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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenhälfte oder einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, umfassend die Schritte:
- - dreidimensionales Aufdrucken von Stegen auf eine Grundplatte mit einem ersten Druckmaterial, wobei zwischen jeweils zwei der Stege ein Kanal für ein Betriebsmedium der Brennstoffzelle herausgebildet wird,
- - zeitlich vor der Vollendung der gedruckten Stege, dreidimensionales Aufdrucken einer Form zur Bildung eines Innenkanals innerhalb wenigstens einem der Stege mit einem zweiten Druckmaterial, welches sich von dem ersten Druckmaterial unterscheidet, und
- - zeitlich der Vollendung der Stege nachfolgend, Ausbringen der mit dem zweiten Druckmaterial gebildeten Form.
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Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektrodeneinheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich einer Anode und einer Kathode, ist. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Die Membran lässt die Protonen H+ hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen e-. An der Anode erfolgt dabei die Wasserstoffaufspaltung gemäß folgender Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe).
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Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels wird den Kathoden Kathodengas, (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme), wobei im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen reagieren unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist.
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Die Verteilung der Reaktionsmedien, die an der Brennstoffzellenreaktion beteiligt sind, und auch die Verteilung des Kühlmediums wird über Bipolarplatten realisiert, die auf ihren beiden gegenüberliegenden Plattenseiten mit jeweils einem Flussfeld zur Verteilung des Reaktionsmediums auf Anodenseite oder auf Kathodenseite versehen sind. Häufig sind die Bipolarplatten aus zwei Bipolarplattenhälften gebildet. Innerhalb der Bipolarplatten liegt jedenfalls ein weiteres Flussfeld für Kühlmittel vor, das durch einen oder durch mehrere Kühlmittelkanäle realisiert ist. Randseitig des Brennstoffzellenstapels liegen dabei Unipolarplatten vor, bei denen auch nur eine einzige der beiden Plattenseiten mit einem Flussfeld für eines der Reaktionsmedien versehen ist.
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Bipolarplatten werden häufig aus metallischem Material hergestellt, das einer Vielzahl von Umformschritten unterworfen wird. Rechteckige Kanalgeometrien lassen sich dabei nur auf sehr aufwändige Weise realisieren. Es sind auch Bipolarplatten verfügbar, die Graphit umfassen. Ihre Herstellung ist besonders aufwendig und die Produktionsprozesse laufen nur sehr langsam an. Klassischerweise lassen sich nur schwierig freie Geometrien aus dem jeweiligen Plattenmaterial herauslösen.
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In der
DE 10 2018 211 187 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Bipolarplattenhälfte für eine Brennstoffzelle beschrieben. Das Verfahren umfasst ein Aufbringen einer Medienverteilstruktur aus einem Medienverteilmaterial, welches beispielsweise Graphit ist, auf ein Substratmaterial einer Bipolarplatte mittels eines Siebdruckverfahrens. Auch in der
DE 10 2019 135 758 A1 wird ein Druckverfahren beschrieben, bei dem ein Elastomermaterial auf eine metallische Bipolarplatte, insbesondere im Siebdruckvorgang, aufgedruckt wird.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenhälfte oder einer Bipolarplatte anzugeben, bei dem beliebige komplexe Strukturen für die Führung der Betriebsmedien und für die Führung des Kühlmittels realisierbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße und eingangs genannte Verfahren zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass die Bipolarplattenhälfte oder die Bipolarplatte nun aus unterschiedlichen Materialien dreidimensional gedruckt wird, wodurch sich ein individuelles Design für die Kanäle der Betriebsmedien oder für die Innenkanäle zur Leitung des Kühlmittels realisieren lässt.
