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Stand der Technik
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Es ist bereits ein Verfahren, bei welchem additiv ein Metallträger einer Brennstoffzelle hergestellt wird, vorgeschlagen worden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren, bei welchem additiv ein Metallträger einer Brennstoffzelle hergestellt wird.
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Es wird vorgeschlagen, dass der Metallträger durch Auftragung einer Metallschicht auf eine Basisstruktur aufgebaut wird, welche nach Fertigstellung als Bestandteil des Metallträgers erhalten bleibt.
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Der Metallträger wird in dem additiven Verfahren vorzugsweise schichtweise, insbesondere pulvermetallurgisch, hergestellt. Das additive Verfahren basiert insbesondere auf gattungsgemäßen Verfahren, welche unter den Bezeichnungen „3D-Druck“, „Additive Fertigung“, „Additive Manufacturing“, „Generative Fertigung“, „Rapid Technologien“ oder dergleichen bekannt sind. Das additive Verfahren oder einzelne Verfahrensschritte des additiven Verfahrens können, ohne darauf beschränkt zu sein, ein selektives Lasersintern und/oder ein selektives Laserschmelzen und/oder ein selektives Elektronenstrahlschmelzen umfassen.
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Unter einem „Metallträger“ soll insbesondere ein metallisches Bauteil für eine Brennstoffzelle, insbesondere ein Brennstoffzellenmettallträger, verstanden werden, welches insbesondere eine Trägerstruktur für zumindest eine Elektrode der Brennstoffzelle, insbesondere für zumindest eine Kathode und/oder Anode der Brennstoffzelle, und/oder für zumindest ein Elektrolyt der Brennstoffzelle, ausbildet. Vorzugsweise ist der in dem additiven Verfahren hergestellte Metallträger als ein Bauteil für eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) vorgesehen. Alternativ wäre denkbar, dass der Metallträger als Bestandteil einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC), einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), einer Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), einer alkalischen Brennstoffzelle (AFC) oder dergleichen zum Einsatz kommt.
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Unter einer „Basisstruktur“ soll insbesondere ein tragfähiges Bauteil verstanden werden, auf welchem die Metallschicht des Metallträgers aufgebaut wird. Die Basisstruktur unterscheidet sich insbesondere von einer bei gattungsgemäßen Verfahren üblicherweise verwendeten Aufbauplatte, insbesondere zumindest dahingehend, dass die Basisstruktur als ein Bestandteil des Metallträgers ausgebildet, nach Fertigstellung des Metallträgers an diesem erhalten bleibt und nicht abgetrennt wird. Die Basisstruktur kann insbesondere aus dem gleichen oder einem ähnlichen Metall beziehungsweise aus der gleichen oder einer ähnlichen Metalllegierung hergestellt werden wie die Metallschicht des Metallträgers. Die Basisstruktur kann insbesondere in einem Verfahrensschritt des additiven Verfahrens hergestellt werden. Alternativ kann ein in einem anderen Prozess vorgefertigtes Bauteil als Basisstruktur in dem Verfahren eingesetzt werden.
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Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell 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.
