DE10160706A1 - Verfahren zur Herstellung einer Platte sowie Platte - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Platte sowie Platte

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Platte, bestehend aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.-% bis 95 Gew.-%, wobei eine den Kunststoff und den Kohlenstoff-Füllstoff enthaltende Ausgangsmischung in eine Pressform eingefüllt und sodann mit einem Presswerkzeug zu der Platte geformt wird. Um zu erreichen, dass die Platte gezielt gewünschte Eigenschaften aufweist, wird vorgeschlagen, dass in die Pressform schicht- und/oder bereichsweise Ausgangsmischungen unterschiedlicher Zusammensetzungen und/oder unterschiedlicher chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften eingefüllt werden oder dass eine Ausgangsmischung portionsweise der Pressform zugeführt wird und die zugeführten Portionen nacheinander unterschiedlichen Pressparametern ausgesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Platte, insbesondere bestimmt für eine Brennstoffzelle, bestehend aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.-% bis 95 Gew.-%, wobei eine den Kunststoff und den Kohlenstoff-Füllstoff enthaltende Ausgangsmischung in eine Pressform eingefüllt und sodann mit einem Presswerkzeug wie - stempel zu der Platte geformt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Platte, insbesondere Bipolarplatte bestimmt für eine Brennstoffzelle oder Separatorplatte oder Elektrodenplatte, die aus einem wärmehärtbaren und/oder thermoplatischen Kunststoff und einem Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.-% bis 90 Gew.-% besteht, wobei vorzugsweise die Platte zumindest bereichsweise durch z. B. offene oder geschlossene Kanäle zum Führen bzw. Durchströmen von Gasen bzw. Flüssigkeiten strukturiert ist.
  • In Brennstoffzellen kann chemische Energie mit hohem Wirkungsgrad direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. Das Grundprinzip wird durch eine räumliche Trennung von Reaktionspartnern wie Wasserstoff oder Methanol einerseits und Sauerstoff bzw. Luft andererseits durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten wie Polymerelektrolytmembran verwirktlicht, die auf beiden Seiten mit porösen Elektroden - der Anode und der Kathode - in Kontakt steht. Auf diese Weise kann eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff nicht explosionsartig als Knallgasreaktion ablaufen, sondern so kontrolliert durchgeführt werden, dass ein Elektronenaustausch zwischen den Reaktionspartnern über einen äußeren Stromkreis erfolgt und somit die elektrische Energie liefert.
  • Die Elektroden bestehen häufig aus einer mit einem Katalysator versehener Rußschicht, die auf der Membran aufgebracht ist, wobei als Katalysatoren vorzugsweise Platin aber auch andere geeignete Edelmetalle wie Palladium verwendet werden.
  • Die Zufuhr der Reaktionspartner zu den Elektroden kann über Bipolarplatten erfolgen, die aus einem wärmeaushärtbaren Kunststoff mit Kohlenstofffüllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.-% bis 95 Gew.-% bestehen. In die den Elektroden zugewandten Flächen der Bipolarplatten sind Kanäle eingelassen, entlang der die Reaktionspartner strömen. Wird als Reaktionsgas Wasserstoff der Anode der Brennstoffzelle zugeführt, so werden in der Katalysatorschicht der Anode Kationen gebildet und gleichzeitig Elektronen an die elektronenleitende Anode abgegeben. Als Oxidationsmittel wird Sauerstoff oder Luft der Kathodenseite der Zelle zugeführt. Durch Aufnahme der durch die ionenleitfähige Membran diffundierten Wasserstoffionen (Protonen) und der durch den Außenstromkreis von der Anode zur Kathode fließenden Elektronen wird das Reaktionsgas Sauerstoff reduziert. Diese Reaktion läuft in der Katalysatorschicht der Kathode ab, die mit der Membran kontaktiert ist. Als Reaktionsprodukt entsteht Wasser. Die Reaktionsenthalpie wird in Form von elektrischer Energie und Wärme frei.
  • Damit die Reaktionspartner im hinreichenden Umfang mit der jeweiligen Elektrode bzw. dem in dieser vorhandenen Katalysator in Kontakt gelangen, wird zwischen der jeweiligen Elektrode und der Bipolarplatte eine Diffussionsschicht angeordnet. Somit wird die Elektrode durch die zwischen den Kanälen der Bipolarplatte vorhandenen Stege oder Wandungen nicht abgedeckt, wodurch andernfalls der Wirkungsgrad beeinträchtigt werden könnte.
