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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
US 2007/0243452 A1 ist eine Elektrode für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Elektrode umfasst ein Substrat mit einer Oberfläche, die derart ausgebildet ist, dass diese einen Abschnitt eines Fluidkanals in der zusammengefügten Brennstoffzelle bildet. Die Elektrode umfasst weiterhin eine Schicht, welche Ruthenium enthält und über der Oberfläche angeordnet ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle offenbart, bei welchem eine erste Schicht über zumindest einen Abschnitt von einem oder mehreren Fluidkanälen, welche in einer Oberfläche eines Substrates erzeugt werden, angeordnet wird. Die Fluidkanäle sind derart angeordnet, dass mittels dieser ein Brennstoff zu einem aktiven Bereich der zusammengefügten Brennstoffzelle transportiert wird. Weiterhin wird eine Ruthenium enthaltende Schicht über der die Fluidkanäle aufweisenden Oberfläche angeordnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte anzugeben, mittels welchem eine Leistungsfähigkeit und Qualität der Bipolarplatte erhöht werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte wird diese aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte gebildet.
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Erfindungsgemäß wird zur Erzeugung der ersten Platte und der zweiten Platte zunächst jeweils ein Metallsubstrat in einem Umformprozess derart bearbeitet, dass zumindest einseitig und zumindest in Teilabschnitten Strukturen auf- und/oder eingebracht werden. Anschließend werden die umgeformten Metallsubstrate in einem ersten Reinigungsprozess gereinigt, um bei dem Umformprozess entstandene Verunreinigungen zu entfernen. Darauf folgend werden die erste Platte und die zweite Platte in einem Laserschneidprozess aus den Metallsubstraten derart herausgetrennt, dass diese ihre endgültige Außenform erhalten. Anschließend werden die erste Platte und die zweite Platte in einem zweiten Reinigungsprozess wiederum gereinigt, so dass vor dem nachfolgenden Laserschweißprozess Verunreinigungen entfernt werden. Während dieses Laserschweißprozesses werden die erste Platte und die zweite Platte zunächst planparallel zueinander angeordnet und anschließend miteinander zu der Bipolarplatte gefügt.
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Aufgrund des zweiten Reinigungsprozesses der Platten vor dem Laserschweißen ist es in gewinnbringender Weise möglich, dass ein Einschluss von Fremdstoffen zwischen den Platten vermieden wird. Daraus resultiert wiederum, dass ein minimaler Kontaktwiderstand zwischen den Platten erzielt wird und eine elektrische Leistungsfähigkeit der Bipolarplatte und daraus folgend des gebildeten Brennstoffzellenstapels weiter erhöht wird.
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Nach dem Laserschweißprozess werden die erste Platte und die zweite Platte in einem Beschichtungsprozess mit einem Katalysator beschichtet, welcher zu einer katalytischen Oxidation eines Brennstoffes während eines Betriebs einer Brennstoffzelle vorgesehen ist. Durch die vorherige Reinigung der Platten wird wirkungsvoll ein Eintrag von Fremdkörpern zwischen das Metallsubstrat und den Katalysator vermieden, so dass eine elektrische Leistungsfähigkeit der Bipolarplatte und daraus folgend eines aus mehreren dieser Bipolarplatten gebildeten Brennstoffzellenstapels oder -stacks sehr hoch ist. Auch treten im Betrieb des Brennstoffzellenstapels, welcher aus abwechselnd übereinander gestapelten Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten gebildet ist, keine Ungleichmäßigkeiten auf.
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Um eine Fügung mehrerer Bipolarplatten zu dem Brennstoffzellenstapel zu ermöglichen, bei welcher abwechselnd mehrere Bipolarplatten und die Membran-Elektroden-Einheiten gestapelt werden, werden anschließend auf zumindest eine Außenseite der Bipolarplatte eine oder mehrere Dichtungen aufgebracht.
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Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich daraus, dass nach dem Umformprozess und/oder nach dem Laserschweißprozess ein Spannungsarmglühen derart ausgeführt wird, dass innere Spannungen in dem Metallsubstrat verringert werden. Dabei werden die erste und die zweite Platte erhitzt, wobei der metallische Werkstoff, beispielsweise Edelstahl, aus welchem die Platten gefertigt sind, entsprechend der in diesem auftretenden Spannungen plastisch zu fließen beginnt, so dass die in dem Laserschweißprozess und/oder Umformprozess im metallischen Werkstoff entstandenen Spannungen verringert werden. Deshalb erfolgt das Spannungsarmglühen vorzugsweise zumindest nach dem Laserschweißprozess. Die daraus resultierenden Vorteile bestehen darin, dass die lasergeschweißten Platten während des Beschichtungsprozesses formstabil bleiben, so dass der Katalysator gleichmäßig aufgebracht werden kann. Aufgrund der Formstabilität und der gleichmäßigen Schichtdicke des Katalysators ist ein besonders gleichmäßiger Betrieb des Brennstoffzellenstapels möglich. Auch werden eine Fertigungszeit sowie Fertigungskosten und daraus folgend eine Wertschöpfung erhöht, da eine Ausschussmenge verringert wird. Als weiterer Vorteil leitet sich aus dem Spannungsarmglühen eine erhöhte Lebensdauer der Bipolarplatte und dem aus mehreren Bipolarplatten gebildeten Brennstoffzellenstapel ab, da die Gefahr von Wasserstoffdiffusionen in die Bipolarplatten während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels zumindest vermindert ist, so dass eine vorzeitige Wasserstoffversprödung des Metallsubstrats der Bipolarplatte nicht auftritt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Bipolarplatte und beispielhaft Schritte eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zu deren Herstellung, und
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2 schematisch eine Bipolarplatte und beispielhaft Schritte eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zu deren Herstellung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 sind eine Bipolarplatte 1 und beispielhaft Schritte S1 bis S10 einer ersten Ausführung eines Verfahrens zu deren Herstellung dargestellt.
