DE102005020332A1

DE102005020332A1 - Versorgungsplatte für elektrochemische Systeme

Info

Publication number: DE102005020332A1
Application number: DE102005020332A
Authority: DE
Inventors: Raimund STRÖBEL; Bernd Gaugler; Dominique Tasch; Kurt Höhe
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: DE102005020332B4; US20060254047A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Versorgungsplatte (1), eine Grundplatte zum Aufbau einer derartigen Versorgungsplatte sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Versorgungsplatte für elektrochemische Systeme. Zwei Grundplatten (2a, 2b) werden unter Verwendung eines Fügemittels (3) thermisch miteinander verbunden, wobei dieses Fügemittel (3) einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material der Grundplatten (2a, 2b) aufweist. Mindestens eine erste Grundplatte (2a) weist zumindest eine Tasche (4a) auf, in welche Fügemittel eingefüllt wird und anschließend die zweite Grundplatte (2b) auf eine Fügeebene (F) der ersten Platte aufgelegt wird und durch Hitzeeinwirkung auf das Fügemittel eine Verbindung der Grundplatten (2a, 2b) erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Versorgungsplatte für elektrochemische Systeme, ein Verfahren zur Herstellung der Versorgungsplatte sowie eine oder verschiedene Platten zum Aufbau einer Versorgungsplatte. Elektrochemische Systeme können hierbei beispielsweise ein Brennstoffzellensystem oder eine elektrochemisches Verdichtersystem sein.

Elektrochemische Verdichtersysteme können z.B. Elektrolyseure sein, die durch Anlegen eines Potentials neben der Erzeugung von z.B. Wasser und Sauerstoff aus Wasser diese Gase gleichzeitig unter hohem Druck komprimieren.

Daneben sind auch elektrochemische Verdichtersysteme wie z.B. elektrochemische Wasserstoffkompressoren bekannt, welchen gasförmiger molekularer Wasserstoff zugeführt wird und dieser durch das Anlegen eines Po tentials elektrochemisch verdichtet wird. Diese elektrochemische Verdichtung bietet sich insbesondere für geringe Mengen zu verdichtenden Wasserstoff an, da eine mechanische Kompression des Wasserstoffes. hier deutlich aufwendiger wäre.

Es sind elektrochemische Systeme bekannt, bei denen ein elektrochemischer Zellstapel mit einer Schichtung von mehreren elektrochemischen Zellen, welche jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind, aufgebaut ist. Die Bipolarplatten haben hierbei mehrere Aufgaben:

– Elektrische Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen und Weiterleitung des Stroms zur benachbarten Zelle (Serienschaltung der Zellen),
– Versorgung der Zellen mit Reaktanden wie z.B. Wasser oder Gase und z.B. Abtransport des erzeugten Reaktionsgases über eine entsprechende Verteilerstruktur,
– Weiterleiten der bei der Erzeugung in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme, sowie
– Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und nach außen

Für die Medienzu- bzw. -abfuhr von den Bipolarplatten zu den eigentlichen elektrochemischen Zellen (diese sind z.B. MEA (Membrane Elektron Assembly) mit einer jeweils zu den Bipolarplatten hin orientierten Gasdiffusionslage z.B. aus einem Metallvlies) weisen die Bipolarplatten Öffnungen zur Kühlung bzw. Medienzu- und -abfuhr auf.

Insbesondere zur kostengünstigen Herstellung von Versorgungsplatten im industriellen Maßstab bieten sich hierbei ein- oder mehrteilige Versorgungsplatte aus Metall an.

Mehrteilige Versorgungsplatten, insbesondere zweiteilige Bipolarplatten werden üblicherweise in zwei Hälften geprägt, diese beiden Hälften werden anschließend miteinander verlötet. Der zwischen den beiden Hälften entstehende Hohlraum dient hierbei als ein Hohlraum zur Durchleitung von Kühlmedium, mit welchem die Betriebstemperatur des elektrochemischen Systems regulierbar ist. Bei Untersuchungen verlöteter metallischer Bipolarplatten fiel auf, dass Lot in diesen Hohlraum gelangen und ihn sogar teilweise verstopfen kann. Außerdem ist an dem bisherigen Lötverfahren nachteilig, dass hierzu relativ hohe Energiekosten notwendig sind und das Lot eine relativ hohe Masse aufweist, so dass die Leistungsdichte des elektrochemischen Systems herabgesetzt ist. Es kann auch gesagt werden, dass das benötigte Lot üblicherweise dem Kühlmedium ausgesetzt ist, korrodieren kann und somit sogar die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmediums erhöhen kann und somit die Leistung und die Lebensdauer des elektrochemischen Systems vermindert.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Versorgungsplatte für elektrochemische Systeme sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Versorgungsplatte zu schaffen, welche eine hohe Lebensdauer, geringe elektrische Leistungsverluste sowie eine hohe Leistungsdichte aufweist und außerdem kostengünstig herstellbar ist.

