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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten aus einem metallischen Material. Bipolarplatten werden in Brennstoffzellen eingesetzt, um die Zusammenschaltung von Einzelzellen zu einem Stapel, einem sogenannten Stack, zu ermöglichen. Sie dienen damit in erster Linie der elektrischen Kontaktierung von Anode und Kathode benachbarter Zellen. Weiterhin übernehmen sie die Funktion der Zuführung und Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittel, der räumlichen Trennung der Einzelzellen sowie der Austragung der Reaktionsprodukte und der entstehenden Wärme. Die Zuführung und Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittel bzw. die Austragung der Reaktionsprodukte, insbesondere Wasser, wird durch eine Oberflächenstruktur der Bipolarplatten mit Erhebungen und Vertiefungen ermöglicht, die Kanäle für den Transport dieser flüssigen oder gasförmigen Medien zwischen dem Zentrum und dem Rand der Platte bilden. Die Bipolarplatte stellt damit neben der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) eine wesentliche Komponente einer Brennstoffzelle dar.
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Bipolarplatten müssen aufgrund ihrer Funktion einen möglichst geringen elektrischen Leit- und Kontaktwiderstand sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit in einer stark korrosiven Umgebung aufweisen. Derzeit werden Bipolarplatten vor allem aus Graphit hergestellt. Die geringere mechanische Stabilität von Graphit im Vergleich zu Metallen erfordert jedoch höhere Materialstärken für Bipolarplatten aus Graphit. Zur Erzielung hoher Leistungsdichten in den Zellstapeln sind jedoch Bipolarplatten möglichst geringer Dicke vorteilhaft. Dünnere Bipolarplatten lassen sich mit metallischen Werkstoffen zwar erreichen, jedoch müssen für die erforderliche Korrosionsbeständigkeit vergleichsweise hochpreisige metallische Werkstoffe eingesetzt werden, beispielsweise teure Ni-Basislegierungen. Nach einem Umformprozess werden diese metallischen Bipolarplatten, z. B. mittels Laser-Auftragsschweißen mit Goldkontakten versehen, um den Übergangswiderstand zwischen den Bipolarplatten und den angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten zu reduzieren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten anzugeben, die kostengünstig und mit geringer Materialstärke herstellbar sind, korrosionsstabil sind und einen niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand aufweisen.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 9 gibt eine mit dem Verfahren erhältliche Bipolarplatte an, die die gewünschten Eigenschaften aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Bipolarplatte sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine metallische Platte durch Umformen mit einer Oberflächenstruktur aus Erhebungen und Vertiefungen versehen, die Kanäle für den Transport eines flüssigen oder gasförmigen Mediums zwischen dem Zentrum und dem Rand der Platte bilden. Alternativ hierzu kann auch eine metallische Platte mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur bereitgestellt werden. Die metallische Platte wird vor oder nach dem Umformen zumindest auf einer Seite mit einer Korrosionsschutzschicht versehen, die eine Diffusionsbarriere, beispielsweise für Sauerstoff und Wasser bildet. Die Korrosionsschutzschicht wird anschließend an den Erhebungen lokal entfernt, um Bereiche der metallischen Platte freizulegen. Auf die freigelegten Bereiche wird dann lokal ein Edelmetall abgeschieden. Das lokale Freilegen der Bereiche erfolgt vorzugsweise durch Laserablation, kann jedoch u. U. auch durch mechanische Verfahren erreicht werden, z. B. durch Mikrofräsen.
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Durch die Nutzung der Korrosionsschutzschicht, die anschließend punktuell wieder entfernt und durch Edelmetallkontakte ersetzt wird, lässt sich ein kostengünstiger, metallischer Werkstoff für die Platte einsetzen, der sich beispielsweise auch gut umformen lässt. Durch die Korrosionsschutzschicht weist die daraus erhaltene Bipolarplatte dennoch eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Die Applikation der Edelmetallkontakte auf die mit einer Mikrostrukturierungstechnik, insbesondere durch Laserablation, entfernten Bereiche ermöglicht trotz der Schutzschicht einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand bei geringem Verbrauch an Edelmetallen, da die freigelegten Bereiche und darauf applizierten Edelmetallkontakte aufgrund der Mikrostrukturierung bzw. Laserbearbeitung geringe Abmessungen aufweisen können.