  • Entscheidende Parameter für das Erreichen eines hohen Wirkungsgrades sind eine schnelle und möglichst vollständige Zu- und Abfuhr von Reaktionspartnern und -produkten an den aktiven Zentren der Elektroden und ein optimaler Wasserhaushalt der Membran.
  • Ein Austrocknen der Membran läßt deren Protonenleitfähigkeit drastisch absinken; Wasserüberschuss führt dagegen zum Blockieren der Poren in der Gasdiffussionsschicht und schließlich zum Verstopfen der Gasführungskanäle.
  • Üblicherweise versucht man das Problem eines optimalen Wassergehalts über die gesamte aktive Fläche über das Design und die Anordnung der Gasführungskanäle auf der Bipolarplatte zu lösen. Gleichzeitig werden entweder externe oder interne Befeuchtungssysteme eingesetzt.
  • Aus der DE 195 42 721 A1 ist es bekannt, Kunststoff-Füllstoff-Mischungen durch Extrudieren zu Platten zu formen, die für elektrische und elektrochemische Zwecke bestimmt sein können. Durch das Extrudieren bedingt müssen die dem Extruder zugeführten Mischungen bestimmte Temperaturen einhalten, um eine Masseförderung sicherzustellen.
  • In der DE 26 35 636 C2 wird eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen beschrieben. Dabei werden Bahnen von Elektrodenmaterial und Bahnen von Faservliesmaterial verbunden, wobei zur Erzielung einer gewünschten Geometrie der Platten aus diesen Öffnungen ausgestanzt werden, um bei einer fertigen Brennstoffzelle gewünschte Kammern, Kanäle und Durchgänge zur Verfügung zu stellen.
  • Aus der WO 96/33520 ist ein graphitisierter Verbundwerkstoff bekannt, der zur Herstellung von Platten von Brennstoffzellen benutzt wird.
  • Die DE 198 29 142 A1 bezieht sich auf einen gasdichten Verbund aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Einheit von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen.
  • Auch sind Bipolarplatten mit Kühlkanälen bekannt, die aus zwei plattenförmigen aufeinanderliegenden Abschnitten bestehen, wobei die aufeinanderliegenden Flächen zueinander fluchtende rinnenförmige Vertiefungen aufweisen, die die Kühlkanäle bilden. Die plattenförmigen Abschnitte selbst werden durch Kleber verbunden, wodurch Einbußen in Bezug auf die Leitfähigkeit der Bipolarplatte im Bereich der Verbindungsstellen in Kauf genommen werden müssen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Platte und eine solche selbst derart weiterzubilden, dass die Platte bereichsweise gewünschte Eigenschaften aufweist, ohne dass die Platte aus Abschnitten mit entsprechenden Eigenschaften zusammengefügt werden muss. Insbesondere soll die Platte einen guten Wasserhaushalt der Membran gewährleisten. Befeuchtungssysteme sollten nicht oder nur noch in vereinfachter Form erforderlich sein.
  • Erfindungsgemäß wird das Problem durch ein Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gelöst, dass in die Pressform schicht- und/oder bereichsweise Ausgangsmischungen unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder unterschiedlicher chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften eingefüllt werden oder dass eine Ausgangsmischung portionsweise der Pressform zugeführt wird und die zugeführten Portionen nacheinander unterschiedlichen Pressparametern ausgesetzt werden.
  • Erfindungsgemäß wird eine einheitliche Platte hergestellt, die jedoch durch gezieltes Zuführen von Ausgangsmischungen unterschiedlicher Zusammensetzungen bzw. chemischer oder physikalischer Eigenschaften in ihren Endeigenschaften, also den Eigenschaften der fertigen Platte eingestellt werden kann, ohne dass getrennt Abschnitte hergestellt sind und sodann z. B. durch Kleber verbunden werden, wie dies z. B. nach dem Stand der Technik bekannt ist.