Es handelt sich zunächst um ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Versorgungsplatte für elektrochemische Systeme, wobei zwei Grundplatten unter Verwendung eines Fügemittels thermisch (also unter Einsatz thermischer Energie) miteinander verbunden werden und wobei dieses Fügemittel einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material der Grundplatten aufweist, wobei mindestens eine erste Grundplatte zumindest eine Tasche enthält, in welche Fügemittel eingefügt wird und anschließend die zweite Grundplatte auf eine Fügeebene der ersten Platte aufgelegt wird und durch Hitzeinwirkung auf das Fügemittel eine Verbindung der Grundplatten erfolgt.

Hierdurch entsteht also eine Versorgungsplatte mit zwei miteinander verbundenen Grundplatten, wobei diese Grundplatten einen zwischen den Grundplatten eingeschlossenen Bereich zur Flüssigkeitsführung einschließen, wobei innerhalb des Bereiches zur Flüssigkeitsführung Berührstellen vorgesehen sind, welche als mit Lot gefüllte Taschen zur Verbindung der Grundplatten ausgeführt sind.

Dieses Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Versorgungsplatte ist also mit üblichen technischen Mitteln durchführbar.

Die Taschen zur Aufnahme des Lotes sind hierbei mit den Grundplatten zusammen in einem einzigen Schritt herstellbar oder in einem vorhergehenden oder anschließenden Schritt herstellbar.

Prinzipiell sind die Taschen (bzw. die Grundplatten) in Umformverfahren beispielsweise Hohlprägen, Schmieden oder Tiefziehen herstellbar. Alternativ sind auch andere Verfahren, beispielsweise Ätzverfahren möglich. Diese Optionen zur Herstellung gelten für sämtliche Ausführungsformen in der vorliegenden Anmel dung, und dies auch nicht nur für die Taschen, sondern auch für die Herstellung von Kanalstrukturen bzw. auch die Herstellung von den Taschen benachbarten Lotauffangräumen.

Sehr vorteilhaft ist, dass die Menge an eingebrachtem Lot minimiert werden kann, um so Kosten und Gewicht zu sparen und die Leistungsdichte zu optimieren. Bei der Ermittlung der Kontaktwiderstände der erfindungsgemäßen Versorgungsplatte fiel sogar auf, dass es ausreichend ist, eine metallische Verbindung zwischen den Grundplatten nur partiell an einigen Berührstellen zu haben, so dass kein erhöhter Durchgangswiderstand durch diese auf Grund nur partieller Lötstellen entstehender Lotminimierung gegeben ist. Dieses partielle Löten führt somit auch dazu, dass weniger Kontakt zwischen Kühlmedium und Lot gegeben ist. Dies ist wiederum für die Korrosionseigenschaften vorteilhaft. Die Erfindung trägt somit zu einer Erhöhung der Lebensdauer von metallischen Versorgungsplatten/Bipolarplatten bei und erlaubt den Einsatz von preisgünstigeren Kühlmedien durch minimale Kontaktfläche. Außerdem werden die Kosten von Lotmaterial reduziert durch das partielle Einbringen von Lot, dies trifft auch für die Energiekosten zu, da ein Löten nur in den Bereichen notwendig ist, in denen tatsächlich gelötet werden muss. Insbesondere wichtig ist auch die Gewichtseinsparung, welche eine höhere Leistungsdichte des elektrochemischen Systems mit sich bringt. Aufgrund der Tatsache, dass das Lot sich nun nicht mehr zwangsweise zwischen Flachabschnitten der Platten befindet (sondern in den dafür vorgesehenen Taschen), wird der "Lötspalt" verhindert. Schließlich bedeutet der fehlende Lötspalt eine geringere Dicke des gefügten elektrochemischen Systems, so dass die Leistungsdichte hier in Bezug auf das Volumen außer dem gering gehalten werden kann.