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Als metallische Platte kann beim vorliegenden Verfahren ein Feinblech eingesetzt werden, das mit einem geeigneten Umformverfahren, beispielsweise durch Tiefziehen, Prägen oder durch eine hydrostatische Wirkmedienumformung (Hydroformtechnik), mit der erforderlichen Struktur aus Erhebungen und Vertiefungen versehen wird. Durch die größere Freiheit in der Wahl des Werkstoffmaterials der metallischen Platte lässt sich das Umformen vereinfachen. So sind beispielsweise höhere Umformgrade der Platten möglich, da besonders dehnbare Werkstoffe ohne Berücksichtigung der Korrosionseigenschaften genutzt werden können. Auch der Einsatz von mehrschichtigen Materialien für die metallische Platte ist möglich. Beispiele für Materialien, die als Werkstoff für die metallische Platte dienen können, sind beispielsweise Werkstoffe der Werkstoffnummern 1.4509, 1.4301, 1.4303, 1.4404, 1.4828, 1.4750, 1.4760, 1.4016, 2.4856 oder 3.7025.
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Das Aufbringen der Korrosionsschutzschicht auf eine derartige metallische Platte kann durch die unterschiedlichsten Techniken erfolgen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Platte wird dabei mit einem Material beschichtet, das zur Ausbildung einer Isolationsschicht bzw. Diffusionsbarriere geeignet ist. Als Materialien können beispielsweise Kunststoffe, wie PP (Polypropylen), PVDF (Polyvinylidenfluorid) oder PTFE (Polytetrafluorethylen), oder Passivierungsschichten z. B. auf Basis von komplexen Zirkonium- oder Titanfluoriden, eingesetzt werden. Die Platte wird vorzugsweise nach der Umformung mit dieser Korrosionsschutzschicht beschichtet. Alternativ kann auch zunächst die noch nicht umgeformte Platte beschichtet und dann erst die Umformung vorgenommen werden. In diesem Fall muss allerdings sichergestellt sein, dass es bei der Umformung nicht zu einer Beschädigung der Schutzschicht kommt. Die Beschichtung selbst kann durch ein Abscheideverfahren wie beispielsweise PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition) oder mit einer nasschemischen Technik, beispielsweise durch Tauchen, Sprühen, Drucken, erfolgen. Eine anschließende Trocknung und Aushärtung der nasschemisch aufgebrachten Schicht kann beispielsweise mittels IR-Strahler, durch einen Ofenprozess, durch einen Laserprozess oder mittels Kombination von mindestens zwei der genannten Verfahren erfolgen.
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Die lokale Ablation der Schutzschicht erfolgt vorzugsweise mit einem geeigneten Laser, beispielsweise einem gütegeschalteten Festkörperlaser. Die Pulsdauern können beispielsweise im Bereich zwischen einer und mehreren 100 ns liegen. Durch den Einsatz eines Lasers lassen sich Durchbrüche in der Schutzschicht zur darunter liegenden metallischen Platte erzeugen. Diese Durchbrüche weisen laterale Dimensionen im Bereich zwischen 1 μm und 100 μm auf. Mit dieser Laserablation lassen sich prinzipiell Bereiche beliebiger geometrischer Struktur freilegen. Vorzugsweise erfolgt die Laserablation jedoch punktförmig, so dass beispielsweise in Abständen von 1 mm bis 10 mm auf den Erhebungen annähernd kreisrunde Öffnungen bzw. Durchbrüche in der Schutzschicht erzeugt werden, die die späteren Kontaktpunkte bilden.