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Es wäre zwar grundsätzlich denkbar die Bereiche der Innenkanäle im Bereich der Stege beim dreidimensionalen Drucken mit dem ersten Druckmaterial einfach auszusparen, was allerdings die Einbringung von Stützstrukturen in den Innenkanal erforderlich machen würde, da sich die Bipolarplattenhälfte oder die Bipolarplatte dann bei ihrer Handhabung unerwünscht Verformen könnte. Außerdem ist es sehr aufwendig, solche Stützstrukturen nachträglich wieder aus dem Bereich des Innenkanals herauszutrennen. Aus dem gleichen Grund wird auch ein Druckverfahren bevorzugt, weil sich gegenüber der zerspanenden Bearbeitung unerwünschte Rückstände innerhalb der Innenkanäle vermeiden lassen. Vielmehr wird eine (annähernd gussförmige) Form im Inneren der Stege gebildet, die der Bipolarplattenhälfte oder der Bipolarplatte die nötige Stabilität für die Handhabung liefert. Diese Form wird dann nachträglich ausgebracht (sogenannte „lost-form“-Methode).
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Es ist von Vorteil, wenn zuerst die Grundplatte dreidimensional gedruckt wird, bevor mit dem dreidimensionalen Aufdrucken der Stege begonnen wird. Somit lässt es sich vermeiden, dass die Stege mit der Grundplatte gefügt werden müssten, wobei die vorteilhafte Möglichkeit gegeben ist, dass sich an das Drucken der Grundplatte unmittelbar das dreidimensionale Aufdrucken der Stege anschließt. Wird auch die Grundplatte aus dem ersten Druckmaterial gedruckt, so liegt zwischen der Grundplatte und den Stegen keine Schnittstelle vor, die zu einem unerwünschten Trennen der Stege von der Grundplatte führt, insbesondere dann, wenn das Kühlmittel mit einem sehr hohen Druck durch die Innenkanäle gefördert wird.
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Anstatt die Grundplatte zu drucken, ist auch die Möglichkeit vorhanden, dass das Material für die Grundplatte auf einer Rolle (sogenanntes „Coil“) bereitgestellt wird, von welcher dann die zu bedruckende Grundplatte vereinzelt wird.
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Es ist von Vorteil, wenn das erste Druckmaterial ein Kunststoff oder ein Graphit ist, wobei auch Metall als erstes Druckmaterial infrage kommt, insbesondere dann, wenn eine gute elektrische Stromleitung gewünscht wird. Letzteres erfolgt vorzugsweise in einem Pulverbettverfahren, insbesondere in einem SLS-Verfahren („selektives Lasersintern“).
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Um die Form zur Bildung des Innenkanals nach dem Drucken zuverlässig auszubringen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Form durch Auswaschen ausgebracht wird.
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Dabei ist die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, dass die Form auf Polymerbasis gebildet und nach der Vollendung der Stege mit einer säurehaltigen Chemikalie ausgewaschen wird. Das erste Druckmaterial ist dabei säurebeständig, sodass dieses von der Säure nicht angegriffen wird und damit die Stege und die Grundplatte bei der Säurebehandlung erhalten bleiben. Lediglich die Form, die sich im Inneren der Stege befindet, wird durch die Chemikalie ausgewaschen, sodass die Innenkanäle freigelegt werden.
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Um zu gewährleisten, dass das Auswaschen auf einfache Weise erfolgt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Form porös gebildet ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist dabei also das zweite Druckmaterial aus einem Polymer gebildet, durch welches die Form aus einem Polymerschaum erzeugt wird.
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Um den Kühlmittelfluss durch die Stege maximieren zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Querschnittsform des Innenkanals entsprechend der Querschnittsform ihres zugehörigen Steges geformt wird.
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Hierbei kommt es beispielsweise in Betracht, dass die Stege im Querschnitt dreieckig geformt werden.
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Um jedoch das Strömungsverhalten des Kühlmittels innerhalb des Innenkanals gezielt einstellen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Querschnitt der Form des Innenkanals entsprechend einem Polygon gebildet wird, wobei insbesondere eine rechteckige Bildung des Querschnitts des Innenkanals von Vorteil ist.
