DE-102024132499-A1 - Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung, Plattenanordnung und elektrochemische Zelle

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung (2) eines Stapels (1) elektrochemischer Zellen (3), wobei die Plattenanordnung (2) einteilig umfassend mehrere Platten additiv, bevorzugt in einem 3D-Druckverfahren, erzeugt wird, wobei die Plattenanordnung (2) mit einer Anodenseite (2a) und einer Kathodenseite (2b) ausgebildet wird, wobei parallel zueinander angeordnete Platten in Herstellungsebenen, welche senkrecht zu den Platten ausgerichtet sind, additiv erzeugt werden. Es werden mindestens zwei parallel zueinander angeordnete Kühlebenen (KE) innerhalb einer Kühlplatte (4) der Plattenanordnung (2) und parallel zu der Anodenseite (2a) und der Kathodenseite (2b) ausgebildet, in welchen voneinander getrennt verlaufende Kühlkanäle (15, 15') zur parallel-geschalteten Durchleitung von Kühlmittel (KW) ausgebildet werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine danach hergestellte Plattenanordnung (2) und eine elektrochemische Zelle (3).

Inventors

• Claus Schaeperkoetter
• Benno De Brouwer
• Ales Hrouda

Assignees

• Schaeffler Technologies AG & Co. KG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung (2) eines Stapels (1) elektrochemischer Zellen (3), wobei die Plattenanordnung (2) einteilig umfassend mehrere Platten additiv, bevorzugt in einem 3D-Druckverfahren, erzeugt wird, wobei die Plattenanordnung (2) mit einer Anodenseite (2a) und einer Kathodenseite (2b) ausgebildet wird, wobei parallel zueinander angeordnete Platten in Herstellungsebenen, welche senkrecht zu den Platten ausgerichtet sind, additiv erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens zwei parallel zueinander angeordnete Kühlebenen (KE) innerhalb einer Kühlplatte (4) der Plattenanordnung (2) und parallel zu der Anodenseite (2a) und der Kathodenseite (2b) ausgebildet werden, in welchen voneinander getrennt verlaufende Kühlkanäle (15, 15') zur parallel-geschalteten Durchleitung von Kühlmittel (KW) ausgebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass auf einer 3D-Druck-Plattform (21) gleichzeitig mehrere gleichartige, zueinander parallele Plattenanordnungen (2) aufgebaut werden, welche jeweils eine Mehrzahl verschiedener Platten umfassen, die senkrecht mit ihren Plattenkanten auf der 3D-Druck-Plattform (21) stehen.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass unterschiedliche auf der 3D-Druck-Plattform (21) additiv entstehende Platten aus verschiedenen Werkstoffen, welche in derselben 3D-Druck-Schicht aufgetragen werden, erzeugt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , dass mindestens eine der Platten als poröse, mehrschichtige Transportlage (7, 11) erzeugt wird, wobei sich die verschiedenen Schichten (8, 9, 12, 13) der porösen Transportlage (7, 11) hinsichtlich mindestens eines der Parameter Schichtdicke und Porosität voneinander unterscheiden.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , dass in mindestens eine der Platten nachträglich Öffnungen (14) zur Erzeugung einer Porosität eingebracht werden.
6. Plattenanordnung (2) für ein elektrochemisches System (10), hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , welche einteilig ausgebildet ist und umfassend eine Mehrzahl additiv gefertigter, zueinander paralleler Platten, wobei 3D-Druck-Schichten orthogonal zu den Platten ausgerichtet sind und wobei mindestens zwei parallel zueinander angeordnete Kühlebenen (KE) innerhalb der Plattenanordnung (2) und parallel zu der Anodenseite (2a) und der Kathodenseite (2b) ausgebildet sind, wobei in den Kühlebenen (KE) voneinander getrennt verlaufende Kühlkanäle (15, 15') zur parallel-geschalteten Durchleitung von Kühlmittel (KW) durch die Plattenanordnung (2) vorhanden sind.
7. Plattenanordnung (2) nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet , dass diese die Platten und einen die Platten umfassenden Rahmen (19) aufweist, wobei der Rahmen (19) umfassend eine Gitterstruktur (20) und mindestens eine Armierung (24) ausgebildet ist.
8. Plattenanordnung (2) nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , dass der Rahmen (19) einen Umfang und mehrere Öffnungen aufweist, wobei am Umfang und die Öffnungen umschließend jeweils eine Armierung (24) angeordnet ist.
9. Elektrochemische Zelle (3), insbesondere elektrochemisches System in Form eines Elektrolyseurs, mit einem Zellenstapel (1) umfassend zwei Endplatten (28, 29), zwischen welchen mindestens eine Plattenanordnung (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8 und mindestens zwei Polymerelektrolytmembranen (34, 34') angeordnet sind.
10. Elektrochemische Zelle (3) nach Anspruch 9 , wobei eine jede Endplatte (28, 29) einteilig ausgebildet ist und umfassend eine Mehrzahl additiv gefertigter, zueinander paralleler Platten umfasst, wobei 3D-Druck-Schichten orthogonal zu den Platten ausgerichtet sind, und wobei jede Endplatte (28, 29) eine elektrische Kontaktanordnung aufweist.