  • Somit besteht die Möglichkeit, eine integrale Platte, insbesondere eine Bipolarplatte, in ihren Flachseiten unterschiedlich auszubilden. So kann eine Flachseite porös und die andere flüssigkeitsdicht sein. Alternativ können die unterschiedlichen Materialeigenschaften auch dadurch erreicht werden, dass der Pressform portionsweise eine Ausgangsmischung gleicher Zusammensetzung zugeführt wird und sodann nach dem Zuführen der Pressvorgang durchgeführt wird, wobei unterschiedliche Portionen unterschiedlichen Pressparametern ausgesetzt werden können. Auch hierdurch besteht z. B. die Möglichkeit, die Platte bereichsweise unterschiedlich porös auszubilden.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass zumindest eine Deckschicht der Platte durch z. B. oxidierbare Nachbehandlung wie naßchemisch oder durch Corona- oder Plasmabehandlung hydrophil eingestellt wird.
  • Eine Platte der eingangs genannten Art zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Platte einteilig hergestellt ist und Bereiche unterschiedlicher Materialzusammensetzungen und/oder voneinander abweichender chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften aufweist.
  • Dabei kann die Platte in zumindest einer ihrer Flachseiten durch z. B. eingeformte Kanäle strukturiert sein, wobei die Flachseiten unterschiedlich porös ausgebildet sind. Selbstverständlich kann auch jede Flachseite der Platte strukturiert sein, wobei bei der Verwendung als Bipolarplatte eine Flachseite, und zwar die poröse Flachseite der Kathode und die dichtere Flachseite der Anode einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zugewandt sein können.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die poröse Kathodenseite mit üblichen Additiven bzw. Verfahren hydrophil eingestellt bzw. nachbehandelt. Wenn die Gasführungskanäle so angeordnet sind, dass Einlass und Auslass eng benachbart sind, kann Wasser von der wasserreichen Auslassseite durch das Porensystem zur trockenen Einlassseite penetrieren und die eintretende Luft befeuchten. Überschüssiges Wasser wird die Plattenoberfläche gut benetzen und als Film ausgetragen; ein Verschließen von Poren und Kanälen durch tropfenförmiges Wasser wird damit vermieden.
  • Je nach Membrandicke und den Betriebsbedingungen reicht die kathodenseitige Befeuchtung der Membran aus, um den optimalen Wassergehalt sicherzustellen; ggf. muss aber das anodenseitige Brenngas vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle noch leicht befeuchtet werden.
  • Die Kombination einer porösen Oberflächenschicht mit fein strukturierten Kanälen kann insbesondere auf der Anodenseite den Einsatz einer Gasdiffusionsschicht erübrigen. Das Brenngas kann über die poröse Struktur der Stege zwischen den Kanälen die Katalysatorschicht auf der Membran vollflächig erreichen. Durch den Verzicht auf eine Gasdiffusionsschicht sind geringere Übergangswiderstände, d. h. geringere ohmsche Verluste und damit ein besserer Wirkungsgrad erreichbar.
  • Ferner besteht die Möglichkeit dass die Deckschicht der Platte zumidest ein hydrophiles Additiv wie Kieselgel enthält.
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
  • Beispiel 1
  • Zur Herstellung einer Kunststoff-Füll-Mischung bestimmt für eine Bipolarplatte wurden als Mischungsbestandteile 850 g Graphit einer Fraktion 0 bis 200 µm, 150 g Phenolharz in einen Mischer bei einer Temperatur von 80° über einen Zeitraum von 10 min vermischt. Nach dem Austragen der Mischung aus dem Mischer und Erstarren dieser wurde die Masse einer Mühle zugeführt, um Mahlgut einer Fraktion kleiner 1 mm zu gewinnen. Eine vorher abgewogenen und volumetrisch dosierte Masse der Mischung wird sodann in eine Pressform (Gesenk) eines Heißpresswerkzeuges gefüllt, um sodann durch axiales, also vertikales Bewegen des Oberstempels die Presse zu schließen. Nach Aufsetzen des Oberstempels auf die Masse beginnt deren Erweichen, Verdichten und Aushärten in Folge der Berührung der Pressmasse mit den heißen Stempelwandungen. Dabei wird eine erste abgewogene und volumetrisch dosierte Masse einem Druck von 50 MPa ausgesetzt. Hierdurch wird die Masse nahezu porenfrei verdichtet. Nach dem Aushärten der Masse wird der Pressstempel zurückgezogen, um eine zweite abgewogene und volumentrisch dosierte Masse in das Gesenk einzufüllen. Sodann wird erneut ein Pressvorgang durchgeführt, wobei jedoch der Druck geändert wurde auf 5 MPa. Hierdurch bedingt weist die durch die zweite abgewogene volumetrisch dosierte Masse gebildete Schicht ein Porenvolumen von 25% auf. Durch den hydrophilen Charakter von Phenolharz wird die Platte durch Wasser gut benetzt.
