DE102022203815A1 - Verfahren zum Beschichten einer Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle - Google Patents

Verfahren zum Beschichten einer Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle Download PDF

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Stefan Schoenbauer
Florian Postler
Andreas Ringk
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Verteilerplatte (7, 8) für eine elektrochemische Zelle (100). Die Verteilerplatte (7, 8) wird in einem Druckbereich (31) mittels Siebdruck beschichtet. Dabei wird ein Material (30a) durch ein Sieb (45) geführt, so dass im Druckbereich (31) durch das Material (30a) eine Beschichtung (30) hergestellt wird. Das Sieb (45) weist zumindest ein Positioniermerkmal (46) auf. Das Sieb (45) wird mittels des Positioniermerkmals (46) benachbart zu dem Druckbereich (31) an der Verteilerplatte (7, 8) positioniert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Verteilerplatte mittels Siebdruck. Die Verteilerplatte wird bevorzugt zur Medienverteilung in einer elektrochemischen Zelle verwendet.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen bspw. Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden; bei Elektrolysezellen läuft der elektrochemische Prozess in die andere Richtung. Zellenstapel elektrochemischer Zellen sind aus mehrteiligen Zellen aufgebaut, welche abwechselnd übereinander angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten aufweisen. Hierbei dienen die Bipolarplatten 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; üblicherweise besteht eine Bipolarplatte dabei aus zwei Verteilerplatten. Die Verteilerstrukturen sind üblicherweise als Kanäle ausgebildet, wodurch die unterschiedlichen Fluide leitbar sind.
  • Aus der DE102005046461A1 sind auf die Verteilerplatte aufgebrachte Beschichtungen bekannt. Diese Beschichtungen können beispielsweise mittels Siebdruck aufgebracht werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen entsprechenden Siebdruck einfacher und präziser zu gestalten.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Dazu wird eine Verteilerplatte in einem Druckbereich mittels Siebdruck beschichtet. Dabei wird ein Material durch ein Sieb geführt, so dass im Druckbereich durch das Material eine Beschichtung hergestellt wird. Das Sieb weist zumindest ein Positioniermerkmal auf. Das Sieb wird mittels des Positioniermerkmals benachbart zu dem Druckbereich an der Verteilerplatte positioniert.
  • Die Erfindung wird bevorzugt für Verteilerplatten von elektrochemischen Zellen wie Brennstoffzellen und Elektrolysezellen verwendet. Die Brennstoffzelle und die Elektrolysezelle sind dabei insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle) bzw. PEM-EC (Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolysezelle).
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann das Sieb sehr einfach und gleichzeitig sehr positionsgenau zu dem zu beschichtenden Druckbereich positioniert werden. Die Toleranzkette wird sehr klein gehalten, Maßabweichungen werden minimiert. Die Beschichtung kann also sehr präzise auf die Verteilerplatte aufgebracht werden.
  • In vorteilhaften Weiterbildungen des Verfahrens wird das Material mittels eines Rakels durch das Sieb gedrückt. Dadurch können auch Materialien mit einer hohen Viskosität bzw. zähflüssige Materialien durch das Sieb gedrückt werden.
  • In bevorzugten Ausführungen ist an der Verteilerplatte mindestens ein Steg ausgebildet, wobei der Druckbereich auf dem Steg ausgebildet ist. Besonders geeignet ist das Verfahren für sehr feine Geometrien, beispielsweise für Stegbreiten von < 1 mm. Will man derartige Stege präzise beschichten, so ist eine exakte Positionierung des Siebs zu den Stegen sehr wichtig.
  • Besonders bevorzugt ist der Steg als Dichtstruktur ausgebildet. Verteilerplatten für elektrochemische Zellen trennen üblicherweise mehrere Medien voneinander, entsprechend müssen Strömungsstrukturen gegeneinander abgedichtet sein. Dies kann beispielsweise über beschichtete Dichtstrukturen erfolgen. Eine derartige Dichtstruktur kann einfach als Steg oder Dichtsicke ausgebildet sein. Insbesondere bei dünnen metallischen Verteilerplatten sind solche Dichtstrukturen sehr einfach mittels Umformverfahren herzustellen. Vorteilhafterweise ist die Beschichtung als Polymer oder als Klebstoff ausgeführt. Polymere haben sehr gute Dichteigenschaften. In anderen vorteilhaften Gestaltungen ist die Beschichtung als Leitlack ausgeführt, insbesondere um den elektrischen Widerstand zwischen der Verteilerplatte und einer die Verteilerplatte kontaktierenden weiteren Komponente, beispielsweise einer Diffusionslage, zu reduzieren.
  • Vorteilhafterweise wirkt das Positioniermerkmal beim Beschichten mit dem Steg zusammen. Dadurch wird das Sieb unmittelbar neben dem Druckbereich, welcher bevorzugt auf dem Steg ausgebildet ist, zur Verteilerplatte positioniert bzw. zentriert.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 Schnitt durch eine schematische elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
    • 2 Ausschnitt einer bekannten Verteilerplatte in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
    • 3 schematisch das Bedrucken einer Verteilerplatte, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
  • 1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet.
  • Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Weiterhin sind auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1.
  • Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.
  • Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
  • Üblicherweise unterscheiden sich kathodenseitige Verteilerplatte 7 und anodenseitige Verteilerplatte 8 voneinander; vorteilhafterweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte zusammengefasst.
  • Aus der DE102005046461A1 ist weiterhin eine Bipolarplatte bzw. Verteilerplatte 7, 8 mit Kanälen 11 und Stegen 12 bekannt, wobei die Stege 12 auch als Dichtstruktur ausgebildet sein können. Dazu zeigt 2 den Ausschnitt der bekannten Verteilerplatte 7, 8 mit einem als Dichtstruktur 22 ausgeführten Steg 12. Auf der Dichtstruktur 22 ist eine Beschichtung 30 als Klebstoff aufgebracht, mit dessen Hilfe beispielsweise eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 auf der Verteilerplatte 7, 8 fixiert werden kann. Der Steg 12 kann in diesem Ausführungsbeispiel auch als Dichtsicke bezeichnet werden.
  • Weiter ist aus der DE102005046461A1 bekannt, dass derartige Beschichtungen 30 mittels Siebdruck auf die Verteilerplatte 7, 8 aufgebracht werden können. Vorliegende Erfindung verbessert nun derartige Beschichtungsverfahren mit Siebdruck indem die Positionierung des Siebes zu dem zu bedruckenden Objekt, also zu der Verteilerplatte 7, 8, genauer und robuster gestaltet wird.
  • Dazu zeigt 3 schematisch das Bedrucken der Verteilerplatte 7, 8 - genauer das Bedrucken der Dichtstruktur 22 - mit einem Material 30a mittels Siebdruck. Das Material 30a wird mit Hilfe eines Rakels 41 in einem Druckbereich 31 der Verteilerplatte 7, 8 durch ein Sieb 45 gedrückt, so dass aus dem Material 30a die spätere Beschichtung 30 hergestellt wird. Erfindungsgemäß wird nun das Sieb 45 an der Dichtstruktur 22 selbst positioniert und nicht an Positioniermerkmalen weiter entfernt vom Druckbereich 31. Dazu weist das Sieb 45 zumindest ein Positioniermerkmal 46 auf, welches bevorzugt an dem zu beschichtenden Steg 12 positioniert bzw. ausgerichtet werden kann.
  • Das Herstellverfahren für die Beschichtung 30 beinhaltet somit folgende Schritte:
    • - Beim Anlegen des Siebs 45 an die zu beschichtende Verteilerplatte 7, 8 positioniert sich das Sieb 45 durch das Positioniermerkmal 46 automatisch an dem Steg 12.
    • - Anschließend fährt das Rakel 41 über die vom Sieb 45 freigegebenen Öffnungen und beschichtet die Verteilerplatte 7, 8 in dem Druckbereich 31 mit dem Material 30a, so dass die Beschichtung 30 entsteht.
  • Das Siebdrucken an sich wird dadurch einfacher und genauer, weil das Sieb 45 unmittelbar am zu bedruckenden Bereich ausgerichtet wird. Es entfallen weiter entfernte Positioniermerkmale und die Toleranzkette zwischen Druckbereich 31 und Positioniermerkmal 46 wird verkürzt, so dass die Beschichtung 30 exakter aufgebracht werden kann. Das Sieb 45 wird quasi an dem Druckbereich 31 selbstzentrierend angelegt.
  • Die Beschichtung 30 ist bevorzugt eine klebende und/oder dichtende Beschichtung, insbesondere wenn der Steg 12 als Dichtstruktur 22 ausgeführt ist. Als Material 30a eignen sich dann besonders gut Polymere. Befinden sich die Stege 12 jedoch in einer aktiven Fläche der elektrochemischen Zelle 100, dann ist das Material 30a bevorzugt als Leitlack ausgeführt. Dadurch wird der elektrische Übergangswiderstand zwischen der Kontaktfläche 13 der Verteilerplatte 7, 8 und der dazu benachbarten Komponente, insbesondere der Diffusionslage 5, 6, reduziert; die Effizienz der elektrochemischen Zelle 100 wird dadurch erhöht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005046461 A1 [0003, 0017, 0018]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Beschichten einer Verteilerplatte (7, 8) für eine elektrochemische Zelle (100), wobei die Verteilerplatte (7, 8) in einem Druckbereich (31) mittels Siebdruck beschichtet wird, wobei ein Material (30a) durch ein Sieb (45) geführt wird, so dass im Druckbereich (31) durch das Material (30a) eine Beschichtung (30) hergestellt wird, wobei das Sieb (45) zumindest ein Positioniermerkmal (46) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sieb (45) mittels des Positioniermerkmals (46) benachbart zu dem Druckbereich (31) an der Verteilerplatte (7, 8) positioniert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Material (30a) mittels eines Rakels (41) durch das Sieb (45) gedrückt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass an der Verteilerplatte (7, 8) mindestens ein Steg (12) ausgebildet ist, wobei der Druckbereich (31) auf dem Steg (12) ausgebildet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (12) als Dichtstruktur (22) ausgebildet ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Positioniermerkmal (46) beim Beschichten mit dem Steg (12) zusammenwirkt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Material (30a) ein Polymer ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Material (30a) ein Leitlack ist.
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