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Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft ein besonders effizientes Verfahren bereitgestellt werden. Insbesondere kann vorteilhaft auf eine Verwendung einer Aufbauplatte, welche bei herkömmlichen additiven Verfahren zur Herstellung von Metallträgern ansonsten erforderlich ist, verzichtet werden, wodurch eine signifikante Steigerung einer Effizienz erzielt werden kann. Indem auf eine Verwendung einer Aufbauplatte verzichtet wird, entfällt vorteilhaft ein kostenintensiver Verfahrensschritt zu einem Abtrennen der Aufbauplatte, welcher auf Grund der geringen Aufbauhöhe des Metallträgers bisher eine große Herausforderung darstellt und zudem nur sehr schwer automatisiert werden kann. Durch Aufbau des Metallträgers direkt auf der Basisstruktur, ohne die Verwendung einer Aufbauplatte, kann zudem vorteilhaft ein Verzug in dem Metallträger, welcher normalerweise insbesondere aufgrund von Relaxation aufbaubedingter Eigenspannungen zwischen dem Metallträger und der Aufbauplatte entsteht, verringert, vorzugsweise minimiert, werden. Hierdurch kann zudem vorteilhaft ein Materialausschuss verringert und auf eine aufwendige und kostenintensive Nacharbeit, insbesondere auf ein aufgrund von Verzug erforderliches nachträgliches Richten des Metallträgers oder auf ein Entgraten von Abtrennstellen, verzichtet werden, wodurch die Effizienz des Verfahrens, gegenüber herkömmlichen Verfahren zur additiven Herstellung von Metallträgern, weiter gesteigert werden kann. Insbesondere ist denkbar, dass das Verfahren als ein kontinuierliches Verfahren, beispielsweise mittels eines Förderbandes an einer selektiven Leserschmelzanlage (SLM), umsetzbar ist, wodurch die Effizienz noch weiter gesteigert werden könnte. Zudem können in dem Verfahren Metallträger mit besonders vorteilhaften funktionellen und/oder geometrischen und/oder strukturmechanischen Eigenschaften, welche insbesondere auf spezielle Erfordernisse der Brennstoffzelle ausgerichtet sein können, hergestellt werden, wodurch vorteilhaft eine Herstellung von besonders kompakten Brennstoffzellen mit insbesondere hohen Leistungsdichten und Wirkungsgraden ermöglicht wird.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Metallschicht schichtweise in Form mehrerer übereinanderliegender Metallteilschichten aufgebracht wird. Hierdurch kann vorteilhaft die Metallschicht des Metallträgers besonders präzise und insbesondere mit genau definierten Eigenschaften hergestellt werden. Es ist insbesondere denkbar, dass zumindest eine der Metallteilschichten der Metallschicht mit, insbesondere strukturellen und/oder geometrischen, Merkmalen hergestellt wird, welche sich von zumindest einer weiteren Metallteilschicht der Metallschicht unterscheiden. Beispielsweise könnte eine der Metallteilschichten der Metallschichten eine erste Porosität und eine weitere der Metallteilschichten eine von der ersten Porosität verschiedene zweite Porosität aufweisen. Zudem wäre denkbar, dass eine der Metallteilschichten eine spezielle Oberflächenstruktur aufweist.
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Eine der Metallteilschichten, insbesondere eine oberste Metallteilschicht, welche zu einem direkten Kontakt mit einer Elektrode der Brennstoffzelle vorgesehen ist, könnte beispielsweise eine spezielle Oberflächenstruktur und/oder Geometrie aufweisen, welche ein vereinfachtes Aufbringen der Elektrode an dem Metallträger ermöglicht und/oder eine Verbindung zwischen der Elektrode und dem Metallträger optimiert.
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Zudem wird vorgeschlagen, dass mittels eines thermischen Vorbehandlungsschritts an einer obersten Schicht eines losen Pulverbetts eine tragfähige Schicht erzeugt wird, welche als Basisstruktur verwendet wird. Durch eine derartige Ausgestaltung kann die Basisstruktur direkt in dem Verfahren mit hergestellt werden, wodurch eine besonders hohe Effizienz erreicht werden kann. Zudem kann vorteilhaft ein besonders verzugsarmer Metallträger, insbesondere mit sehr geringen Eigenspannungen, hergestellt werden. Vorzugsweise ist der thermische Vorbehandlungsschritt ein Sinterprozess, insbesondere selektives Lasersintern, bei welchem die oberste Schicht des losen Pulverbetts auf eine geeignete Temperatur, welche insbesondere unterhalb einer Schmelztemperatur des für das lose Pulverbett verwendeten Materials liegt, erhitzt wird. Die oberste Schicht des losen Pulverbetts könnte von allen Seiten gleichmäßig thermisch vorbehandelt werden. Vorzugsweise wird in dem thermischen Vorbehandlungsschritt ausschließlich die Seite der obersten Schicht des losen Pulverbetts thermisch vorbehandelt, auf welcher anschließend die Metallschicht, insbesondere eine erste Metallteilschicht der Metallschicht, aufgetragen wird.