Besonders vorteilhaft ist, dass das Löten beim Fügen von Grundplatten, welche aus verschiedenen Materialien bestehen (Titan einerseits und Edelstahl andererseits) vorteilhaft ist gegenüber Schweißverfahren, da somit eine gute Dichtigkeit ohne Verformung der Grundplatte ermöglicht wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Herstellungsverfahrens sieht vor, dass die Hitzeeinwirkung durch Laserlöten, Vakuumlöten, Diffusionslöten, reduzierendes Löten, Flammlöten im Durchlauf oder mikrowellenstabilisiertes Plasmalöten erfolgt. Dies zeigt, dass mit üblichen Lötverfahren die Erfindung realisierbar ist, je nach Materialparametern bzw. gewünschter Genauigkeit können hier verschiedene Lötverfahren zum Einsatz kommen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Material des Fügemittels Hartlot oder bleifreies Weichlot ist, bevorzugt kommt ein Nickelbasislot mit einem Gewichtsanteil von mehr als 50% Nickel zum Einsatz.

Auch bei dem Einbringen des Fügemittels sind mehrere Verfahren möglich, beispielsweise Siebdruck, Tampondruck, Dispenser-Verfahren (CIPG) oder auch Mikrosprühen (Tintenstrahldrucken).

Auch zur Geometrieanordnung der Taschen sind verschiedene Varianten möglich. So ist es möglich, dass z.B. nur auf einer Grundplatte oder auch auf beiden Grundplatten Taschen vorgesehen sind; wobei diese Taschen voneinander unabhängig und/oder auch zueinander komplementär ausgeführt sein können, siehe 8. Insbesondere durch die komplementären Ausführungsformen kann hier noch ein zusätzlicher Formschluss der Grundplatten erreicht werden (also wenn zwei Taschen ineinander greifen). Dies erhöht dann außerdem die Stabilität der entstehenden Versorgungsplatte. Selbstverständlich können auch innerhalb einer einzigen Versorgungsplatte teilweise komplementäre, teilweise voneinander unabhängige Taschen der Grundplatten bzw. auch Taschen, welche sich gegenüber liegen aber nicht formschlüssig zueinander angeordnet sind, bereitgestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Taschen als durchgehende Linie oder auch als einzelne Inseln ausgeführt sind. Hierbei ist eine durchgehende Linie zur Herstellung einer Dichtfunktion notwendig bzw. sinnvoll. Einzelne bzw. diskrete Inseln dienen der Erhöhung der mechanischen Stabilität der Versorgungsplatte (Schutz gegen "Aufblähen"). Mit diesen Inseln kann außerdem der Durchgangswiderstand entsprechend gesenkt werden bzw. sogar eine gezielte Verwirbelung von Kühlmedium im elektrochemischen Bereich erreicht werden.

Zur Herstellung der Taschen sind hierbei, wie eingangs angesprochen, verschiedene Verfahren möglich. So ist es beispielsweise möglich, die Taschen in einem Umformverfahren zusammen mit der Prägung der übrigen Kanalstrukturen herzustellen. Es ist allerdings auch möglich, lediglich auf einer Seite einer oder beider Grundplatten Einprägungen vorzunehmen, beispielsweise mit einem Schmiede- oder Ätzverfahren. Hierdurch ergibt sich dann keine Erhebung auf der je weiligen Rückseite der entsprechenden Grundplatte.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Querschnittsform der Taschen in der Fügeebene rechteckig, oval, kreisförmig, halbkreisförmig oder dreieckig ist. Hier kann je nach gewünschter Stabilität bzw. gewünschter Kontaktfläche oder auch nach gewünschtem strömungstechnischem Effekt die Formauswahl erfolgen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Querschnittsform der Taschen senkrecht zur Fügeebene dreieckig, halbkreisförmig oder rechteckig ist. Unter "Fügeebene" wird hierbei die "Ideallinie" zwischen zwei Grundplatten, also deren spaltfreie Berührebene verstanden (siehe Fügeebene "F" im speziellen Beschreibungsteil).