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Das Edelmetall kann anschließend ebenfalls mit unterschiedlichen Techniken auf die freigelegten Bereiche abgeschieden werden. Eine vorteilhafte Technik stellt das so genannte Laserauftragsschweißen dar, im Zusammenhang mit den geringen Dimensionen im vorliegenden Fall auch als Mikro-Laserauftragsschweißen bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird das Edelmetall pulverförmig über eine Düse auf die freigelegten Stellen aufgebracht und gleichzeitig mit einem geeigneten Laser, insbesondere einem cw-Laser, aufgeschmolzen. Nach dem Erstarren der Schmelze liegt dann der gewünschte Kontaktpunkt vor, dessen Volumen einerseits durch die Abmessungen der Öffnungen in der Schutzschicht und andererseits, insbesondere in der Höhe, durch die Menge des aufgebrachten Edelmetallpulvers bestimmt wird. Die Dicke der aufgebrachten Schutzschicht kann beispielsweise im Bereich zwischen 0,2 μm und 100 μm liegen. Die Höhe des aufgebrachten Kontaktpunktes sollte dabei die Dicke der Schutzschicht übersteigen, um die spätere elektrische Kontaktierung zu ermöglichen.
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Eine weitere Möglichkeit zum Aufbringen der Edelmetallkontakte besteht im Drucken dieser Kontakte, beispielsweise über ein Inkjet-Verfahren. Hierbei wird mit einer geeigneten Drucktechnologie eine edelmetallhaltige Dispersion auf die freigelegten Bereiche aufgebracht und anschließend getrocknet und ausgehärtet. Das Trocknen und Aushärten der Dispersion kann hierbei mittels IR-Strahler, in einem Ofenprozess, einem Laserprozess oder durch eine Kombination von mindestens zwei der genannten Verfahren erfolgen. Die Edelmetallkontakte können auch durch andere Verfahren, beispielsweise durch galvanische Verfahren, aufgebracht werden.
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Die mit dem Verfahren herstellbare Bipolarplatte besteht demgemäß aus einem Blech, das zumindest auf einer Seite eine Korrosionsschutzschicht trägt, die eine Diffusionsbarriere beispielsweise für Sauerstoff und Wasser bildet. Die Schutzschicht weist an mehreren Stellen, insbesondere an den erhabenen Bereichen der Bipolarplatte, Öffnungen bzw. Durchbrüche zur Oberfläche des Blechs auf, die mit einem Edelmetall verfüllt sind. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens lassen sich robuste und langzeitstabile Bipolarplatten kostengünstig für die Anwendung in Brennstoffzellen, insbesondere für Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFCs) und Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (HT-PEFCs) herstellen. Auch in der Elektrolyse können auf diese Art hergestellte Platten eingesetzt werden. Das Verfahren ist durch die Möglichkeit der Verwendung kostengünstiger Materialien sowie hochproduktiver, laserbasierter Verfahren geeignet, Ressourcen schonend und kostengünstig für die Massenproduktion eingesetzt zu werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene Verfahren und die damit erhältliche Bipolarplatte werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein erstes Beispiel für den Verfahrensablauf beim vorgeschlagenen Verfahren;
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2 ein zweites Beispiel für den Verfahrensablauf beim vorgeschlagenen Verfahren; und
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3 eine stark schematisierte Darstellung eines Ausschnitts einer mit dem Verfahren erhältlichen Bipolarplatte in Draufsicht.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt ein erstes Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens. Hierzu wird zunächst ein Blech 1 aus einem geeigneten, leicht umformbaren Stahl mit einer Stärke von < 1 mm bereitgestellt. Das Blech wird anschließend umgeformt, beispielsweise mittels der Technik der Hydroumformung, um die erforderliche Oberflächenstruktur aus Erhebungen 2 und Vertiefungen 3 zu erzeugen (vgl. 1b). 1 zeigt hierzu lediglich einen kleinen Teil des Blechs im Querschnitt. Bei Einsatz sehr dünner Bleche oder metallischer Folien kann das Umformen beispielsweise auch durch Prägen erfolgen. Durch die Erhebungen und Vertiefungen werden Kanäle gebildet, die den Transport von gasförmigen oder flüssigen Medien, insbesondere Sauerstoff und Wasserstoff sowie Wasser, zwischen dem Zentrum der Platte und dem Rand der Platte ermöglichen.