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In einer alternativen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass ein vorgefertigtes Metallgitter als Basisstruktur verwendet wird. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Kostenersparnis erzielt werden. Unter einem „Metallgitter“ soll insbesondere ein metallisches Bauteil verstanden werden, welches aus zumindest zwei übereinander gekreuzt angeordneten Lagen, welche jeweils aus einer Vielzahl von, vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordneten, stabförmigen Metallteilen aufgebaut sind, besteht. Das Metallgitter kann insbesondere eine starre Basisstruktur sein und in seiner Grundform nur geringfügig verformbar sein. Alternativ kann das Metallgitter insbesondere als ein elastisches Metallnetz ausgebildet sein. Unter „elastisch“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das als Metallnetz ausgebildete Metallgitter wiederholt verformbar ist, ohne dabei mechanisch beschädigt oder zerstört zu werden und insbesondere nach einer Verformung selbstständig wieder einer Grundform zustrebt.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Metallträger mit einer vordefinierten Porositätsverteilung hergestellt wird. Vorzugsweise resultiert aus der vordefinierten Porositätsverteilung eine Gesamtporosität des Metallträgers, welche vorteilhaft zwischen 20 % und 70 %, vorzugsweise zwischen 30 % und 60 %, liegt. Hierdurch kann ein Metallträger für eine Brennstoffzelle mit besonders vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Strömungsführung von Prozessgasen innerhalb der Brennstoffzelle hergestellt werden. Unter einer „Porositätsverteilung“ soll insbesondere eine Verteilung einer Porosität des Metallträgers, also ein Verhältnis zwischen einem Hohlraumvolumen des Metallträgers zu einem Gesamtvolumen des Metallträgers, verstanden werden. Es kann insbesondere ein Metallträger mit einer homogenen Porositätsverteilung, also mit einem im Wesentlichen gleichmäßig über das Gesamtvolumen des Metallträgers verteilten Hohlraumvolumen, welcher insbesondere aus mehreren Metallteilschichten mit jeweils zumindest im Wesentlichen gleicher Porosität aufgebaut wird, hergestellt werden. Zudem kann ein Metallträger mit einer heterogen Porositätsverteilung, also mit verschiedenen Teilbereichen unterschiedlicher Porosität, insbesondere mit übereinanderliegenden Metallteilschichten unterschiedlicher Porosität, hergestellt werden. Beispielsweise könnte ein Metallträger mit einer heterogenen Porositätsverteilung hergestellt werden, welcher zumindest einen ersten Teilbereich mit einer ersten Porosität und zumindest einen weiteren Teilbereich mit einer gegenüber der ersten Porosität verschiedenen weiteren Porosität aufweist. Es ist insbesondere denkbar, dass ein Metallträger mit einer heterogen Porositätsverteilung hergestellt wird, welcher zumindest einen porenfreien Teilbereich aufweist.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Porosität der Metallschicht ausgehend von der Basisstruktur graduell eingestellt wird. Hierdurch kann vorteilhaft ein Metallträger für eine Brennstoffzelle mit einer gezielt auf die Brennstoffzelle abgestimmten Porosität hergestellt werden. Insbesondere kann vorteilhaft eine Strömungsführung von Prozessgasen innerhalb der Brennstoffzelle weiter optimiert und somit ein Wirkungsgrad der Brennstoffzelle gesteigert werden. Unter der Wendung „graduell eingestellt“ soll insbesondere verstanden werden, dass der Metallträger derart auf der Basisstruktur aufgebaut wird, dass seine Porosität ausgehend von der Basisstruktur in einer Richtung senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Basisstruktur zu oder abnimmt. Die Basisstruktur kann dabei insbesondere selbst eine bestimmte Porosität aufweisen, welche der graduellen Entwicklung der Porosität der auf der Basisstruktur aufgebauten Metallschicht entspricht. Alternativ ist insbesondere auch denkbar, dass die Basisstruktur eine Porosität aufweist, welche von der graduell eingestellten Porosität der Metallschicht abweicht. Unter einer „Haupterstreckungsrichtung“ eines Objekts soll dabei insbesondere eine Richtung verstanden werden, welche parallel zu einer längsten Kante eines kleinsten geometrischen Quaders verläuft, welcher das Objekt gerade noch vollständig umschließt.
