substrat aufbringbar ist, und eine Heizeinheit, zum Aufheizen und Trocknens des Medienverteilmaterials, wobei die Heizeinheit in Bewegungsrichtung des Substrates nach einem Bereich des endlos umlaufenden Siebes angeordnet ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die zu dem Verfahren angegebenen Vorteile erzielt werden.
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Bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Mit den in den abhängigen Ansprüchen beanspruchten Ausführungsformen der Vorrichtung können die zu dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile erzielt werden.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist das Sieb eine Maske auf zum Ausformen von Medienverteilstrukturen in Form von Säulen, Kanäle und/oder gebogenen Stegen. Dadurch kann eine auf den gewünschten Einsatzbereich der Bipolarplattenhälfte gewünschte Medienverteilstruktur hergestellt werden.
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Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche mindestens eine Bipolarplattenhälfte umfasst, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Dadurch können die zu dem Verfahren genannten Vorteile erzielt werden.
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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). Dadurch können die zu der Brennstoffzelle genannten Vorteile erzielt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1a Darstellung einer Bipolarplattenhälfte nach dem Stand der Technik mit einem durch die GDL verringerten Kanalquerschnitt,
- 1b Darstellung einer Bipolarplattenhälfte nach dem Stand der Technik mit einer Wasseransammlung zwischen Bipolarplattenhälfte und GDL bzw. in der GDL,
- 2 Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 Vergrößerte Darstellung der wesentlichen Prozessschritte nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 Ausführungsbeispiele der Medienverteilstrukturen, und
- 5 Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplattenhälfte.
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1a zeigt eine Bipolarplattenhälfte 14 nach dem Stand der Technik mit einer an der Bipolarplattenhälfte 14 anliegenden Gasdiffusionslage (GDL) 18. Die Bipolarplattenhälfte 14, welche aus einem durch einen Prägeprozess bearbeiteten Blech 24 mit einer Ausgangsdicke von ca. 0,1mm gebildet ist, bildet dabei Stege 28 aus, welche eine durchschnittlichen Stegbreite d aufweisen und an der GDL 18 anliegen. Eine Summe aus Stegbreite d und einer für einen Luftkanal 32 durchschnittlichen Kanalbreite b liegt dabei fertigungsbedingt üblicherweise nicht unter ca. 1,5 bis 2 mm. Mit einer entsprechenden Kanalhöhe h, welche typischerweise bei ca. 0,5 mm liegt, ergibt sich ein für den Luftkanal 32 zur Verfügung stehender Kanalquerschnitt Q. In 1a ist zusätzlich die Verformung (siehe gestrichelte Linien) der GDL 18' unter Druck gezeigt. Dadurch verringert sich der zur Verfügung stehende Kanalquerschnitt Q.
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In 1b ist eine weitere Bipolarplattenhälfte 14 nach dem Stand der Technik gezeigt. Bei dieser Bipolarplattenhälfte 14 bildet sich an den Stegen 28 Wasser 18". Dieses Wasser 18" kommt dadurch zustande, dass das sich als Reaktionsprodukt bildende Wasser bei den Stegen 28 schlecht durch die GDL 18 abgeführt werden kann. Dadurch kommt es in der GDL 18 zu einer Wasseransammlung, welche zu einer Blockade des Gastransportes führt.
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2 ist eine Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 36 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 36 umfasst ein Sieb 40, mittels welchem eine Medienverteilstruktur (siehe 4) 44 auf einem bewegten Substrat 48 aufbringbar ist. Die Vorrichtung 36 umfasst zusätzlich eine Antriebseinheit 52, die angetriebene Umlenkrollen 56 aufweist, über welche das Sieb 40 umgelenkt wird und endlos umlaufend entlang einer Siebbewegungsrichtung 58 vorgesehen ist. Die Antriebseinheit 52 synchronisiert dabei die Geschwindigkeit des Siebes 40 an die Geschwindigkeit des bewegten Substrates 48. Die Vorrichtung 36 umfasst eine Beschichtungseinheit 60, welche mittels eines Siebdruckschrittes ein Medienverteilmaterial 62 auf das Substrat 48 aufbringt. Im Bereich des endlos umlaufenden Siebes 40 in Bewegungsrichtung 64 des Substrates 48 nach der Beschichtungseinheit 60 ist eine Vorheizeinheit 68, zum Aufheizen und Trocknens des aufgebrachten Medienverteilmaterials 62 angeordnet. Bei Verlassen des Bereiches des endlos umlaufenden Siebes 40 wird das Sieb 40 vom Substrat 48 abgehoben, so dass eine Medienverteilstruktur 44 auf dem Substrat 48 zurückbleibt. In Bewegungsrichtung 64 des Substrates 48 nach einem Bereich des endlos umlaufenden Siebes 40 ist eine Heizeinheit 72 angeordnet, welche die Medienverteilstruktur 44 aufheizt und trocknet bzw. aushärtet oder versintert - je nach verwendetem Material und Binder. Nach dem Abheben des Siebes 40 von dem Substrat 48 und vor dem erneuten Aufbringen des Siebes 40 auf das Substrat 48 sind eine Reinigungseinheit 76 und eine Überprüfungseinheit 80 angeordnet. Bei diesen Einheiten 76, 80 wird das Sieb 40 gereinigt und auf Fehler überprüft.
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Obwohl in dem obigen Ausführungsbeispiel die Vorheizeinheit 68 gezeigt ist sind auch Ausführungsbeispiele denkbar, bei welchen lediglich die Heizeinheit 72 allein verwendet wird. In gleicher Weise sind eine Überprüfungseinheit 80 und eine Reinigungseinheit 76 lediglich optional vorgesehen.
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In 3 in eine Vergrößerte Darstellung der wesentlichen Prozessschritte nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, gezeigt. Hierbei ist zu sehen, dass die Beschichtungseinheit 60 das Medienverteilmaterial 62 in Kanäle 84 des Siebes 40 auf das Substrat 48 aufbringt. Anschließend an den Beschichtungsprozess wird das Medienverteilmaterial 62 mittels der Vorheizeinheit 68 aufgeheizt, um die Medienverteilmaterial 62 zu trockenen und zu verfestigen. Anschließend daran wird das Sieb 40 von dem Substrat 48 abgehoben, so dass auf dem Substrat 48 lediglich die Medienverteilstruktur 44 übrig bleibt.
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4 zeigt zwei verschiedene Beispiele an Medienverteilstrukturen 44. Als mögliche Medienverteilstrukturen 44 sind hier Säulen 88 und Kanäle 92 gezeigt.
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In 5 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplattenhälfte 14 dargestellt. In dieser Figur ist die deutlich geringere Stegbreite d, Kanalbreite b und Steghöhe h zur der in 1a gezeigten Bipolarplattenhälfte nach dem Stand der Technik dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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