  • Beispiel 2
  • Zur Herstellung einer Kunststoff-Füll-Mischung bestimmt für eine Bipolarplatte wurden als Mischungsbestandteile 950 g Graphit einer Fraktion 5 bis 100 µm, 50 g Phenolharz in einen Mischer bei einer Temperatur von 80° über einen Zeitraum von 10 min vermischt. Nach dem Austragen der Mischung aus dem Mischer und Erstarren dieser wurde die Masse einer Mühle zugeführt, um Mahlgut einer Fraktion kleiner 1 mm zu gewinnen. Eine vorher abgewogene und volumetrisch dosierte Masse der Mischung wird sodann in eine Pressform (Gesenk) eines Heißpresswerkzeuges gefüllt, um sodann durch axiales, also vertikales Bewegen des Oberstempels die Presse zu schließen. Nach Aufsetzen des Oberstempels auf die Masse beginnt deren Erweichen, Verdichten und Aushärten in Folge der Berührung der Pressmasse mit den heißen Stempelwandungen. Dabei wird eine erste abgewogene und volumetrisch dosierte Masse einem Druck von 50 MPa ausgesetzt. Hierdurch wird die Masse nahezu porenfrei verdichtet. Nach dem Aushärten der Masse wird der Pressstempel zurückgezogen, um eine zweite abgewogene und volumentrisch dosierte Masse in das Gesenk einzufüllen. Sodann wird erneut ein Pressvorgang durchgeführt, wobei jedoch der Druck geändert wurde auf 25 MPa. Hierdurch bedingt weist die durch die zweite abgewogene volumetrisch dosierte Masse gebildete Deckschicht ein Porenvolumen von 15-20% auf.
  • Durch den geringen Bindemittelgehalt bleibt auch bei dem höheren Pressdruck ein relativ hohes Porenvolumen enthalten. Die bessere Kontaktierung der Graphitpartikel in der porösen Schicht führt zu einem geringeren elektrischen Widerstand der Mehrschichtplatte.
  • Beispiel 3
  • Zur Herstellung einer Kunststoff-Füll-Mischung bestimmt für eine Bipolarplatte wurden als Mischungsbestandteile 850 g Graphit einer Fraktion 0 bis 200 µm, 150 g Epoxidharz in einen Mischer bei einer Temperatur von 80° über einen Zeitraum von 10 min vermischt. Nach dem Austragen der Mischung aus dem Mischer und Erstarren dieser wurde die Masse einer Mühle zugeführt, um Mahlgut einer Fraktion kleiner 1 mm zu gewinnen. Eine vorher abgwogenen und volumetrisch dosierte Masse der Mischung wird sodann in eine Pressform (Gesenk) eines Heißpresswerkzeuges gefüllt, um sodann durch axiales, also vertikales Bewegen des Oberstempels die Presse zu schließen. Nach Aufsetzen des Oberstempels auf die Masse beginnt deren Erweichen, Verdichten und Aushärten in Folge der Berührung der Pressmasse mit den heißen Stempelwandungen. Dabei wird eine erste abgewogene und volumetrisch dosierte Masse einem Druck von 50 MPa ausgesetzt. Hierdurch wird die Masse nahezu porenfrei verdichtet. Nach dem Aushärten der Masse wird der Pressstempel zurückgezogen, um eine zweite abgewogene und volumentrisch dosierte Masse in das Gesenk einzufüllen. Sodann wird erneut ein Pressvorgang durchgeführt, wobei jedoch der Druck geändert wurde auf 5 MPa. Hierdurch bedingt weist die durch die zweite abgewogene volumetrisch dosierte Masse gebildete Schicht ein Porenvolumen von 25% auf.
