DE102022208011A1 - Method for coating a distribution plate for an electrochemical cell - Google Patents
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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) weist Kanäle (11) und Stege (12) auf. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:- Aufbringen einer Beschichtung (30) auf einen Steg (12),- Erwärmen der Verteilerplatte (7, 8) mittels einer Vorheizung (40),- Weitere Wärmezufuhr in die Verteilerplatte (7, 8) in einem Heizgerät (50).The invention relates to a method for coating a distributor plate (7, 8) for an electrochemical cell (100). The distributor plate (7, 8) has channels (11) and webs (12). The method is characterized by the following process steps: - Applying a coating (30) to a web (12), - Heating the distribution plate (7, 8) by means of a preheater (40), - Further supply of heat into the distribution plate (7, 8). a heater (50).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Verteilerplatte. Die Verteilerplatte wird dabei mittels einer Vorheizung erwärmt. Die Verteilerplatte wird bevorzugt in elektrochemischen Zellen wie Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen verwendet.The present invention relates to a method for coating a distributor plate. The distribution plate is heated using preheating. The distributor plate is preferably used in electrochemical cells such as fuel cells or electrolysis cells.
Stand der TechnikState of the art
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 ein oder zwei Verteilerplatten. Die Verteilerstrukturen sind üblicherweise als Kanäle ausgebildet, wodurch die unterschiedlichen Fluide leitbar sind.Fuel cells are electrochemical energy converters in which, for example, hydrogen and oxygen are converted into water, electrical energy and heat; in electrolytic cells the electrochemical process runs in the other direction. Cell stacks of electrochemical cells are made up of multi-part cells, which have membrane electrode units and bipolar plates arranged alternately one above the other. The bipolar plates are used to supply the electrodes with educts and to cool the fuel cell stack. For this purpose, the bipolar plates have a distributor structure that guides fluids containing educt along the electrodes; A bipolar plate usually consists of one or two distribution plates. The distribution structures are usually designed as channels, whereby the different fluids can be conducted.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Dazu wird eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle mittels einer Vorheizung erwärmt. Die Verteilerplatte weist Kanäle und Stege auf. Das Verfahren zum Beschichten der Verteilerplatte ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- - Aufbringen einer Beschichtung auf einen Steg,
- - Erwärmen der Verteilerplatte mittels einer Vorheizung,
- - Weitere Wärmezufuhr in die Verteilerplatte in einem Heizgerät.
- - applying a coating to a web,
- - Heating the distribution plate using preheating,
- - Further heat supply to the distribution plate in a heater.
Die Beschichtung kann beispielsweise mittels Siebdruckes oder mit einer Rolle aufgebracht werden.The coating can be applied, for example, by screen printing or with a roller.
Bevorzugt ist die Vorheizung eine induktive Heizung. Mit der induktiven Erwärmung kann man die Wärme, die der Verteilerplatte zugeführt werden soll, sehr genau dosieren. Die Wärme kann der Verteilerplatte weiterhin viel schneller zugeführt werden als mit herkömmlicher Strahlungserwärmung; dies kann sogar bis zu einem Faktor von 1000 besser sein. Es können Teile bzw. Bereiche erwärmt werden, die unzugänglich sind, zum Beispiel Metallteile, die eingebettet sind (beispielsweise in Holz, Kunststoff oder in einem Vakuum). Anlagen für induktive Heizungen haben einen viel geringeren Platzbedarf als Strahlungserwärmungsanlagen. Dadurch, dass die Wärme im Material selbst entsteht, ist die Wärmestrahlung - und damit die Verlustwärme - sehr klein. Die induktive Erwärmung hat also einen viel höheren Wirkungsgrad, bedingt durch kleinere Wärme- und Abstrahlungsverluste. Die Erwärmung mittels Induktion ist zusätzlich CO2 -frei.The preheating is preferably an inductive heating. With inductive heating you can dose the heat that is to be supplied to the distribution plate very precisely. Heat can still be delivered to the distribution plate much more quickly than with traditional radiant heating; this can even be better by a factor of 1000. Parts or areas that are inaccessible can be heated, for example metal parts that are embedded (for example in wood, plastic or in a vacuum). Systems for inductive heating require much less space than radiant heating systems. Because the heat is generated in the material itself, the heat radiation - and thus the heat loss - is very small. Inductive heating therefore has a much higher efficiency, due to smaller heat and radiation losses. Heating by induction is also CO2-free.
In alternativen vorteilhaften Ausführungen kann die Vorheizung jedoch auch als Mikrowellenheizung oder als elektromagnetischer Strahler ausgeführt sein.In alternative advantageous embodiments, however, the preheating can also be designed as a microwave heater or as an electromagnetic radiator.
Bevorzugt ist das Heizgerät ein Ofen. Der Ofen wird besonders bevorzugt auf einer konstanten Temperatur gehalten, auf welche er optimiert ausgelegt ist.The heating device is preferably an oven. The oven is particularly preferably kept at a constant temperature, for which it is optimized.