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Taschentiefe ausgehend von der Fügeebene maximal 1–500 μm, vorzugsweise 5–200 μm, besonders vorzugsweise 10–60 μm beträgt. Hieran ist zu sehen, dass nur relativ geringe Taschentiefen und somit relativ geringe Mengen an Lot notwendig sind, um einen erfindungsgemäßen Halt zwischen den beiden Grundplatten zu erreichen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verhältnis von maximaler Taschentiefe ausgehend von der Fügeebene zu maximaler Tiefe von in die Grundplatte eingeprägter Kanalstruktur (ebenfalls ausgehend von der Fügeebene) zwischen 1:1,5 und 1:25 beträgt. Auch hierdurch wird nochmals verdeutlicht, dass die Taschen nur eine relativ geringe Tiefe benötigen gegenüber der eingeprägten Kanalstruktur, um hier ihre Funktion zu erfüllen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verhältnis von maximaler Taschentiefe ausgehend von der Fügeebene zur mittleren Materialdicke der Grundplatte im taschen- und kanalstrukturfreien elektrochemisch aktiven Bereich der Grundplatte zwischen 1:1,5 und 1:10 liegt. Die Länge der Taschen in der Fügeebene beträgt hierbei maximal 100 mm, vorzugsweise 0,2–100 mm, besonders vorzugsweise 0,5–20 mm. Die entsprechende Breite der Taschen beträgt 0,1–200 mm, vorzugsweise 0,2–5 mm, besonders vorzugsweise 0,3–1,5 mm. Das entsprechende Verhältnis der Breite der Tasche zur Länge der Tasche sollte vorzugsweise hierbei größer als 1:100 und kleiner als 1:1 sein. Hierdurch wird deutlich, dass eine Größenanpassung der jeweiligen Tasche je nach Einsatzbereich in weiten Grenzen möglich ist. Insbesondere im Bereich von Dichtnähten ist es notfalls auch möglich, größere Längen vorzusehen, alternativ können Dichtnähte selbstverständlich auch mit anderen Verfahren, beispielsweise Laserschweißen, hergestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Grundplatten auf der von der Fügeebene abgewandten Seite der Grundplatte im Bereich der Taschen Erhebungen aufweisen. Dies ist üblicherweise z.B. bei in Umformverfahren hergestellten Taschen der Fall. Allerdings ergibt sich hierdurch auch eine Strömungsbeeinflussung auf der der Fügeebene abgewandten Seite der Grundplatte, welche u.U. ungewünscht sein kann, so dass sich dann Schmiedeverfahren oder Ätzverfahren eher anbieten können, da diese auf der der Fügeebene abgewandten Seite keine Erhebungen und somit Beeinflussungen eines dortigen Strömungsfeldes zeigen. Die höchste Erhebung, gemessen von der Ebene, auf der der Fügeebene abgewandten Seite der Grundplatte sollte hierbei maximal 1:1,5 bis 1:25, bezogen auf die Kanaltiefe (siehe t₁ in 4b) betragen.