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Im nächsten Schritt wird die Platte vollflächig mit einem geeigneten Material beschichtet, um die gemäß dem vorliegenden Verfahren vorgeschlagene Schutzschicht 4 zu bilden (vgl. 1c). Die Schutzschicht 4, hier aus einem Kunststoff, weist eine Dicke von wenigen μm auf und muss, je nach eingesetztem Material, gegebenenfalls noch ausgehärtet werden. Dies ist in 1d schematisch angedeutet, wobei die Aushärtung hier über einen geeigneten IR-Strahler 5 erfolgt.
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Im nächsten Schritt werden im Bereich der Erhebungen mittels Laserablation Öffnungen 7 in der Schutzschicht erzeugt, durch die das darunter liegende Blech 1 freigelegt wird. 1e zeigt hierzu schematisch den Laserstrahl 6 sowie eine der erzeugten Öffnungen 7.
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Anschließend wird ein Edelmetall, im vorliegenden Beispiel Gold, auf die freigelegten Stellen aufgebracht, um elektrische Kontakte bzw. Kontaktpunkte zu bilden. Dies erfolgt in diesem Beispiel mittels einer Inkjet-Technik, bei der mittels einer Düse 8 eine Nanosuspension 9, die Goldpartikel enthält, auf die freigelegten Bereiche aufgebracht wird (vgl. 1f). Die aufgebrachte Suspension wird im nächsten Schritt (1g) mittels eines Laserstrahls 6 bei gleichzeitiger IR-Bestrahlung (IR-Strahler 5) getrocknet und ausgehärtet. Der dadurch erhaltene Edelmetall-Kontaktpunkt 10 weist einen Durchmesser von etwa 20 bis 30 μm (entsprechend dem Durchmesser der erzeugten Öffnungen 7) sowie eine Höhe von etwa 30 μm auf.
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2 zeigt ein weiteres Beispiel für die Herstellung einer Bipolarplatte gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren. Die ersten Schritte der 2a bis 2e werden hierbei in gleicher Weise durchgeführt, wie dies bereits in Verbindung mit den 1a bis 1e beschrieben wurde. Im Unterschied zum Beispiel der 1 werden hier die Kontaktpunkte 10 mittels Mikro-Laserauftragsschweißen auf die freigelegten Stellen aufgebracht. Hierzu wird mittels einer geeigneten Düse 11 Goldpulver 12 in die Öffnungen 7 eingebracht und gleichzeitig mit einem Laserstrahl 6 aufgeschmolzen. Im Gegensatz zum Verfahren der Erzeugung der Kontaktpunkte der 1, das zweistufig (Aufbringen und anschließend Aushärten) erfolgt, ist diese Technik einstufig, da die Aushärtung beim Abkühlen der Schmelze keinen weiteren Verfahrensschritt erfordert. Die Kontaktpunkte 10 weisen auch hier die Dimensionen auf, die bereits in Verbindung mit 1 angegeben wurden.
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3 zeigt schließlich noch einen Ausschnitt aus einer mit dem Verfahren hergestellten Bipolarplatte in Draufsicht. Die Erhebungen 2 und Vertiefungen 3 sind dabei angedeutet, wobei die Vertiefungen 3 entsprechende Kanäle für den Transport der flüssigen und gasförmigen Medien bilden. Die mit dem Verfahren erzeugten Kontaktpunkte 10 auf den Erhebungen 2 weisen hier gegenseitige Abstände von etwa 3 mm auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blech
- 2
- Erhebungen
- 3
- Vertiefungen
- 4
- Schutzschicht
- 5
- IR-Strahler
- 6
- Laserstrahl
- 7
- Öffnungen
- 8
- Düse
- 9
- Nanosuspension
- 10
- Kontaktpunkt
- 11
- Düse
- 12
- Edelmetall-Pulver
