DE102019208908A1

DE102019208908A1 - Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102019208908A1
Application number: DE102019208908.9A
Authority: DE
Inventors: Vanessa Quiroz; Thomas Woehrle; Ralf Westerheide
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-12-24
Also published as: WO2020254466A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (10), insbesondere einer metallgeträgerten Brennstoffzelle (12). Es wird vorgeschlagen ein Interkonnektor (14) und/oder ein Träger (16) mittels eines Strahlschmelzverfahrens auszubilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer metallgeträgerten Brennstoffzelle, sowie eine Brennstoffzelle die mittels eines solchen Verfahrens hergestellt wurde.
Stand der Technik
Es sind Brennstoffzellen, insbesondere metallgeträgerte Brennstoffzellen bekannt, bei welchen ein Träger und/oder ein Interkonnektor aus einem Blech geformt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Interkonnektor und/oder ein Träger mittels eines Strahlschmelzverfahrens ausgebildet werden. Dadurch kann die Herstellung einer Brennstoffzelle effizienter erfolgen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch möglich. So kann es sich bei dem Strahlschmelzverfahren um ein selektives Laserschmelzverfahren und/oder ein Elektronenstrahlschmelzverfahren handeln. Wodurch eine besonders effiziente Herstellung einer Brennstoffzelle ermöglicht wird.
Vorteilhaft ist es, wenn der Interkonnektor und/oder der Träger aus zumindest einem pulverförmigen Werkstoff gebildet werden, wodurch die chemische Zusammensetzung flexibel gestaltet werden kann.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der pulverförmige Werkstoff in einzelnen Schichten auf eine Platte aufgetragen wird und die einzelnen Schichten lokal umgeschmolzen werden, indem sie, insbesondere mittels eines Laserstrahls und/oder eines Elektronenstrahls, lokal bestrahlt werden. Dadurch kann das Verfahren anlagentechnisch vereinfacht umgesetzt werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die einzelnen Schichten des pulverförmigen Werkstoffs zeilenweise bestrahlt werden und eine Porosität, vorzugsweise von 0,5 % bis 50 %, anpassbar ist, indem ein Abstand, vorzugsweise von 100 µm bis 400 µm, zwischen zwei benachbarten Zeilen eingestellt wird, wodurch eine flexible Gestaltung eines Trägers und/oder eines Interkonnektors hinsichtlich ihrer Porosität, ermöglicht wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Interkonnektor gasdicht und/oder der Träger gasdurchlässig, insbesondere porös, ausgebildet werden, wodurch eine Betriebseffizienz der Brennstoffzelle gesteigert werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn der Träger mit einer Porosität von 10 % bis 80 %, vorzugsweise von 50 % bis 60 %, ausgebildet wird, wodurch ebenfalls eine Betriebseffizienz der Brennstoffzelle gesteigert werden kann.
Von Vorteil ist es auch, wenn der Interkonnektor und der Träger als eine Einheit ausgebildet werden, wodurch das Verfahren zusätzlich vereinfacht wird.
Auch ist es von Vorteil, wenn der Träger mittels des Strahlschmelzverfahrens auf einem bereits vorgefertigten Interkonnektor ausgebildet wird, wodurch das Verfahren ebenfalls zusätzlich vereinfacht wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle die mittels eines Verfahrens nach der vorhergehenden Beschreibung hergestellt wurde.
Figurenliste
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 eine Explosionszeichnung einer Brennstoffzelle die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde,
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus 2

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Explosionszeichnung einer Brennstoffzelle 10 gezeigt, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. Die Brennstoffzelle 10 umfasst einen Interkonnektor 14 und einen Träger 16, im vorliegenden Fall einen Metallträger 18. Entsprechend handelt es sich bei der Brennstoffzelle 10 um eine metallgeträgerte Brennstoffzelle 12, insbesondere um eine metallgeträgerte SOFC. So ist auf dem Träger 16, bzw. dem Metallträger 18 ein Funktionsschichtsystem 20 ausgebildet, welches eine Anode 22, einen Elektrolyten 24 und eine Kathode 26 umfasst.