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Es wäre beispielsweise denkbar, dass die vordefinierte Porositätsverteilung des Metallträgers durch Verwendung eines Pulvers aus Metallpartikeln mit einem bestimmten Durchmesser und/oder mit einer bestimmten, insbesondere mit einer graduell zunehmenden oder graduell abnehmenden, Partikelgrößenverteilung, hergestellt wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird jedoch vorgeschlagen, dass die Metallschicht mittels eines Laserverfahrens hergestellt und die Porosität über eine Laserintensität eingestellt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Laserverfahren um selektives Laserstrahlschmelzen oder selektives Elektronenstrahlschmelzen. Die Elektronenintensität kann insbesondere durch eine Variation eines zu einer Erzeugung eines Elektronenstrahls verwendeten Injektionsstroms eingestellt werden. Der Injektionsstrom beträgt dabei insbesondere zwischen 1 mA und 20 mA, vorzugsweise zwischen 3 mA und 15 mA und besonders bevorzugt zwischen 5 mA und 10 mA. Alternativ oder zusätzlich ist insbesondere denkbar, dass die Elektronenintensität durch eine gezielte Fokussierung beziehungsweise Defokussierung des Elektronenstrahls eingestellt wird. Zudem ist denkbar, dass die Elektronenintensität beispielsweise über eine Pulsdauer des Elektronenstrahls eingestellt werden kann. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Porosität des Metallträgers besonders gezielt und effizient eingestellt werden.
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Außerdem wird vorgeschlagen, dass in der Metallschicht zumindest eine Funktionsstruktur erzeugt wird. Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein Metallträger mit vorteilhaften funktionellen Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf eine verbesserte und gezielt gerichtete Durchströmung von Prozessgasen durch den Metallträger, hergestellt werden. Unter einer „Funktionsstruktur“ soll insbesondere ein Teilbereich des Metallträgers mit einer speziellen Struktur und/oder Geometrie verstanden werden, welcher dazu vorgesehen ist, zumindest eine über die eine reine Trägerfunktion des Metallträgers hinausgehende Funktion bereitzustellen. Beispielsweise könnte der Metallträger eine Funktionsstruktur aufweisen, welche, beispielsweise durch Einstellung bestimmter Oberflächeneigenschaften, dazu vorgesehen ist, eine Verbindung mit einer durch den Metallträger zu tragenden Elektrode der Brennstoffzelle zu begünstigen. Es ist insbesondere denkbar, dass in der Metallschicht mehrere Funktionsstrukturen erzeugt werden. Beispielsweise könnte in dem Metallträger eine erste Funktionsstruktur, welche zu einer Erfüllung einer ersten Funktion vorgesehen ist, und zumindest eine weitere Funktionsstruktur, welche zu einer Erfüllung einer weiteren von der ersten Funktion verschiedenen Funktion vorgesehen ist, erzeugt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt das Erzeugen der zumindest einen Funktionsstruktur in der Metallschicht insbesondere durch Variation der Laserintensität in einem Laserverfahren.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Funktionsstruktur als ein Fluidkanal ausgebildet wird. Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein Metallträger für eine Brennstoffzelle mit besonders vorteilhaften Durchströmungseigenschaften für Prozessgase hergestellt werden, wodurch insbesondere vorteilhaft ein Wirkungsgrad der Brennstoffzelle weiter gesteigert werden kann. Es ist insbesondere denkbar, dass in dem Metallträger mehrere Funktionsstrukturen erzeugt werden, welche jeweils als Fluidkanäle ausgebildet sind. Beispielsweise könnte in dem Metallträger ein erster Fluidkanal, welcher zu einer Durchströmung mit einem ersten Prozessgas vorgesehen ist, und ein weiterer von dem ersten Fluidkanal fluidtechnisch getrennter Fluidkanal, welcher zu einer Durchströmung eines weiteren von dem ersten Prozessgas verschiedenen Prozessgas vorgesehen ist, erzeugt werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in der Metallschicht zumindest ein gasdichter Bereich erzeugt wird. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft ein Metallträger hergestellt werden, welcher in einer Brennstoffzelle ohne normalerweise erforderliche zusätzliche Dichtungen verbaut werden kann. Durch Verwendung eines derart hergestellten Metallträgers kann zudem vorteilhaft eine besonders kompakte Bauweise einer Brennstoffzelle und somit eine besonders hohe Leistungsdichte ermöglicht werden. In der Metallschicht könnten insbesondere mehrere voneinander beabstandete gasdichte Bereiche erzeugt werden. Beispielsweise könnte zumindest ein gasdichter Bereich in einem Randbereich des Metallträgers erzeugt werden, welcher beispielsweise dazu vorgesehen sein kann, eine erste Dichtungsfunktion, insbesondere an Stelle einer ansonsten separat verbauten Dichtung, zu erfüllen. Ein weiterer gasdichter Bereich könnte in dem Metallträger beispielsweise dazu erzeugt werden, um zwei voneinander getrennt ausgebildete Fluidkanäle in dem Metallträger voneinander abzudichten.