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Mehrere dieser Bipolarplatten 1 werden zur Erzeugung eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellenstapels mit ebenfalls nicht dargestellten Membran-Elektroden-Einheiten abwechselnd übereinander gestapelt. Dabei werden mehrere gebildete Brennstoffzellen elektrisch in Serie geschaltet und planparallel übereinander gestapelt. Jede dieser Brennstoffzellen weist als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt, insbesondere eine Elektrolytmembran, auf, die zusammen die Membran-Elektroden-Einheit (kurz MEA bezeichnet) bilden.
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Die jeweilige, zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten angeordnete Bipolarplatte 1 dient dabei der Beabstandung der Membran-Elektroden-Einheiten, dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle wie Brennstoff und Oxidator über die angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu den Membran-Elektroden-Einheiten hin offenen Kanälen, der Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und der Kathode von benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen.
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Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe (kurz: Reaktionsgase) eingesetzt, z. B. Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gas, wie z. B. so genanntes Reformatgas, als Brennstoff und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z. B. Luft, als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffen werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte, wie z. B. Wasser oder Restbrenngas.
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Die jeweilige Bipolarplatte 1 besteht dabei aus zwei planparallel miteinander verbundenen Formteilen, welche als Platten ausgebildet sind. Dabei dient eine der Platten als Anodenplatte zur Verbindung mit der Anode der Membran-Elektroden-Einheit und die verbleibende der Platten als Kathodenplatte zur Verbindung mit der Kathode der anderen Membran-Elektroden-Einheit.
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An der der einen Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Oberfläche der Anodenplatte sind dabei Anodenkanäle zur Verteilung eines Brennstoffs entlang der einen Membran-Elektroden-Einheit angeordnet, wobei an der der anderen Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Oberfläche der Kathodenplatte Kathodenkanäle zur Verteilung des Oxidators über der anderen Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sind. Die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle haben keine Verbindung miteinander.
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Die Kathoden- und Anodenkanäle werden dabei von durch Erhebungen (im Weiteren Stege genannt) voneinander getrennten Vertiefungen (im Weiteren Kanäle genannt) auf den jeweils den Membran-Elektroden-Anordnungen zugewandten Oberflächen der Anoden- und Kathodenplatte gebildet. Die Kathoden- und Anodenplatte sind vorzugsweise geformt, insbesondere hohl geprägt. Die Stege und Kanäle werden beispielsweise diskontinuierlich durch Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder dergleichen, oder kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen hergestellt.
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Dieser Umformprozess erfolgt in einem ersten Schritt S1, in welchem jeweils ein Metallsubstrat derart bearbeitet wird, dass die Strukturen zur Erzeugung der Kanäle und der Außenform der Platten auf- und/oder eingebracht werden. Aufgrund dieser Umformung können jedoch innere Spannungen in dem Metallsubstrat auftreten, welche die Funktion und die weitere Bearbeitung der Bipolarplatte 1 negativ beeinflussen können.
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Zur Vermeidung dieser inneren Spannungen wird nach dem Umformprozess ein Spannungsarmglühen SAG derart ausgeführt, dass innere Spannungen in dem Metallsubstrat verringert werden. Dabei werden die erste Platte und die zweite Platte derart erhitzt, dass das Metallsubstrat entsprechend der in diesem auftretenden Spannungen plastisch zu fließen beginnt. Anschließend wird das Metallsubstrat langsam abgekühlt, so dass keine wesentlichen Änderungen der vorliegenden Eigenschaften erfolgen.
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Aufgrund des Abbaus der inneren Spannungen bleiben die Platten während eines im Schritt S8 des Verfahrens ausgeführten Beschichtungsprozesses formstabil, so dass ein in diesem Prozess aufgebrachter Katalysator K gleichmäßig aufgebracht werden kann. Daraus folgt wiederum ein besonders gleichmäßiger Betrieb des Brennstoffzellenstapels. Aus der Anwendung des Spannungsarmglühens SAG leitet sich eine erhöhte Lebensdauer der Bipolarplatte 1 und des aus mehreren Bipolarplatten 1 gebildeten Brennstoffzellenstapels ab, da die Gefahr von Wasserstoffdiffusionen in die Bipolarplatten 1 während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels verringert ist, so dass eine vorzeitige Wasserstoffversprödung des Metallsubstrats der Bipolarplatte 1 nicht auftritt.