Im gezeigten Fall ist auf dem Funktionsschichtsystem 20 wiederum ein weiterer Interkonnektor 28 und ein weiterer Träger 30 ausgebildet. Diese wurden im vorliegenden Fall ebenfalls mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt und können entweder als direkte elektrische Anschlussmöglichkeit fungieren, oder als Basis für eine weitere Brennstoffzelle 10 mit einem weiteren Funktionsschichtsystem auf dem weiteren Träger 30. So kann eine Vielzahl von Brennstoffzellen 10 auch einen Brennstoffzellenstack bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich nun dadurch aus, dass der Interkonnektor 14 und der Träger 16 mittels eines Strahlschmelzverfahrens ausgebildet werden. Dadurch kann die Herstellung einer Brennstoffzelle deutlich effizienter erfolgen, wodurch sich kostenspezifische und technologische Vorteile ergeben.
Im vorliegenden Fall wurden der Interkonnektor 14 und der Träger 16 mittels eines Laserschmelzverfahrens hergestellt. Alternativ wäre es aber auch möglich, den Interkonnektor 14 und/oder den Träger 16 mittels eines Elektronenstrahlverfahrens herzustellen. Ebenso wäre auch eine Kombination aus einem Laserstrahlverfahren und einem Elektronenstrahlverfahren möglich. So kann eine besonders effiziente und kostengünstige Herstellung der Brennstoffzelle 10 erfolgen.
In 2 und 3 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 32 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die Vorrichtung 32 weist eine erste Platte 34 mit einer ersten Oberfläche 36 und eine zweite Platte 38 mit einer zweiten Oberfläche 40 auf. Die erste Platte 34 ist gegenüber der zweiten Platte 38 bewegbar angeordnet. Die zweite Platte 38 ist dicker ausgebildet als die erste Platte 34. Sowohl die erste Platte 34 als auch die zweite Platte 38 sind horizontal angeordnet, wobei die zweite Platte 38 die erste Platte 34 umrandet.
Nun werden der Interkonnektor 14 und der Träger 16 aus zumindest einem pulverförmigen Werkstoff 42 gebildet, wodurch die chemische Zusammensetzung, aus welcher der Interkonnektor 14 und/oder der Träger 16 hergestellt werden sollen, flexibel gestaltet werden kann. Im vorliegenden Fall werden der Interkonnektor 14 und der Träger 16 aus einer Legierung mit einem Chromgehalt von nicht weniger als 10 Gew.-% gebildet, wodurch die Beständigkeit der Brennstoffzelle erhöht wird.
Die Vorrichtung 10 weist einen Werkstoffspender 44, im vorliegenden Fall einen Schieber 46, auf, welcher dazu vorgesehen ist den pulverförmigen Werkstoff 42 für das erfindungsgemäße Verfahren bereitzustellen. Der Werkstoffspender 44 ist hierzu horizontal entlang der zweiten Oberfläche 40 der zweiten Platte 38 bewegbar angeordnet.
Zu Beginn des Verfahrens sind die erste Platte 34 und die zweite Platte 38 so zueinander positioniert, dass die erste Oberfläche 36 der ersten Platte 34 mit der zweiten Oberfläche 40 der zweiten Platte 38 in einer horizontalen Ebene liegt. Wird nun die erste Platte 34 gegenüber der zweiten Platte 38 nach unten bewegt, so bildet die erste Platte 34 mit der zweiten Platte 38 eine Auffangwanne 48, in welche mittels des Werkstoffspenders 44 der pulverförmige Werkstoff 42 eingebracht werden kann.