Vorzugsweise sind die Taschen im elektrochemisch aktiven Bereich der Versorgungsplatte angeordnet, da dieser im wesentlichen mit dem Bereich des Hohlraums zur Aufnahme der Kühlflüssigkeit zusammenfallen kann bzw. in diesem Bereich auch elektrische Kontaktierung im Bereich der Fügemittelstellen sinnvoll ist, um so entsprechend den Durchgangswiderstand zu senken.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass als Fügemittel Lot verwendet wird und als entsprechendes Verfahren Laserlöten mittels eines Laserstrahls erfolgt, der achsgeführt oder mit Scannerunterstützung arbeitet. Auf diese Weise ist sehr präzise und in kurzer Zeit eine erfindungsgemäße Versorgungsplatte herstellbar.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass Mittel vorgesehen sind, welche ein Herausfließen des Fügemittels aus der Tasche heraus verhindern oder begrenzen. Dies kann in der Praxis sinnvoll sein, da bei zwei aufeinander gelegten Grundplatten, von denen eine Taschen aufweist, welche mit Fügemittel (Lot) gefüllt sind, durch Erwärmung dieses Lot flüssig wird und infolge Kapillarwirkung in den (theoretisch unerwünschten jedoch technisch kaum vermeidbaren) Spaltzwischenraum treten und somit ein Lotfluss in ungewünschte Bereiche geschieht. Als Mittel zur Begrenzung des Lotflusses sind verschiedene Maßnahmen denkbar. Zum einen ist es möglich, sogenannten Lotstopplack um die Taschen herum anzubringen oder auch eine entsprechende Lotstoppfolie. Besonders vorteilhaft ist es, um die Tasche herum weitere kleine Lotauffangräume vorzusehen, in welche das aus der Tasche abfließende Lot fließen kann, durch die Größe dieser Lotauffangräume besteht dann ein Druckabfall, so dass sich das Lot in der Flächenebene nicht mehr weiter verteilt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Versorgungsplatte eine Bipolarplatte für Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen (PEMFC) ist. Prinzipiell ist die Erfindung jedoch auf sämtliche Versorgungsplatten elektrochemischer Systeme anwendbar. So ist eine Anwendbarkeit beispielsweise auch für Direktmethanolbrennstoffzellen (DEMFC), Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) möglich. Möglich ist auch der Einsatz in Elektrolyseuren, Wasserstoffkompressoren sowie weiteren Arten elektrochemischer Systeme.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
1 einen Aufbau einer Versorgungsplatte nach dem Stand der Technik;
2a und 2b erfindungsgemäße Versorgungsplatten mit geschmiedeten Lottaschen;
3a und 3b erfindungsgemäße Versorgungsplatten mit umgeformten oder geätzten Lottaschen;
4a bis 4c eine Detailansicht einer Tasche nach 3a in mehreren Ansichten;
5 verschiedene Geometrien von Taschen in der Fügeebene der Versorgungsplatten sowie
6 eine Querschnittsansicht einer alternativen Tasche,
7 Tasche mit Lotauffangräumen,
8 eine Querschnittsansicht bereichsweise formschlüssig ineinander greifender Taschen.
1 zeigt eine metallische Bipolarplatte nach dem Stand der Technik, bei der flächig Fügemittel 3 auf eine obere Platte 2 aufgetragen wird und anschließend (beispielsweise mittels Vakuumlötens) das Fügemittel 3 zum Schmelzen gebracht wird und nach Zusammenpressen der beiden Platten 2 und Aushärten des Fügemittels eine gelötete Versorgungsplatte entsteht.
2a zeigt eine Versorgungsplatte 1 nach der Erfindung. Diese weist eine erste Grundplatte 2a sowie eine zweite Grundplatte 2b auf. Die Versorgungsplatte 1 weist außerdem eingeprägte Kanalstrukturen 5 auf, welche einen Hohlraum einschließen, in welchen eine Kühlflüssigkeit 6, beispielsweise destilliertes Wasser, gehalten ist zur Temperaturregulierung. Die Versorgungsplatte ist Teil einer Schichtung eines elektrochemischen Systems, vorliegend eines Brennstoffzellensystems. Die Grundplatten 2a und 2b der Versorgungsplatte 1 sind in einer Fügeebene F zueinander gefügt. Diese Fügeebene ist als spaltfrei anzunehmen. In dieser Fügeebene liegen die erste Grundplatte und die zweite Grundplatte also spaltfrei aufeinander.
Die Fügeebene muss keine ideale geometrische Ebene sein, insbesondere im Randbereich zwischen erster und zweiter Grundplatte sind Stufungen etc. möglich. Der Verlauf der Berührflächen wird hier entsprechend aber auch als "Fügeebene" verstanden.
Die erste Grundplatte 2a enthält eine Tasche 4a, in welcher Fügemittel angebracht ist. Dieses Fügemittel 3 ist erhärtet und verbindet stoffschlüssig die erste Grundplatte 2a sowie die zweite Grundplatte 2b.