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Wenn die Stege besonders stabil ausgeführt sein sollen, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Querschnitt der Form des Innenkanals entsprechend einer Ellipse gebildet wird. Dabei hat sich insbesondere die Bildung im Querschnitt kreisrund als bevorzugt erwiesen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun also möglich, konventionelle Kanalstrukturen mit strömungsbeeinflussenden Strukturen wie beispielsweise einem sogenannten „Fine Mesh“ in einem Bauteil zu kombinieren. Außerdem lassen sich Freiform-Kanalgeometrien im Kühlmittel durch die vorliegende „Lost-Form-Methode“ erzielen.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung,
- 2 ein schematischer und perspektivischer Abschnitt eines Rohteils einer Bipolarplatte,
- 3 ein schematischer und perspektivischer Abschnitt der fertigen Bipolarplatte aus 2,
- 4 ein schematischer und perspektivischer Abschnitt eines weiteren Rohteils einer Bipolarplatte, bei der die Form im Querschnitt polygonförmig, insbesondere rechteckig gedruckt wurde,
- 5 eine der 4 entsprechende Darstellung eines Rohteils einer Bipolarplatte, bei der die Form im Querschnitt polygonförmig, insbesondere sechseckig gedruckt wurde,
- 6 eine der 4 entsprechende Darstellung eines Rohteils einer Bipolarplatte, bei der die Form im Querschnitt ellipsenförmig, insbesondere kreisförmig gedruckt wurde.
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In der 1 ist schematisch eine beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oder in einem Schiff nutzbare Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 umfasst, denen über Medienports die zum Betrieb erforderlichen Medien einschließlich des Kühlmittels zugeführt und abgeführt werden.
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Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise aus einem modifizierten Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Grundgerüst, an dessen Seitenketten sich Sulfonsäuregruppen befinden, gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 13 zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
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Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 11 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 11 nachgelagerten Ladeluftkühler 5 und einem diesem nachgelagerten externen Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
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Die Versorgung der Brennstoffzellen 2 mit den Betriebsmedien und mit dem Kühlmittel wird über sogenannte Bipolarplatten 8 sichergestellt, die auf ihren beiden gegenüberliegenden Seiten mit Flussfeldern für die beiden Reaktanten versehen sind. Innerhalb der Bipolarplatten liegt ein weiteres Flussfeld für Kühlmittel vor, das durch einen oder durch mehrere Kühlmittelkanäle realisiert ist.
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Die Bipolarplattenhälften oder Bipolarplatten 8 werden durch eine Lost-Form-Methode hergestellt, wie anhand von 2 näher erläutert werden soll. 2 zeigt ein Rohteil einer Bipolarplattenhälfte oder einer Bipolareplatte 8 für eine Brennstoffzelle 2. Hierbei wurden auf eine Grundplatte 16 dreidimensionale Stege 15 mit einem ersten Druckmaterial dreidimensional aufgedruckt, wobei zwischen jeweils zwei der Stege 15 ein Kanal 17 für ein Betriebsmedium der Brennstoffzelle 2 herausgebildet wurde. Zeitlich vor der Vollendung der gedruckten Stege 15 wurde eine Form 18 zur Bildung eines Innenkanals 19 innerhalb wenigstens einem der Stege 15 mit einem zweiten Druckmaterial, welches sich von dem ersten Druckmaterial unterscheidet, dreidimensional aufgedruckt. Anschließend wurden die Stege 15 vollendet, sodass die Form 18 innerhalb der Stege 15 positioniert ist, wie sich der 2 entnehmen lässt. Das erste Druckmaterial ist dabei entweder Metall, Kunststoff oder Graphit, wobei alle drei Bestandteile säurebeständig sind. Die Form 18 lässt sich durch Auswaschen ausbringen, wodurch dann die Innenkanälen 19 gebildet werden. Vorliegend ist die Form 18 vorzugsweise auf einer Polymerbasis gebildet, welche nach der Vollendung der Stege 15 mit einer säurehaltigen Chemikalie ausgewaschen wird. Die Grundplatte 16 und die Stege 15 sind dabei säurebeständig, sodass diese bei einer Säurebehandlung nicht gelöst werden. Vorzugsweise liegt dabei das zweite Druckmaterial, welches die Form 18 bildet, aus einem Polymerschaum vor, sodass das Auswaschen mit einer säurehaltigen Chemikalie aufgrund der Porosität des Schaums verbessert oder beschleunigt wird.