  • Beispiel 4
  • Zur Herstellung einer Kunststoff-Füll-Mischung bestimmt für eine Bipolarplatte wurden als Mischungsbestandteile 850 g Graphit einer Fraktion 0 bis 200 µm, 150 g Epoxidharz in einen Mischer bei einer Temperatur von 80° über einen Zeitraum von 10 min vermischt. Nach dem Austragen der Mischung aus dem Mischer und Erstarren dieser wurde die Masse einer Mühle zugeführt, um Mahlgut einer Fraktion kleiner 1 mm zu gewinnen. Eine vorher abgewogene und volumetrisch dosierte Masse der Mischung wird sodann in eine Pressform (Gesenk) eines Heißpresswerkzeuges gefüllt, um sodann durch axiales, also vertikales Bewegen des Oberstempels die Presse zu schließen. Nach Aufsetzen des Oberstempels auf die Masse beginnt deren Erweichen, Verdichten und Aushärten in Folge der Berührung der Pressmasse mit den heißen Stempelwandungen. Dabei wird eine erste abgewogene und volumetrisch dosierte Masse einem Druck von 50 MPa ausgesetzt. Hierdurch wird die Masse nahezu porenfrei verdichtet. Nach dem Aushärten der Masse wird der Pressstempel zurückgezogen, um eine zweite abgewogene und volumentrisch dosierte Masse in das Gesenk einzufüllen. Sodann wird erneut ein Pressvorgang durchgeführt, wobei jedoch der Druck geändert wurde auf 25 MPa. Hierdurch bedingt weist die durch die zweite abgewogene volumetrisch dosierte Masse gebildete Schicht ein Porenvolumen von 15-20% auf.
  • Durch den geringen Bindemittelgehalt bleibt auch bei dem höheren Pressdruck ein relativ hohes Porenvolumen enthalten. Die bessere Kontaktierung der Graphitpartikel in der porösen Schicht führt zu einem geringeren elektrischen Widerstand der Mehrschichtplatte.
  • Durch die Verwendung von Epoxidharz bei den Beispielen 3 und 4 sind die Platten nach der Formgebung hydrophob. Eine hydrophile Einstellung ist durch oxidierende Nachbehandlung (nasschemische oder durch Corona- oder Plasmabehandlung) möglich.
  • Die Erfindung wird auch nachstehend von an Hand von der Zeichnung zu entnehmenden Ausführungsbeispielen erläutert, aus denen sich weitere die Erfindung prägende Merkmale ergeben.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Brennstoffzelle,
  • Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Presswerkzeugs und
  • Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer Bipolarplatte.
  • In Fig. 1 ist rein prinzipiell und in auseinandergezogener Darstellung ein Ausschnitt einer Brennstoffzelle dargestellt, wobei eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 10 zwischen zwei Bipolarplatten 12, 14 angeordnet ist. Dabei weist im Ausführungsbeispiel die Bipolarplatte 12 einen homogenen Aufbau mit in jedem Bereich gleichen Eigenschaften auf, wohingegen die Bipolarplatte 14 aus Bereichen 16, 18 besteht, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. So kann der Bereich 16 poröser als der Bereich 18 sein.
  • Unabhängig hiervon bestehen die Bipolarplatten 12, 14 aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.-% bis 95 Gew.-% bestehen. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Techniken verwiesen. Auch sollten die Bipolarplatten 12, 14 zumindest auf der der Membran-Elektroden-Anordnung 10 zugewandten Fläche 20 vorzugsweise mäanderförmig verlaufende Kanäle 92, die gegebenenfalls in Sektionen unterteilt sind, aufweisen, durch die ein Reaktand - anodenseitig Wasserstoff oder Methan und kathodenseitig Luft oder Sauerstoff - strömen kann.
  • Die Membran-Elektroden-Anordnung 10 umfasst eine für Kationen permeable Membran 24, entlang deren Flächen eine Rußschicht mit einem Edelmetallkatalysator wie Platin oder Palladium als Anode 26 bzw. Kathode 28 angeordnet sind. Anode 26 und Kathode 28 sind ihrerseits von jeweils einer Gasdiffussionsschicht 30, 32 abgedeckt, die bei zusammengesetzter Einheit bestehend aus den Bipolarplatten 12, 14 und der Membran-Elektroden- Anordnung 10 die Kanäle 22 der Bipolarplatten 12, 14 vollständig abdecken, gleichzeitig jedoch die Möglichkeit bieten, dass in den Känalen 22 strömende Reaktanden sich über die gesamten Elektrodenflächen 26, 28 verteilen können, damit die gewüschte chemische Reaktion mit hohem Wirkungsgrad ablaufen kann.
  • Entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre können die Bipolarplatten aus Abschnitten unterschiedlicher Materialzusammensetzungen bzw. voneinander abweichender chemischer oder physikalischer Eigenschaften bestehen.