Im gezeigten Fall wird nun die erste Platte 34 schrittweise gegenüber der zweiten Platte 38 nach unten bewegt, wobei der pulverförmige Werkstoff 32 mittels des Werkstoffspenders 44, im vorliegenden Fall mittels des Schiebers 46, in einzelnen Schichten auf die erste Platte 34 aufgetragen, bzw. in die Auffangwanne 48 eingebracht, wird, wird. Die einzelnen Schichten wiederum werden jeweils lokal umgeschmolzen, indem sie, im vorliegenden Fall mittels eines Laserstrahls 50, alternativ auch mittels eines Elektronenstrahls, lokal bestrahlt werden. So verschmilzt und verfestigt sich der pulverförmige Werkstoff 42 schichtweise an den Stellen an denen er lokal bestrahlt wird, was eine schichtweise Ausgestaltung des Interkonnektors 14 und/oder des Trägers 16 ermöglicht. Nach vollständiger Ausgestaltung des Interkonnektors 14 und des Trägers 16 wird dann die erste Platte 34 nach oben geschoben und nicht umgeschmolzener, pulverförmiger Werkstoff 42 abgesaugt, so dass der Interkonnektor 14 und/oder der Träger 16 in verfestigter Form verbleiben.
Die einzelnen Schichten des pulverförmigen Werkstoffs 42 werden zeilenweise bestrahlt. Dabei ist eine Porosität, vorzugsweise von 0,5 % bis 50 %, anpassbar, indem ein Abstand A, vorzugsweise von 100 µm bis 400 µm, zwischen zwei benachbarten Zeilen eingestellt wird. So wird die Möglichkeit geschaffen während der Herstellung die Porosität des Interkonnektors 14 und/oder des Trägers 16 flexibel zu gestallten. Entsprechend ist in 2 und in 3 der Laserstrahl 50 in einer durchgezogenen Linie und ein weiterer Laserstrahl 52 in einer gestrichelten Linie dargestellt, wobei der weitere Laserstrahl 52 zeitlich versetzt dem Laserstrahl 50 bei Bestrahlung einer benachbarten Zeile entspricht.
Der Interkonnektor 14 wird gasdicht ausgebildet, während der Träger 16 gasdurchlässig, im gezeigten Fall porös, ausgebildet wird. Dadurch ist es möglich den Interkonnektor 14 und den Träger 16 mit einer besonders vorteilhaft angepassten Porosität einfach herzustellen. Entsprechend wird es ermöglicht den Interkonnektor 14 so auszugestalten, dass dieser einen Gasführungsraum gasdicht begrenzt, während der Träger 16 eine Durchlässigkeit von Gas erlauben kann, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzelle 10 positiv beeinflusst wird.
Wie man 1 und 3 entnehmen kann wird im vorliegenden Fall der Träger 16 mit einer Kanalstruktur 54 ausgebildet, die mittels des vorliegenden Verfahrens besonders einfach ausgebildet werden kann und ebenfalls in einer verbesserten Betriebseffizienz der Brennstoffzelle 10 resultiert.
Der Träger 16 wird mit einer Porosität von 10 % bis 80 %, im vorliegenden Fall von 50 % bis 60 %, ausgebildet, die ebenfalls mittels des vorliegenden Falls einfach realisiert werden kann und ein vorteilhaft hohes Durchströmen von Gas ermöglicht. Eine Porosität größer als 50% kann durch das Drucken von offenen Strukturen erreicht werden. Im vorliegenden Fall ist der Interkonnektor mit einer Porosität von 0,5 % bis 10% ausgebildet, wodurch eine Gasdichtheit gewährleistet werden kann. Alternativ wäre auch eine Porosität von weniger als 0,5 % denkbar. Darüber hinaus kann durch das vorliegende Verfahren auch eine gradierte Porosität eingestellt werden, wodurch eine flexible Ausgestaltung der Porosität des Interkonnektors und/oder des Trägers möglich ist.