11. Elektrochemische Zelle (3) nach Anspruch 9 oder 10 , wobei jede Endplatte (28, 29) eine Trägerplatte umfasst, die lediglich an einer Seite eine poröse, mehrschichtige Transportlage (7, 11) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung eines Stapels elektrochemischer Zellen unter Nutzung generativer Fertigungsmethoden. Ferner betrifft die Erfindung eine Plattenanordnung für ein elektrochemisches System, welche generativ gefertigte Komponenten umfasst. Schließlich betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle, insbesondere einen Elektrolyseur. Die generative Herstellung von Komponenten eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolyseurs ist grundsätzlich zum Beispiel aus der DE 10 2013 108 413 A1 bekannt. Als Fertigungstechnologien sind hierin Laser-, Elektronenstrahl- und Wasserdampfstrahlsintern genannt. Generative Verfahren sollen auch geeignet sein, Bauteile eines Zellenstapels miteinander zu verbinden. Die WO 2023/021217 A1 offenbart ein integriertes, auf einem einzigen 3D-Drucksystem basiertes Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Festoxidzellen (SOC) -Stapels. Das Verfahren nach der WO 2023/021217 A1 schließt die Herstellung von verschiedenen Elektroden sowie Elektrolyt- und Zwischenschichten ein. Ebenso sollen Gehäusekomponenten, welche isolierendes keramisches Material enthalten, additiv herstellbar sein. Die US 2015/0290860 A1 befasst sich mit der Geometrie von Düsen, welche für die additive Herstellung von Komponenten elektrochemischer Systeme vorgesehen sind. Vorgeschlagen wird eine von einer kreisrunden Form abweichende Düsengeometrie. Damit soll ein Verbund verschiedener flächiger Komponenten auch baubar sein, welcher unter anderem Kanäle zur Durchleitung von Brennstoff oder Luft aufweist. Mit der additiven Herstellung von Brennstoffzellenkomponenten befasst sich auch die US 2008/0008826 A1. Hierbei werden Pulverschichten durch Laser-Sintern verfestigt, wobei Bereiche mit unterschiedlichen Porositäten hergestellt werden sollen. Wenigstens zwei Schichten der in der US 2008/0008826 A1 beschriebenen Anordnung weisen eine unterschiedliche Zusammensetzung sowie eine unterschiedliche Dicke auf. Ein in der DE 10 2018 100 772 A1 beschriebenes Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zellenvorrichtung sieht vor, dass auf einem Zellträger eine Funktionsschicht durch direkte Materialauftragung hergestellt wird. Bei dem Zellträger handelt es sich um einen Zellseparator, welcher eine äußere Begrenzung einer elektrochemischen Zelle bildet. Der Zellträger kann aus Edelstahl hergestellt sein und eine Korrosionsschutzschicht aufweisen. Nacheinander auf dem Zellträger aufzubauende Funktionsschichten sind insbesondere als Gasverteilerschicht und Katalysatorschicht ausgebildet. Nach der DE 10 2018 100 772 A1 soll es auch möglich sein, eine elektrochemische Funktionsschicht mit einer Gradierung herzustellen, wobei die Gradierung bezüglich der geometrischen Ausgestaltung und/oder von Materialien erfolgt, und wobei eine Gradierung in Stapelrichtung und/oder quer zur Stapelrichtung hergestellt wird. Nach der DE 10 2014 226 567 A1 soll zumindest ein Teilbereich einer Bipolarplatte eines Brennstoffzellensystems im generativen Schichtbauverfahren hergestellt werden. Um ein Strömungsfeld auszubilden, soll Material selektiv lediglich auf Vorsprüngen einer Topologie einer Grundplatte der Bipolarplatte aufgebracht werden. Auf diese Weise sollen Kontaktierungen, beispielsweise aus Titan, Nickel oder Chrom, entstehen. Die US 2005/0221150 A1 befasst sich mit der generativen Fertigung wabenförmiger Strukturen für elektrochemische Zellen. Hierbei soll ein Metallpulver, welches die Elemente Nickel und Chrom enthält, durch Laser-Sintern verfestigt werden. Zusätzlich können metallische Schichten Bronze als Binder enthalten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung schichtweise aufgebauter Zellen elektrochemischer Systeme gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei eine effektivere Kühlung der Zellkomponenten möglich sein soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung eines Stapels elektrochemischer Zellen, insbesondere Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen, gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst, durch eine Plattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und eine elektrochemische Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Plattenanordnung oder dem gesamten elektrochemischen System erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren und umgekehrt. Das Verfahren zur Herstellung einer Plattenanordnung eines Stapels elektrochemischer Zellen zeichnet sich dadurch aus, dass parallel zueinander angeordnete Platten in Ebenen, welche senkrecht zu den Platten ausgerichtet sind, additiv erzeugt werden. Dies ist - anschaulich gesprochen - gleichbedeutend damit, dass jede einzelne Platte der Plattenanordnung auf einer ihrer schmalen Plattenkanten stehend aufgebaut, insbesondere gedruckt, wird. In herkömmlichen 3D-Druck-Verfahren gefertigte Platten von Zellenstapel