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Anschließend werden die umgeformten Metallsubstrate in einem Schritt S2 in einem ersten Reinigungsprozess, welcher sowohl chemische als auch mechanische Reinigungsverfahren umfassen kann, gereinigt.
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In einem Schritt S3 erfolgt hiernach ein Heraustrennen der ersten Platte und der zweiten Platte aus den Metallsubstraten in einem Laserschneidprozess, bevor die Platten im Schritt S4 einem weiteren Reinigungsprozess zugeführt werden, in welchem bei dem Laserschneidprozess entstandene Verunreinigungen entfernt werden.
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Beim Fügen der Platten in einem Laserschweißprozess im folgenden Schritt S5 werden diese planparallel zueinander angeordnet und anschließend vorzugsweise mit einer randseitig zwischen den Platten verlaufenden Schweißnaht gefügt.
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Aufgrund der Reinigung der Platten vor dem darauf folgenden Laserschweißen wird zum einen ein Einschluss von Fremdstoffen und zum anderen das Entstehen von Oxiden beim Laserschweißen vermieden. Daraus resultiert ein geringer Übergangswiderstand der Bipolarplatte 1 und somit eine große elektrische Leistungsfähigkeit der aus dem Brennstoffzellenstapel gebildeten Brennstoffzelle.
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Im Schritt S6 wird ein Dichttest durchgeführt, in welchem die Bipolarplatte 1 auf Dichtheit zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte überprüft wird, so dass ein vorzugsweise zwischen den Platten geführtes Kühlmedium nicht austreten kann.
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Anschließend werden in einem Schritt S7 die gefügten Platten vorzugsweise in einem Ätzprozess zumindest in Teilabschnitten geätzt, so dass eine optimale Haftung des im darauf folgenden Schritt S8 aufgebrachten Katalysators K erzielt wird.
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Im Schritt S8 des Verfahrens wird der Katalysator K aufgebracht, welcher zur katalytischen Oxidation des Brennstoffs erforderlich ist. Dieses Aufbringen erfolgt vorzugsweise mittels einer physikalischen Gasphasenabscheidung, auch als PVD-Verfahren (aus dem Englischen: physical vapor deposition) bekannt. Dabei werden die erste Platte und die zweite Platte vor dem Beschichtungsprozess zumindest in Teilabschnitten, welche nicht elektrisch leitfähig sein sollen und in welchen der anschließende Laserschweißprozess erfolgt, maskiert. Die Maske bildet hierbei eine Schutzschicht, welche derart beständig gegenüber dem aufzubringenden Katalysator K ist, dass die Maske bei dem Beschichtungsvorgang nicht zu beschichtende Teilbereiche der Platten derart schützt, dass diese nicht beschichtet werden.
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Im darauf folgenden Schritt S9 des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auf zumindest eine Außenseite der Bipolarplatte 1 eine oder mehrere Dichtungen aufgebracht, so dass die Außenseiten der Bipolarplatte 1 gegen die Membran-Elektroden-Einheiten abgedichtet sind.
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Nach dem Aufbringen der Dichtung wird im Schritt S10 eine Qualitätskontrolle der Bipolarplatte 1 durchgeführt, im Rahmen welcher insbesondere deren Abmaße mit Sollmaßen verglichen, die Ergebnisse der vorherigen Schritte S1 bis S8 überprüft und elektrische Parameter erfasst und ebenfalls mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden.
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2 zeigt die Bipolarplatte 1 und beispielhaft Schritte S1 bis S10 einer zweiten Ausführung des Verfahrens zu deren Herstellung.
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Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Verfahrensablauf erfolgt das Spannungsarmglühen SAG in der dargestellten zweiten Ausführung nach Schritt S5 des Verfahrens, das heißt nach dem Fügen der beiden Platten mittels des Laserschweißprozesses.
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Insbesondere diese Position im Verfahren eignet sich besonders zur Ausführung des Spannungsarmglühens SAG, da auch durch den Wärmeeintrag in die Platten beim Laserschweißen innere Spannungen resultieren können. Bei der Durchführung des Spannungsarmglühens SAG nach dem Laserschweißen ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass gleichzeitig auch die inneren Spannungen des Metallsubstrats verringert werden, welche aus dem Umformprozess resultieren.
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Eine weitere, nicht näher dargestellte Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass das Spannungsarmglühen SAG sowohl nach dem Umformprozess als auch nach dem Fügeprozess erfolgt. Hieraus ergibt sich eine Bipolarplatte, deren Metallsubstrat nur sehr geringe innere Spannungen aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte
- K
- Katalysator
- SAG
- Spannungsarmglühen
- S bis S10
- Schritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0243452 A1 [0002]