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Ein Metallträger für eine Brennstoffzelle, insbesondere ein Brennstoffzellenmetallträger, welcher in einem Verfahren gemäß einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen hergestellt ist, zeichnet sich insbesondere durch seine vorteilhaften, auf Grund des Herstellungsverfahrens einzigartigen, optischen und/oder strukturmechanischen und/oder funktionellen Eigenschaften aus: Der Metallträger ist insbesondere frei von Abtrennstellen ausgebildet, welche bei herkömmlich hergestellten Metallträgern durch ein Abtrennen von einer Aufbauplatte entstehen und bei einer optischen Begutachtung des Metallträgers, insbesondere unter einem Mikroskop, erkennbar wären. Für den Fall, dass der Metallträger in einem Verfahren hergestellt worden ist, bei welchem ein vorgefertigtes Metallgitter als Basisstruktur verwendet wurde, wäre dies, bei einer optischen Begutachtung des Metallträgers, ebenfalls erkennbar. Ferner weist der Metallträger vorteilhaft nur sehr geringe Eigenspannungen auf, was insbesondere in einer Eigenspannungs-Analyse, beispielsweise mittels Röntgendiffraktometrie, an dem Metallträger nachweisbar wäre. Vorteilhafte funktionelle Eigenschaften des Metallträgers, beispielsweise eine vordefinierte Porositätsverteilung, insbesondere mit einem ausgehend von der Basisstruktur graduellen Verlauf der Porosität, und/oder ein Vorhandensein von Funktionsstrukturen, beispielsweise von Fluidkanälen oder dergleichen, und/oder gasdichten Bereichen in dem Metallträger wären bei einer optischen Begutachtung, insbesondere einer optischen Begutachtung eines Schliffbilds des Metallträgers unter einem Mikroskop, erkennbar.
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Eine Brennstoffzelle mit zumindest einem Metallträger, welcher in einem Verfahren gemäß einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen hergestellt ist, zeichnet sich insbesondere durch eine sehr kompakte Bauweise und/oder durch einen gesteigerten Wirkungsgrad, welcher insbesondere durch die oben genannten funktionellen Eigenschaften des Metallträgers und eine damit einhergehende verbesserte und besonders gezielte Durchströmung von Prozessgasen gesteigert ist, aus. Die Brennstoffzelle kann zudem vorteilhaft besonders effizient betrieben werden, da auf Grund der vorteilhaften Eigenschaften des Metallträgers Druckverluste verringert, vorzugsweise minimiert werden können.
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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 sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele 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.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit einem Metallträger,
- 2 eine schematische Darstellung eines thermischen Vorbehandlungsschritts zur Erzeugung einer Basisstruktur des Metallträgers,
- 3 ein schematisches Fließbild zur Darstellung eines Verfahrens, bei welchem der Metallträger der Brennstoffzelle additiv hergestellt wird,
- 4 eine schematische Darstellung eines ersten Verfahrensschritts zur additiven Herstellung eines Metallträgers für eine Brennstoffzelle, in einem alternativen Ausführungsbeispiel mit einer gegenüber des Ausführungsbeispiels der 1 bis 3 verschiedenen Basisstruktur und
- 5 ein schematisches Fließdiagramm zur Darstellung des Verfahrens aus 4.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Brennstoffzelle 12a in einer schematischen Seitenansicht. Die Brennstoffzelle 12a ist als eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Die Brennstoffzelle 12a weist zwei Elektroden 36a auf. Eine der Elektroden 36a der Brennstoffzelle 12a ist als eine Anode 38a ausgebildet. Die andere Elektrode 36a der Brennstoffzelle ist als eine Kathode 40a ausgebildet. Die Brennstoffzelle 12a weist einen Elektrolyten 42a auf, welcher zwischen den beiden Elektroden 36a angeordnet ist.
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Die Brennstoffzelle 12a weist einen Metallträger 10a auf. Der Metallträger 10a bildet eine Trägerstruktur für die beiden Elektroden 36a und den Elektrolyten 40a der Brennstoffzelle 12a aus. Vorliegend ist die Anode 38a mit dem Metallträger 10a verbunden. Der Metallträger 16a umfasst eine Basisstruktur 16a. Der Metallträger 10a ist durch Auftragung einer Metallschicht 14a auf der Basisstruktur 16a aufgebaut.
