Verfahren zum Beschichten einer Verteilerplate für eine elektrochemische Zelle

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Verteilerplate. Die Verteilerplatte wird dabei mittels einer Vorheizung erwärmt. Die Verteilerplatte wird bevorzugt in elektrochemischen Zellen wie Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen 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 Bipolarplaten 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 Bipolarplate dabei aus ein oder 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 Siebdruckes aufgebracht werden. Es ist bekannt, dass Beschichtungen trocknen bzw. aushärten müssen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine sehr schnelle Trocknung/Aushärtung zu erzielen.

Offenbarung der Erfindung 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.

Die Beschichtung kann beispielsweise mittels Siebdruckes oder mit einer Rolle aufgebracht werden.

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.

In alternativen vorteilhaften Ausführungen kann die Vorheizung jedoch auch als Mikrowellenheizung oder als elektromagnetischer Strahler ausgeführt sein.

Bevorzugt ist das Heizgerät ein Ofen. Der Ofen wird besonders bevorzugt auf einer konstanten Temperatur gehalten, auf welche er optimiert ausgelegt ist.

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.

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).

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 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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 Schnitt durch eine bekannte, schematische elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,

Figur 2 Schnitt durch eine bekannte Verteilerplatte mit Beschichtung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,

Figur 3 schematisch ein erfindungsgemäßes Fertigungsverfahren einer Verteilerplatte,

Figur 4 schematisch zwei Aufheizkurven von Verteilerplatten.

Figur 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 DE102004009869 Al ist weiterhin eine Bipolarplatte bzw. Verteilerplatte 7, 8 mit Kanälen 11 und Stegen 12 bekannt. Dazu zeigt Figur 2 einen Ausschnitt der bekannten Verteilerplatte 7, 8. Auf den Stegen 12 ist eine Beschichtung 30 mit einem elektrisch leitfähigen Material aufgebracht, man kann hier auch von einem Leitlack sprechen; bevorzugt ist der Leitlack eine Kohlenstoffbeschichtung. Die Beschichtung 30 kann weiterhin bevorzugt auch korrosionsbeständig sein. Die Beschichtung 30 kann auch ein Dichtmaterial sein.

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 der Verteilerplatte 7, 8 bzw. Bipolarplatte aufgeheizt, so dass keine Hautbildung erfolgt.

Figur 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fertigungsverfahren für eine Verteilerplatte 7, 8 mit einer Beschichtung 30. Die Verteilerplatten 7, 8 bzw. Bipolarplatten sind auf einem Fertigungsband angeordnet, welches sich in einer Laufrichtung 60 bewegt. Zunächst werden die Verteilerplatten 7, 8 - und mit ihnen eben auch die darauf angebrachten Beschichtungen 30 - mittels einer Vorheizung 40 erwärmt bzw. vorerwärmt. Bevorzugt werden die Verteilerplatten

7, 8 anschließend in einem Heizgerät 50, insbesonder in einem Ofen, auf Temperatur gehalten. Dadurch kann die Beschichtung 30 sehr schnell aushärten. In vorteilhaften Ausführungen ist die Vorheizung 40 als induktive Heizung, als Mikrowellenheizung oder als elektromagnetischer Strahler ausgeführt; dadurch wird die Beschichtung 30 sehr schnell auf die angestrebte Temperatur gebracht.

Figur 4 zeigt in einem Diagramm mit der Temperatur T über der Zeit t zwei Aufheizkurven; es ist zu sehen, wie sich das Aufwärmverhalten der Verteilerplatte 7, 8 - bzw. der Beschichtung 30 - beschleunigt, wenn in der Prozesskette eine Vorheizung 40 - der Darstellung der Figur 4 liegt eine induktive Heizung als Vorheizung 40 zugrunde - vor einem Heizgerät 50 angeordnet ist: die Kurve 71 zeigt das Temperaturverhalten der Verteilerplatte 7,

8, wenn nur ein Ofen als Heizgerät 50 zum Erwärmen verwendet wird; die Kurve 72 zeigt das Temperaturverhalten 72 der Verteilerplatte 7, 8, wenn zunächst mittels Vorheizung 40 vorerwärmt wird und anschließend die Temperatur im Ofen 50 aufrechterhalten wird. Die Kurven 71a, 72a zeigen die jeweilige transiente Aufheizphase, und die Kurven 71b, 72b zeigen die jeweilige konstante Haltephase.

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.

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.

Anstelle einer induktiven Heizung kann beispielsweise auch ein elektromagnetischer Strahler, wie z.B. ein Infrarot- Strahler, verwendet werden.