Entsprechend kann durch das vorliegende Verfahren der Interkonnektor 14 und der Träger 16 flexibel, einfach und schnell mit einer gewünschten Architektur für die Brennstoffzelle 10 hergestellt werden. Bezugnehmend auf die in 1 gezeigte Brennstoffzelle 10 wurde der Interkonnektor 14 so hergestellt, dass er seitens des Trägers 16 einen Gasführungsraum 56 für Brennstoff, im vorliegenden Fall Wasserstoff, ausbildet, wobei der Träger 16 aufgrund der hergestellten Porosität ein Durchströmen der Luft zur Anode 22 des Funktionsschichtsystems 20 ermöglicht. Der weitere Interkonnektor 28 wiederum wurde so hergestellt, dass er von der vom weiteren Träger 30 abgewandten Seite einen Gasführungsraum 58 für Luft ausbildet, der einen Zufluss der Luft zur Kathode 26 des Funktionsschichtsystems 20 ermöglicht. Im vorliegenden Fall wurden der Interkonnektor 14 und der Träger 16 baugleich zu dem weiteren Interkonnektor 28 und dem weiteren Träger 30 mittels des vorliegenden Verfahrens hergestellt. Alternativ wäre es außerdem auch möglich, den weiteren Träger 30 kathodenseitig auszubilden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden der Interkonnektor 14 und der Träger 16 als eine Einheit 60 ausgebildet. Entsprechend wurde der Träger 16 mittels des Strahlschmelzverfahrens direkt auf dem Interkonnektor 18 ausgebildet. Dadurch lässt sich die Bauhöhe reduzieren, wodurch eine kompaktere Bauweise ermöglicht wird. Dadurch wiederum lässt sich die Leistungsdichte der herzustellenden Brennstoffzelle 10 erhören.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wäre es aber auch möglich, den Träger 16 mittels des Strahlschmelzverfahrens auf einem bereits vorgefertigten Interkonnektor auszubilden, wodurch ebenfalls eine Herstellung der Brennstoffzelle 10 mit den genannten Vorteilen ermöglicht wird.
Durch das vorliegende Verfahren können vor allem weitere separate Prozessschritte, wie beispielsweise Schweißen, zum Aufbringen des Trägers 16 auf den Interkonnektor 14 entfallen. Auch lassen sich der Interkonnektor und der Metallträger so verbinden, dass eine üblicherweise benötigte nachträgliche Dichtung entfallen kann. Ebenso kann zugleich die Teilevielfalt für die weitere Herstellung der Brennstoffzelle 10 reduziert werden. Darüber hinaus kann das Verfahren anlagetechnisch als kontinuierliches Verfahren umgesetzt werden, beispielsweise mittels eines Förderbandes in einer Anlage.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (10), insbesondere einer metallgeträgerten Brennstoffzelle (12), dadurch gekennzeichnet, dass ein Interkonnektor (14) und/oder ein Träger (16) mittels eines Strahlschmelzverfahrens ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Strahlschmelzverfahren um ein selektives Laserschmelzverfahren und/oder ein Elektronenstrahlschmelzverfahren handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkonnektor (14) und/oder der Träger (16) aus zumindest einem pulverförmigen Werkstoff (42) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff (42) in einzelnen Schichten auf eine Platte (34) aufgetragen wird und die einzelnen Schichten lokal umgeschmolzen werden, indem sie, insbesondere mittels eines Laserstrahls (50) und/oder eines Elektronenstrahls, lokal bestrahlt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten des pulverförmigen Werkstoffs (42) zeilenweise bestrahlt werden und eine Porosität, vorzugsweise von 0,5 % bis 50 %, anpassbar ist, indem ein Abstand (A), vorzugsweise von 100 µm bis 400 µm, zwischen zwei benachbarten Zeilen eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkonnektor (14) gasdicht und/oder der Träger (16) gasdurchlässig, insbesondere porös, ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (16) mit einer Porosität von 10 % bis 80 %, vorzugsweise von 50 % bis 60 %, ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkonnektor (14) und der Träger (16) als eine Einheit (30) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (16) mittels des Strahlschmelzverfahrens auf einem bereits vorgefertigten Interkonnektor ausgebildet wird.
Brennstoffzelle (10), insbesondere metallgeträgerte Brennstoffzelle (12), hergestellt durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.