  • In Fig. 3 ist beispielhaft eine Bipolarplatte 34 dargestellt, die aus einem quaderförmigen Trägerkörper 36 und auf diesem vorhandene eine durch Kanäle 38, 40, 42, 44, 46 gebildete Struktur aufweisende Schicht 48 besteht, wobei die Schicht 48 eine größere Porösität als die Basisplatte 36 aufweist. Die Basisplatte 36 und die Schicht 48 sind jedoch nicht getrennt hergestellte Abschnitte der Bipolarplatte 34, sondern sind sukzessiv in einem Presswerkzeug 50 (Fig. 2) hergestellt, bei dem es sich um ein Heißpresswerkzeug handeln kann.
  • Das Presswerkzeug 50 umfasst eine Pressform oder ein Gesenk 52 mit einem eine Geometrie einer herzustellenden Platte vorgebenden Innenraum 54 sowie einen in diesem axial verstellbaren Pressstempel.
  • Zur Ausbildung von Schichten entsprechend denen der Fig. 3 mit unterschiedlichen Materialeigenschaften und/oder physikalischen bzw. chemischen Eigenschaften werden in das Gesenk, d. h. dessen Innenraum 56 entweder schichtweise Ausgangsmischungen von aushärtbarem Kunststoffmaterial und Kohlenstoff-Füllstoff unterschiedlicher Zusammensetzung angefüllt, um sodann in einem einzigen Pressvorgang die Platte herzustellen oder aber Schichten 58, 60, 62 werden nacheinander eingefüllt, wobei nach Einbringen einer jeden Schicht auf diese der Pressstempel 56 zum Ausformen einwirkt. Dabei können die Pressparameter des Pressstempels 56 unterschiedlich eingestellt werden, um so z. B. die Porösität der einzelnen Schichten 58, 60, 62 unterschiedlich einzustellen. Somit kann bei gleicher Ausgangsmischung einer Platte hergestellt werden, die schichtweise unterschiedliche Materialeigenschaften wie Porösität aufweist. Selbstverständlich können die einzelnen Schichten auch unterschiedliche Materialzusammensetzungen zeigen.
  • Beispielhaft weist die Schicht 58 eine Zusammensetzung 95% Graphit einer Fraktion von 50 bis 100 µm und 50% Phenolharz, die Schicht 60 und 62 eine Zusammensetzung 85% Graphit einer Fraktion von 0 bis 200 µm und 15% Phenolharz auf. Nach Einbringen einer jeweiligen Schicht wirkt der Presszylinder 56 mit einem Druck von 25 MPa bzw. 50 MPa bzw. 5 MPa ein. Die Schichten 58, 60, 62 einer so hergestellten Bipolarplatte weisen folgende physikalische Eigenschaften auf:


  • Die poröse Struktur ermöglicht z. B. bei einer Bipolarplatte einen problemlosen Wassertransport, so dass nicht die Gefahr besteht, dass Kanäle durch Wassertropfen versperrt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen einer Platte, insbesondere bestimmt für eine Brennstoffzelle, bestehend aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.-% bis 95 Gew.-%, wobei eine den Kunststoff und den Kohlenstoff-Füllstoff enthaltende Ausgangsmischung in eine Pressform eingefüllt und sodann mit einem Presswerkzeug wie -stempel zu der Platte geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in die Pressform schicht- und/oder bereichsweise Ausgangsmischungen unterschiedlicher Zusammensetzungen und/oder unterschiedlicher chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften eingefüllt werden oder dass eine Ausgangsmischung portionsweise der Pressform zugeführt wird und die zugeführten Portionen nacheinander unterschiedlichen Pressparametern ausgesetzt werden.
2. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Deckschicht der Platte durch z. B. oxidierbare Nachbehandlung wie naßchemisch oder durch Corona- oder Plasmabehandlung hydrophil eingestellt wird.
3. Platte, insbesondere Bipolarplatte bestimmt für eine Brennstoffzelle oder Separatorplatte oder Elektrodenplatte, die aus einem wärmeaushärtbaren und/oder thermoplastischen Kunststoff und einem Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von vorzugsweise 70 Gew.-% bis 95 Gew.-% besteht, wobei vorzugsweise die Platte zumindest bereichsweise durch z. B. offene oder geschlossene Kanäle zum Führen bzw. Durchströmen eines Fluids strukturiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (12, 14, 34) einteilig hergestellt ist und Bereiche (36, 48) gezielt unterschiedlicher Materialzusammensetzungen und/oder voneinander abweichender chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften aufweist.