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Die Metallschicht 14a ist schichtweise in Form mehrerer übereinanderliegend aufgebrachter Metallteilschichten auf der Basisstruktur 16a aufgebaut. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vereinfacht eine Metallteilschicht 18a und zwei weitere Metallteilschichten 48a, 50a dargestellt. Die Metallschicht 14a kann insbesondere aus einer von der in 1 dargestellten Anzahl von übereinanderliegenden Metallteilschichten abweichenden, insbesondere größeren, Anzahl von Metallteilschichten aufgebaut sein. Die Metallteilschicht 18a ist direkt auf der Basisstruktur 16a aufgebracht. Die weitere Metallteilschicht 48a ist auf der Metallteilschicht 18a aufgebracht und die weitere Metallteilschicht 50a ist auf der weiteren Metallteilschicht 48a aufgebracht.
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Der Metallträger 10a ist mit einer vordefinierten Porositätsverteilung hergestellt. Eine Porosität der Metallschicht 14a ist ausgehend von der Basisstruktur 16a graduell eingestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Metallteilschicht 18a eine niedrigere Porosität auf als die Basisstruktur 16a. Die weitere Metallteilschicht 48a weist eine niedrigere Porosität auf als die Metallteilschicht 18a. Die weitere Metallteilschicht 50a weist wiederum eine niedrigere Porosität auf als die weitere Metallteilschicht 48a. Die graduell eingestellte Porosität der Metallschicht 14a nimmt ausgehend von der Basisstruktur 16a in Richtung der Anode 38a ab.
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Die Metallschicht 48a des Metallträgers 10a weist eine Funktionsstruktur 30a auf. Die Funktionsstruktur 30a ist als ein Fluidkanal 32a ausgebildet. Der Fluidkanal 32a ist in einem Betriebszustand der Brennstoffzelle 12a zu einem verbesserten Transport eines Prozessgases (nicht dargestellt) zu einer der Elektroden 36a, beispielsweise einem Transport eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs zu der Anode 38a, vorgesehen.
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Die Metallschicht 14a des Metallträgers 10a weist einen gasdichten Bereich 34a auf. Der gasdichte Bereich 34a ist in einem Randbereich 56a der Brennstoffzelle 12a angeordnet. Der gasdichte Bereich 34a der Metallschicht 14a des Metallträgers 10a ist in einem Betriebszustand der Brennstoffzelle 12a dazu vorgesehen, einen Austritt eines Prozessgases zu verhindern und ersetzt insbesondere eine ansonsten üblicherweise verwendete Dichtung.
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2 zeigt die Basisstruktur 16a des Metallträgers 10a. Die Basisstruktur 16a wird in einem thermischen Vorbehandlungsschritt 20a aus einem losen Pulverbett 24a erzeugt. In dem thermischen Vorbehandlungsschritt 20a wird an einer obersten Schicht 22a des losen Pulverbetts 24a mittels eines durch eine Lasereinheit 54a bereitgestellten Laserstrahls 52a eine tragfähige Schicht 26a erzeugt, welche als Basisstruktur 16a verwendet wird. In einem anschließenden ersten Verfahrensschritt 44a wird die Metallteilschicht 18a durch teilweises Aufschmelzen von Metallpulver mittels des Laserstrahls 52a auf die Basisstruktur 16a aufgebracht.
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3 zeigt ein schematisches Fließschema eines Verfahrens, bei welchem additiv der Metallträger 10a der Brennstoffzelle 12a hergestellt wird. Zunächst wird der thermische Vorbehandlungsschritt 20a durchgeführt. In dem nachfolgenden ersten Verfahrensschritt 44a wird die Metallteilschicht 18a auf die Basisstruktur 16a aufgebracht. In einem weiteren Verfahrensschritt 46a wird, analog zu dem ersten Verfahrensschritt 44a, die weitere Metallteilschicht 48a auf die Metallteilschicht 18a aufgebracht. In einem nachfolgenden weiteren Verfahrensschritt 58a wird die weitere Metalteilschicht 50a auf die weitere Metallteilschicht 48a aufgebracht.