Diese Grundplatte 2a sowie die zweite Grundplatte 2b sind aus Metall, nämlich rostfreiem Edelstahl (beispielsweise aus Cr-Ni-Stählen, z.B. 1.4404; vorzugsweise sind Stähle mit einem Chromanteil >14 Gew.% und einem Nickelanteil <30 Gew.% oder auch Nickel-Basislegierungen oder Titan- oder Aluminiumlegierungen möglich). Als Material für das Fügemittel 3 kommt vorzugsweise Hartlot oder bleifreies Weichlot in Frage. Vorliegend ist ein Nickelbasislot mit einem Gewichtsanteil von 60% Nickel gegeben. Die Tasche 4a weist in dem in 2a gezeigten Schnitt eine halbovale Form auf. In der Fügeebene (also senkrecht zur Blattebene) ist eine ovale Form gegeben. Die Tasche 4a ist hierbei in einem Schmiedeverfahren nach/vor oder gleichzeitig mit der Herstellung der Kanalstruktur 5 (welche in einem Umformprozess erfolgte) hergestellt worden, so dass auf der der Fügeebene abweisenden Seite der ersten Grundplatte keine Erhebung zu sehen ist. Bei der vorliegenden Versorgungsplatte, welche als Bipolarplatte ausgeführt ist, ist die Kanalstruktur 5 in einem elektrochemisch aktiven Bereich der Bipolarplatte/Versorgungsplatte angeordnet. Oberhalb der ersten Grundplatte 2a strömt hierbei der Brennstoff, z.B. molekularer Wasserstoff, unterhalb der zweiten Grundplatte 2b strömt das Oxi dant, z.B. molekularer Sauerstoff oder Luft.
Im folgenden soll exemplarisch das Herstellverfahren der Versorgungsplatte für elektrochemische Systeme beschrieben werden.
Hierbei werden die zwei Grundplatten 2a, 2b unter Verwendung des Fügemittels 3 thermisch miteinander verbunden, wobei das Fügemittel 3 einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Material der Grundplatten. Die erste Grundplatte 2a enthält mindestens eine Tasche 4a, in welche Fügemittel eingefüllt wird. Anschließend wird die zweite Grundplatte 2b in der Fügeebene F auf die erste Grundplatte aufgelegt und durch Hitzeeinwirkung auf das Fügemittel wird eine Verbindung der Grundplatten geschaffen.
Vorliegend wird dabei die Hitzeeinwirkung durch Laserlöten erreicht. Hierbei wird ein Laserstrahl achsgeführt oder mit Hilfe eines Scanners nach einem fest einprogrammierten Schema auf die entsprechenden Stellen der Taschen (auf der der Fügeebene abgewandten Seite gerichtet) und auf diese Weise eine Erhitzung der ersten und zweiten Grundplatte und somit des dazwischen liegenden Lotes/Fügemittels erreicht. Das Fügemittel wurde zuvor im Siebdruck in die Tasche 4a der ersten Grundplatte aufgetragen.
Gezeigt ist also in 2a (sowie den 2b, 3a und 3b, 4a bis 4c) jeweils mindestens eine Grundplatte zum Aufbau einer Versorgungsplatte und zur Verwendung in einem Herstellungsverfahren, wobei die Grundplatte 2a bzw. 2b aus der Fügeebene F herausragende Kanalstrukturen 5 zur Führung einer Kühlflüssigkeit aufweist und zwischen den Kanalstrukturen Taschen zur Aufnahme von Fügematerial gegeben sind.
Entsprechend offenbart ist somit auch eine Versorgungsplatte 1 mit zwei miteinander verbundenen Grundplatten, wobei diese Grundplatten einen zwischen den Grundplatten eingeschlossenen Bereich zur Flüssigkeitsführung einschließen, wobei innerhalb des Bereichs zur Flüssigkeitsführung Berührstellen vorgesehen sind, welche als mit Fügemittel gefüllte Taschen zur Verbindung der Grundplatte ausgeführt sind.
2b zeigt eine weitere Versorgungsplatte, welche wiederum eine erste Grundplatte 2a sowie eine zweite Grundplatte 2b' aufweist und welche im Unterschied zur in 2a gezeigten Versorgungsplatte eine weitere Tasche 4b aufweist, welche zusammen mit der Tasche 4a einen Hohlraum bildet, welcher komplett mit Fügemittel 3 ausgefüllt ist.
Im folgenden werden weitere Ausführungsformen von Versorgungsplatten vorgestellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen sei gesagt, dass für sämtliche der nachfolgend erläuterten Versorgungsplatten das oben für 2a bzw. 2b Gesagte gilt. Lediglich auf die unterscheidenden Merkmale wird im folgenden explizit eingegangen.
3a zeigt eine weitere Ausführungsform einer Versorgungsplatte, wobei hier eine zu 2a abweichende Taschenform gegeben ist. Die Tasche 4a' in 3a weist auf einer der Fügeebene F abweisenden Seite der ersten Grundplatte 2a eine Erhebung auf.
3b entspricht im wesentlichen der 3a, wobei hier wiederum die Taschenform 4a' bzw. 4b' auf der ersten Grundplatte 2a' bzw. der zweiten Grundplatte 2b'' gezeigt sind, welche auf der von der Fü geebene abweisenden Seite der Versorgungsplatte jeweils Erhebungen aufweisen.
Im folgenden werden anhand der in 4a gezeigten ersten Grundplatte 2a' die geometrischen Verhältnisse dieser Versorgungsplatte bzw. der Taschen erläutert. Zur vereinfachten Darstellung ist hierbei auch ein X-Y-Z-Koordinatensysten eingeführt.