4. Platte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (14, 34) in zumindest einer ihrer Flachseiten durch z. B. eingeformte Kanäle (38, 40, 42, 44, 46) strukturiert ist und dass die Flachseiten unterschiedlich porös sind.
5. Platte nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Flachseite der Platte (34) strukturiert ist.
6. Platte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (48) der Platte (34) zumidest ein hydrophiles Additiv wie Kieselgel enthält.
7. Platte nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Deckschicht (48), vorzugsweise sämtliche Deckschichten der Platte (34) hydrophil eingestellt sind.
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DE (1) DE10160706A1 (de)
WO (1) WO2003050902A2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011120802A1 (de) 2011-12-10 2013-06-13 Daimler Ag Bipolarplatte zumindest aus einem Kunststoff für eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung einer solchen Bipolarplatte

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7534510B2 (en) 2004-09-03 2009-05-19 The Gillette Company Fuel compositions

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2635636C2 (de) * 1975-08-14 1985-05-09 Stamicarbon B.V., Geleen Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle oder Batterie, z.B. einer Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbatterie, sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Zelle oder Batterie
DE3512326A1 (de) * 1984-04-04 1985-10-24 Kureha Kagaku Kogyo K.K., Tokio/Tokyo Elektrodenmaterial fuer brennstoffzellen und verfahren zu seiner herstellung
DE3642605A1 (de) * 1986-12-13 1988-06-23 Ringsdorff Werke Gmbh Elektrode fuer elektrochemische prozesse
WO1996033520A1 (en) * 1995-04-20 1996-10-24 International Fuel Cells Corporation Graphitized composite article of carbon-fibre-reinforced carbon and method for manufacturing the same
DE19542721A1 (de) * 1995-11-16 1997-05-22 Sgl Technik Gmbh Verfahren zur Herstellen von Formkörpern aus Kunststoff-Füllstoff-Mischungen mit einem hohen Gehalt an Füllstoffen
DE19829142A1 (de) * 1998-06-30 2000-01-05 Manhattan Scientifics Inc Gasdichter Verbund aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Einheit von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0330124A3 (de) * 1988-02-24 1991-06-12 Toray Industries, Inc. Elektroleitendes integriertes Substrat und Verfahren zu seiner Herstellung
WO1991006131A1 (en) * 1989-10-17 1991-05-02 Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Porous carbon material equipped with flat sheet-like ribs and production method thereof
US6329094B1 (en) * 1997-05-14 2001-12-11 Sanyo Electric Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell showing stable and outstanding electric-power generating characteristics
ATE268060T1 (de) * 1998-09-16 2004-06-15 Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh Kunststoffplatte sowie verfahren zur herstellung einer solchen
US6451471B1 (en) * 1999-07-15 2002-09-17 Teledyne Energy Systems, Inc. Conductivity fuel cell collector plate and method of fabrication

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2635636C2 (de) * 1975-08-14 1985-05-09 Stamicarbon B.V., Geleen Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle oder Batterie, z.B. einer Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenbatterie, sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Zelle oder Batterie
DE3512326A1 (de) * 1984-04-04 1985-10-24 Kureha Kagaku Kogyo K.K., Tokio/Tokyo Elektrodenmaterial fuer brennstoffzellen und verfahren zu seiner herstellung
DE3642605A1 (de) * 1986-12-13 1988-06-23 Ringsdorff Werke Gmbh Elektrode fuer elektrochemische prozesse
WO1996033520A1 (en) * 1995-04-20 1996-10-24 International Fuel Cells Corporation Graphitized composite article of carbon-fibre-reinforced carbon and method for manufacturing the same
DE19542721A1 (de) * 1995-11-16 1997-05-22 Sgl Technik Gmbh Verfahren zur Herstellen von Formkörpern aus Kunststoff-Füllstoff-Mischungen mit einem hohen Gehalt an Füllstoffen
DE19829142A1 (de) * 1998-06-30 2000-01-05 Manhattan Scientifics Inc Gasdichter Verbund aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Einheit von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011120802A1 (de) 2011-12-10 2013-06-13 Daimler Ag Bipolarplatte zumindest aus einem Kunststoff für eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung einer solchen Bipolarplatte

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