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Der Metallträger 10a wird in dem Verfahren mit der vordefinierten Porositätsverteilung hergestellt. Die Porosität der Metallschicht 14a des Metallträgers 10a wird ausgehend von der Basisstruktur 16a graduell eingestellt. Die Metallschicht 14a wird mittels eines Laserverfahrens hergestellt. Die Porosität der Metallschicht 14a wird über eine Laserintensität des in dem Laserverfahren verwendeten Laserstrahls 52a eingestellt. In dem ersten Verfahrensschritt 44a wird die erste Metallteilschicht 18a bei einer hohen Laserintensität des Laserstrahls 52a auf die Basisstruktur 16a aufgebracht, so dass die die Metallteilschicht 18a aufbauenden Metallpartikel durch den Laserstrahl 52a stark aufgeschmolzen werden und die Metallteilschicht 18a mit einer niedrigen Porosität hergestellt wird. In dem weiteren Verfahrensschritt 44a wird die Laserintensität des Laserstrahls 52a erhöht, so dass die weitere Metallteilschicht 48a mit einer gegenüber der Metallteilschicht 18a geringeren Porosität hergestellt wird. In dem weiteren Verfahrensschritt 48a wird die Laserintensität des Laserstrahls 52a erneut erhöht, so dass die weitere Metallteilschicht 50a mit einer gegenüber der weiteren Metallschicht 48a geringeren Porosität hergestellt wird.
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In einem weiteren Verfahrensschritt 60a wird in der Metallschicht 14a die Funktionsstruktur 30a erzeugt. Die Funktionsstruktur 30a wird als der Fluidkanal 32a ausgebildet. Hierzu wird die Laserintensität des Laserstrahls 52a stark erhöht und der Fluidkanal 32a in der weiteren Metallteilschicht 50a der Metallschicht 14a erzeugt.
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In einem letzten Verfahrensschritt 62a wird in der Metallschicht 14a der gasdichte Bereich 34a erzeugt. Dazu wird eine Seitenfläche der Metallschicht 14a, welche später in dem Randbereich 56a der Brennstoffzelle angeordnet wird (vgl. 1), bei hoher Laserintensität des Laserstrahls 52a angeschmolzen.
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In dem Verfahren wird der Metallträger 12a schichtweise durch Auftragung der Metallschicht 14a auf die Basisstruktur 16a aufgebaut, welche nach Fertigstellung als Bestandteil des Metallträgers 10a erhalten bleibt (vgl. 1).
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In den 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 3, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 3 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 4 und 5 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.
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4 zeigt einen ersten Verfahrensschritt 44b eines Verfahrens, bei welchem additiv ein Metallträger 10b einer Brennstoffzelle 12b hergestellt wird. Der Metallträger 10b unterscheidet sich von dem Metallträger 10a des vorhergehenden Ausführungsbeispiels im Wesentlichen hinsichtlich einer gegenüber der Basisstruktur 16a verschiedenen Basisstruktur 16b. In dem Verfahren wird ein vorgefertigtes Metallgitter 28b als Basisstruktur 16b verwendet. In dem ersten Verfahrensschritt 44b wird eine Metallteilschicht 18b durch teilweises Aufschmelzen von Metallpulver mittels eines durch eine Lasereinheit 54b erzeugten Laserstrahls 52b auf das als Basisstruktur 16b verwendete Metallgitter 28b aufgebracht.
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In 5 ist ein schematisches Fließschema des Verfahrens des alternativen Ausführungsbeispiels dargestellt. Das Verfahren unterscheidet sich von dem in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass der thermische Vorbehandlungsschritt 20a entfällt und in dem ersten Verfahrensschritt das Metallgitter 28b als Basisstruktur 16b verwendet wird. Dem ersten Verfahrensschritt 44b schließen sich weitere Verfahrensschritte 46b, 58b, 60b und 62b an, welche jeweils im Wesentlichen analog zu den weiteren Verfahrensschritten 46a, 58a, 60a und 62a des vorhergehenden Ausführungsbeispiels durchgeführt werden, weshalb an dieser Stelle auf eine erneute detaillierte Beschreibung verzichtet wird und auf die Beschreibung zu 3 verwiesen sei. Der in dem Verfahren hergestellte Metallträger 10b weist, mit Ausnahme der Basisstruktur 16b, im Wesentlichen dieselben strukturellen und funktionellen Merkmale auf wie der Metallträger 16a, so dass diesbezüglich auf 1 verwiesen sei.