In bevorzugten Weiterführungen des Verfahrens wird die Verteilerplatte in dem Heizgerät also auf Temperatur gehalten. Die Verteilerplatte und damit die Beschichtung bleibt somit eine gewisse Zeit einer im Wesentlichen konstanten Temperatur ausgesetzt, so dass die Trocknung/Aushärtung der Beschichtung die benötigte Prozesszeit erfährt. Das Temperaturhalten in dem Ofen ist energetisch und finanziell günstiger als die Temperatur mit dem Vorheizer aufrechtzuerhalten.In preferred continuations of the method, the distributor plate in the heater is kept at temperature. The distribution plate and thus the coating thus remains exposed to a substantially constant temperature for a certain time, so that the drying/curing of the coating takes the required process time. Maintaining the temperature in the oven is energetically and financially cheaper than maintaining the temperature with the preheater.
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).The invention is preferably used for distribution plates of electrochemical cells such as fuel cells and electrolysis cells. The fuel cell and the electrolytic cell are in particular a PEM-FC (polymer electrolyte membrane fuel cell) or PEM-EC (polymer electrolyte membrane electrolytic cell).
In weiterbildenden Ausführungen kann der Steg als Dichtstruktur ausgebildet sein. 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 Elastomer oder als Klebstoff ausgeführt. Elastomere 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.In more advanced versions, the web can be designed as a sealing structure. Distributor plates for electrochemical cells usually separate several media from each other, so flow structures must be sealed against each other. This can be done, for example, using coated sealing structures. Such a sealing structure can simply be designed as a web or sealing bead. Such sealing structures are very easy to produce using forming processes, particularly in the case of thin metal distributor plates. The coating is advantageously designed as an elastomer or as an adhesive. Elastomers have very good sealing properties. Advantageous in others In ten designs, the coating is designed as a conductive varnish, in particular in order to reduce the electrical resistance between the distribution plate and another component that contacts the distribution plate, for example a diffusion layer.
In vorteilhaften Weiterbildungen werden alle Stege eines aktiven Bereichs der Verteilerplatte mit der Beschichtung beschichtet. Bevorzugt ist die Beschichtung dabei als Leitlack, besonders bevorzugt als Kohlenstoffbeschichtung ausgeführt. Der gesamte aktive Bereich ist an seiner Kontaktfläche der Verteilerplatte zu der darunter liegenden Schicht, üblicherweise der Diffusionslage, so mit einem sehr geringen elektrischen Übergangswiderstand versehen.In advantageous developments, all webs of an active area of the distributor plate are coated with the coating. The coating is preferably designed as a conductive lacquer, particularly preferably as a carbon coating. The entire active area is provided with a very low electrical contact resistance on its contact surface of the distribution plate with the layer underneath, usually the diffusion layer.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 Schnitt durch eine bekannte, schematische elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind, -
2 Schnitt durch eine bekannte Verteilerplatte mit Beschichtung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind, -
3 schematisch ein erfindungsgemäßes Fertigungsverfahren einer Verteilerplatte, -
4 schematisch zwei Aufheizkurven von Verteilerplatten.
-
1 Section through a known, schematic electrochemical cell, with only the essential areas shown, -
2 Section through a known distribution plate with coating, with only the essential areas being shown, -
3 schematically a manufacturing method according to the invention of a distributor plate, -
4 schematically two heating curves of distributor plates.
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.In the
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.The
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.The
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.Usually, the cathode-side distribution plate 7 and the anode-
Aus der
Erfindungsgemäß wird nun während des Herstellverfahrens der Beschichtung 30 diese mittels einer Vorheizung, beispielsweise einer induktiven Heizung, und einem daran anschließenden weiteren Prozess in einem Ofen getrocknet und ausgehärtet. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile:
- - Verkürzung der Prozesszeiten für die
Fertigung der Verteilerplatte 7, 8 bzw. Bipolarplatte, und somit auch Ermöglichung von höheren Stückzahlen bzw. geringerem Invest. - -
Die Beschichtung 30 wird von der Seite derVerteilerplatte 7, 8 bzw. Bipolarplatte aufgeheizt, so dass keine Hautbildung erfolgt.
- - Shortening the process times for the production of the
distribution plate 7, 8 or bipolar plate, and thus also enabling higher quantities or lower investments. - - The
coating 30 is heated from the side of thedistribution plate 7, 8 or bipolar plate so that no skin forms.
Es ist zu sehen, dass die Aufheizphase 72a mit Vorheizung 40 viel steiler und damit schneller verläuft als die Aufheizphase 71a ohne Vorheizung. Die Aufheizzeiten werden also reduziert, indem die Verteilerplatte 7, 8 mittels Vorheizung 40 aktiv auf die angestrebte Temperatur gebracht wird. Im Anschluss wird die heiße Verteilerplatte 7, 8 in den Ofen 50 geführt.It can be seen that the
Die Verteilerplatte 7, 8 ist bevorzugt eine metallische Verteilerplatte: Die Vorheizung 40, bevorzugt als induktive Heizung ausgeführt, erwärmt das Metall der Verteilerplatte 7, 8 wodurch die Beschichtung 30 von der Seite der Verteilerplatte 7, 8 aus härtet und nicht von der Luftseite. Hierdurch wird eine Hautbildung reduziert und der Prozess optimiert.The
Anstelle einer induktiven Heizung kann beispielsweise auch ein elektromagnetischer Strahler, wie z.B. ein Infrarot-Strahler, verwendet werden.Instead of an inductive heater, an electromagnetic radiator, such as an infrared radiator, can also be used.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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