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In 3 ist die Bipolarplattenhälfte oder die Bipolarplatte 8 gezeigt, bei der die Form 18 nun ausgewaschen wurde, wodurch sich die Innenkanäle 19 für den Kühlmittelfluss 21 herausgebildet haben. Zwischen je zwei Stegen 15 sind die Kanäle 17 angeordnet, die dem Fluss 20 des Reaktionsmediums dienen.
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Es ist anhand der 2 und 3 zu erkennen, dass die Querschnittsform des Innenkanals 19 entsprechend der Querschnittsform ihres zugehörigen Steges 15 geformt wird, was der Maximierung des Kühlmittelflusses 21 dient. Vorliegend sind die Stege 15 und auch die Innenkanäle 19 im Querschnitt dreieckig geformt.
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Die 4 und 5 verweisen jedoch auf die Möglichkeit, dass der Querschnitt der Form 18 des Innenkanals 19 entsprechend einem Polygon gebildet wird. In 4 ist der Querschnitt des Innenkanals 19 entsprechend einem Rechteck geformt. In 5 ist der Querschnitt der Form 18 des Innenkanals 19 entsprechend einem Sechseck gebildet. Die vorliegende Anmeldung ist jedoch nicht auf eine viereckige oder sechseckige Gestaltung beschränkt, sodass auch eine polygonförmige Gestaltung vorliegen kann, die mehr als vier oder mehr als sechs Ecken aufweist.
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6 verweist auf die Möglichkeit, dass der Querschnitt der Form 18 des Innenkanals 19 entsprechend einer Ellipse gebildet sein kann, wobei vorliegend ein Querschnitt in Form einer Kreisscheibe vorliegt. Eine solche Gestaltung erhöht die Stabilität der Stege 15, wenn sie von einem Kühlmittel unter hohem Druck durchströmt werden.
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Im Ergebnis zeichnet sich die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bipolarplattenhälfte oder Bipolarplatte 8 durch eine effektivere Kühlung des Brennstoffzellenstabes 2 aus, weil die Kühlmittelkanäle, nämlich die Innenkanälen 19, räumlich enger an die Wärmequelle, nämlich die Membran-Elektroden-Anordnung, angelehnt sind. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Druckverfahren verkürzt sich die Fertigungszeit, wobei auch eine kürzere Entwicklungszeit aufgrund des Entfalls der Herstellzeiten für die Werkzeugfertigung vorliegt. Die Stapeleigenschaften des Brennstoffzellenstapels 3 sind ebenfalls verbessert, weil Druckverluste gemindert werden. Dadurch erhöht sich die Langzeitstabilität jeder Einheitszelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 3, insbesondere durch den Einsatz der Hybridmaterialien. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind mehrfache Kanäle oder Einschlüsse innerhalb eines Bauteils ohne zusätzliche Fügeschritte umsetzbar, was den Gasantransport an die reaktiven Stellen der Elektrode verbessert. Auf der Kathodenseite liegt ein verbesserter Abtransport des Produktwassers vor, was zu einem robusteren Betriebsverhalten des Brennstoffzellenstapels 3 führt. Letzteres erscheint insbesondere im Falle des Froststarts erforderlich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Brennstoffzellenstapel
- 4
- Befeuchter
- 5
- Ladeluftkühler
- 8
- Bipolarplatte
- 9
- Frischluftleitung
- 10
- Kathodenabgasleitung
- 11
- Verdichter
- 12
- Brennstoffleitung
- 13
- Brennstofftank
- 14
- Rezirkulationsleitung
- 15
- Steg
- 16
- Grundplatte
- 17
- Kanal (Betriebsmedium)
- 18
- Form
- 19
- Innenkanal (Kühlmittel)
- 20
- Fluss des Reaktionsmediums (z.B. Luft oder H2)
- 21
- Fluss des Kühlmittels
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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 102018211187 A1 [0006]
- DE 102019135758 A1 [0006]