Die in 4a gezeigte erste Grundplatte 2a' ist in einer Schnittebene A geschnitten, der entsprechende Schnitt ist in 4b gezeigt.
Entsprechend ist eine Ansicht in positiver Z-Richtung (also eine Ansicht der 4a von unterhalb) gezeigt. Aus der Zusammenschau der 4a bis 4c ist zu sehen, dass die Taschentiefe t1, gemessen von der Fügeebene F (diese fällt vorliegend mit der X-Y-Ebene zusammen) 50 μm beträgt. Das Verhältnis von maximaler Taschentiefe t1 ausgehend von der Fügeebene zu maximaler Tiefe t4 der in der Grundplatte eingeprägten Kanalstruktur, ebenfalls ausgehend von der Fügeebene F, beträgt vorliegend 1:10. Das Verhältnis von maximaler Taschentiefe t1 ausgehend von der Fügeebene F zur mittleren Materialdicke t3 der Grundplatte im taschen- und kanalstrukturfreien elektrochemisch aktiven Bereich liegt bei 1:5. Bei 50 μm Taschentiefe und einer Materialdicke von 0,1 mm würde das Verhältnis beispielsweise 1:2 betragen.
Die Länge der Tasche 4a' in der Fügeebene beträgt (siehe auch 4c) 1 = 20 mm. Die Breite b der Tasche 4a' (siehe ebenfalls 4c) beträgt vorliegend 1 mm.
Aus den 4a bis 4c ist zu sehen, dass die dort gezeigte Tasche die Form eines "langgezogenen Ovals" aufweist in der X-Y-Ebene und im X-Z-Schnitt einen halbovalen bzw. halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.
Alternative Querschnittsformen bzw. Draufsichten von Taschen sind in 5 und 6 angegeben.
5 zeigt alternative Formen von Taschen, welche auf der der Fügeebene F abgewandten Seite der ersten Grundplatte 2a' aus 4a gezeigt sind (also eine Sicht von "oben", also eine Sicht in "negativer" Z-Richtung).
Hierbei zeigt die Variante a eine halbkreisförmige Ansicht, die Variante b eine dreieckige Ansicht, die Variante c eine runde Ansicht, die Variante d eine quadratische Ansicht, die Variante e eine bumerangförmige Ansicht und die Variante f eine pfeilförmige Form mit "Widerhaken". Diese Taschenformen können aneinandergereiht parallel zu einer Kanalstruktur 5 angebracht sein (also in Y-Richtung). Durch diese Strukturen kann auf dem hier befindlichen Flowfield eine zusätzliche Beeinflussung der Strömungsverhältnisse erreicht werden.
Schließlich zeigt 6 eine alternative Querschnittsform einer Tasche 4a'', ebenfalls in der Schnittebene A (also in der X-Z-Ebene, wie in Figur 4a gezeigt). Es handelt sich hierbei nicht um eine halbovale bzw. halbkreisförmige Tasche, sondern um eine Tasche mit einem entsprechenden dreieckförmigen Querschnitt.
7 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Versorgungsplatte (analog zu den vorgenannten Schnitten in Schnittebene A). Hierbei weist die obere Grundplatte eine Tasche 4a''' auf. Um diese Tasche herum in der Flächenebene angeordnet (entweder zusammenhängend umlaufend um die Tasche herum oder in einzelnen Abschnitten) sind Lotauffangräume 7 gezeigt, in welche mittels des Kapillareffektes aus der Tasche 4a''' heraustretendes Lot aufgefangen werden kann, um so eine weitere Ausbreitung des Lotes in der Flächenebene zu verhindern.
8 zeigt das Ineinandergreifen von Taschen als Variante einer komplementären Ausführungsform. Hierbei greift die untere Platte mit ihren nach oben weisenden Taschen bereichsweis formschlüssig in die nach oben weisende Tasche der oberen Platte. Der zwischen den Platten bzw. Taschen bestehende Raum ist mit Lot gefüllt. Der zusätzliche Formschluss erleichtert die Zentrierung und Herstellung.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Versorgungsplatte für elektrochemische Systeme (1), wobei zwei Grundplatten (2a, 2b) unter Verwendung eines Fügemittels (3) thermisch miteinander verbunden werden und wobei dieses Fügemittel (3) einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material der Grundplatten (2a, 2b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Grundplatte (2a) zumindest eine Tasche (4a) enthält, in welche Fügemittel eingebracht wird und anschließend die zweite Grundplatte (2b) auf eine Fügeebene (7) der ersten Grundplatte (2a) aufgelegt wird und durch Hitzeeinwirkung auf das Fügemittel eine Verbindung der Grundplatten (2a, 2b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeeinwirkung durch Laserlöten, Vakuumlöten, Diffusionslöten, reduzierendes Löten, Flammlöten im Durchlauf oder mikrowellenstabilisiertes Plasmalöten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Fügemittels (3) Hartlot oder bleifreies Weichlot, bevorzugt Nickelbasislot mit einem Gewichtsanteil von >50% Nickel ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfüllen des Fügemittels (3) durch Siebdruck, Tampon druck, Dispenser-Verfahren (CIPG) oder Mikrosprühen (Tintenstrahldrucken) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur auf einer Grundplatte (2a) oder auf beiden Grundplatten (2a, 2b) Taschen (4a, 4b; 4a', 4b') vorgesehen sind, wobei diese Taschen voneinander unabhängig und/oder zueinander komplementär ausgeführt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen (4a, 4b; 4a', 4b') als durchgehende Linie oder als einzelne Inseln ausgeführt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen (4a, 4b) lediglich auf einer Seite einer oder beider Grundplatten (2a, 2b) eingeprägt oder eingeätzt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform der Taschen in der Fügeebene (F) rechteckig, oval, kreisförmig, halbkreisförmig oder dreieckig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform der Taschen senkrecht zur Fügeebene (F) dreieckig, halbkreisförmig oder rechteckig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Taschentiefe (t₁) ausgehend von der Fügeebene (F) maximal 1 bis 500 μm, vorzugsweise 5 bis 200 μm, besonders vorzugsweise 10 bis 60 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von maximaler Taschentiefe (t₁) ausgehend von der Fügeebene (F) zu maximaler Tiefe (t₄) von in die Grundplatte eingeprägter Kanalstruktur, ebenfalls ausgehend von der Fügeebene (F), zwischen 1:1,5 und 1:25 beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von maximaler Taschentiefe (t₁) ausgehend von der Fügeebene (F) zur mittleren Materialdicke (t₃) der Grundplatte (2a, 2b) im taschen- und kanalstrukturfreien elektrochemisch aktiven Bereich der Grundplatte zwischen 1:1,5 und 1:10 liegt und insbesondere bei geschmiedeten Teilen zwischen 1:1,5 und 1:2 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (1) der Taschen (4a') in der Fügeebene (F) maximal 100 mm, vorzugsweise 0,2 bis 100 mm, besonders vorzugsweise 0,5 bis 20 mm beträgt und die Breite (b) der Taschen (4a') 0,1 bis 20 mm, vorzugsweise 0,2 bis 5 mm, besonders vorzugsweise 0,3 bis 1,5 mm beträgt und/oder das Verhältnis der Breite der Taschen zur Länge der Taschen, jeweils gemessen in der Fügeebene, 1:100<b/1<1:1 beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatten auf der von der Fügeebene (F) abgewandten Seite der Grundplatten im Bereich der Taschen (4a', 4b') Erhebungen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die höchste Erhebung (t₂), gemessen von der Ebene auf der der Fügeebene (F) abgewandten Seite der Grundplatte (2a) im Verhältnis zur Tiefe der Kanalstruktur (t₁) maximal 1:1,5–1:25 beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen (4a, 4b; 4a', 4b') im elektrochemisch aktiven Bereich der Versorgungsplatte angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsplatte (1) eine Bipolarplatte für Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen (PEMFC), für Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC) oder Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1 in Verbindung mit Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlöten mittels eines Laserstrahls erfolgt, der achsgeführt ist oder mit Scanner arbeitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, welche ein Herausfließen des Fügemittels aus der Tasche (4a''') heraus verhindern oder begrenzen.
Verfahren nach Patentanspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel um den Bereich des Taschenrandes herum angebrachter Lotstopplack oder angebrachte Lotstoppfolie oder benach bart zur Tasche (4a''') eingebrachte Lotauffangräume (7) sind.
Grundplatte zum Aufbau einer Versorgungsplatte und zur Verwendung in einem Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Grundplatte (2a, 2b) aus der Fügeebene (F) herausragende Kanalstrukturen (5) zur Führung einer Kühlflüssigkeit aufweist und in der Fügeebene (F) zwischen den Kanalstrukturen (5) Taschen (4a, 4b; 4a', 4b') zur Aufnahme von Fügematerial gegeben sind.
Versorgungsplatte, hergestellt in einem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass diese Versorgungsplatte (1) zwei miteinander verbundene Grundplatten (2a, 2b) aufweist und diese Grundplatten (2a, 2b) einen zwischen den Grundplatten (2a, 2b) eingeschlossenen Bereich (6) zur Flüssigkeitsführung einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Bereiches (6) zur Flüssigkeitsführung Berührstellen vorgesehen sind, welche als mit Fügemittel (3) gefüllte Taschen zur Verbindung der Grundplatten (2a, 2b) ausgeführt sind.
Verwendung einer Versorgungsplatte nach Anspruch 22 in einem Elektrolyseur, einem Wasserstoff kompressor, einer Brennstoffzelle oder einem anderen elektrochemischen System.