DE102013020878A1

DE102013020878A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102013020878A1
Application number: DE102013020878.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Martin Erdmann; Jonas Stoll; Jessica Weber
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-06-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer zwei Platten (2) umfassenden Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei die beiden Platten (2) auf einer der jeweils anderen Platte (2) zugewandten Seite kanalartige Vertiefungen (8) zur Ausbildung zumindest eines Kühlkanals (4) aufweisen, wobei auf einer Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen (8) eine Mehrzahl von Erhebungen (9) ausgebildet werden. Erfindungsgemäß werden die Erhebungen (9) vor dem Zusammenfügen der beiden Platten (2) zur Bipolarplatte (1) durch eine Materialauftragung auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen (8) und/oder durch eine Materialumformung der jeweiligen Platte (2) ausgebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Bipolarplatte nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der US 2005/0266296 A1 beschrieben, eine Brennstoffzellenanordnung bekannt. Diese Brennstoffzellenanordnung weist Bipolarplatten auf, auch als Separatorplatten bezeichnet, wobei zwischen den beiden Plattenteilen der Bipolarplatte ein Kühlkanal ausgebildet ist. Die Oberfläche des Kühlkanals weist eine Mehrzahl von regelmäßig oder unregelmäßig verteilten Erhebungen auf.
In der DE 11 2006 000 613 B4 werden metalloxidbasierte hydrophile Beschichtungen für Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung beschrieben. Die Brennstoffzelle umfasst eine Strömungsfeldplatte, die aus einem leitenden Plattenmaterial besteht, wobei das Plattenmaterial zumindest eines aus rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium und Legierungen daraus umfasst. Die Strömungsfeldplatte weist eine Vielzahl von Strömungskanälen auf und ferner eine äußere Metalloxidschicht. Die Metalloxidschicht ist eine eingebettete Schicht, die Partikel des Metalloxids aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Bipolarplatte anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem Verfahren zur Herstellung einer zwei Platten umfassenden Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die beiden Platten auf einer der jeweils anderen Platte zugewandten Seite kanalartige Vertiefungen zur Ausbildung zumindest eines Kühlkanals aufweisen, werden auf einer Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen eine Mehrzahl von Erhebungen ausgebildet.
Erfindungsgemäß werden die Erhebungen vor dem Zusammenfügen der beiden Platten zur Bipolarplatte durch eine Materialauftragung auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen und/oder durch eine Materialumformung der jeweiligen Platte ausgebildet. Diese Erhebungen und die zwischen diesen Erhebungen ausgebildeten Täler führen zu lokalen Turbulenzen einer Strömung eines den Kühlkanal der Bipolarplatte durchströmenden Kühlmediums und zu einem vorgegebenen Druckabfall über eine gesamte Länge des Kühlkanals. Parameter dieses Druckabfalls können durch entsprechend vorgegebene Prozessparameter des Verfahrens vorgegeben werden, d. h. der gewünschte Druckabfall kann durch eine entsprechende Auslegung des Verfahrens eingestellt werden. Durch die Turbulenzen wird ein erhöhter Wärmeaustausch zwischen der jeweiligen Platte und einer an dieser anliegenden Membran-Elektroden-Anordnung der jeweiligen Brennstoffzelle erreicht. Damit wird ein homogener thermischer Haushalt in der jeweiligen Brennstoffzelle und in einem Brennstoffzellenstapel realisiert. Das Verfahren ermöglicht eine Herstellungskostenreduzierung und eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle. Insbesondere ist keine zusätzliche mittlere Platte erforderlich, um die geschilderten vorteilhaften Turbulenzen zu realisieren, so dass Material- und Kosteneinsparungen erreicht werden. Das Verfahren ermöglicht die Realisierung dieser Vorteile der Bipolarplatte durch die Ausbildung der Erhebungen auf besonders einfach durchzuführende, schnelle und effiziente Weise.
Die Erhebungen werden bevorzugt durch eine Materialauftragung mittels zumindest eines thermischen Spritzverfahrens auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können die Erhebungen beispielsweise mittels eines Kunststoffspritzgussverfahren, mittels umformtechnischer Verfahren, mittels einer kathodischen Tauchlackierung und/oder durch ein Aufbringen von Partikeln, beispielsweise von Kunststoffpartikeln, mittels eines Klebstoffs, um diese mit der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen stoffschlüssig zu verbinden, ausgebildet werden. Als umformtechnische Verfahren sind sowohl spanabhebende als auch nicht spanabhebende Verfahren geeignet. Beispielsweise wird die Oberfläche aufgeraut, d. h. es wird Material abgetragen, um dadurch die Erhebungen auszubilden. Das Aufrauen der Oberfläche kann beispielsweise durch Partikelstrahlen, beispielsweise durch Sandstrahlen, und/oder elektrochemisch und/oder durch Bürsten und/oder durch andere spanabhebende Verfahren erfolgen. Das nicht spanabhebende Umformen zur Ausbildung der Erhebungen kann beispielsweise durch Druckumformen, Zugdruckumformen, Zugumformen und/oder Biegeumformen erfolgen. Die Ausbildung der Erhebungen durch Materialauftragung kann mit oder ohne eine Maskierung erfolgen. Durch eine Maskierung wird eine exakt vorgegebene Positionierung der einzelnen Erhebungen erreicht.
Abhängig vom verwendeten Verfahren zur Ausbildung der Erhebungen können diese beispielsweise als noppenartige Erhebungen oder in anderer Form ausgebildet werden. Des Weiteren werden diese Erhebungen, abhängig vom verwendeten Verfahren, in einer vorgegebenen und/oder diskreten Verteilung oder stochastisch verteilt ausgebildet. Auch die Größe der Erhebungen ist abhängig vom Verfahren ihrer Ausbildung. So können die Erhebungen beispielsweise lediglich als Aufrauungen der Oberfläche ausgebildet werden oder die Erhebungen werden auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen als Dünnschichterhebungen oder Dickschichterhebungen ausgebildet.
In der vorteilhaften Ausführungsform des Ausbildens der Erhebungen mittels eines thermischen Spritzverfahrens werden die Erhebungen beispielsweise mittels Kaltgasspritzen, PTWA-Spritzen, Laserspritzen, Detonationsspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen und/oder Schmelzbadspritzen ausgebildet. Dabei ist das Kaltgasspritzen besonders vorteilhaft, denn das Kaltgasspritzen ist ein thermisches Beschichtungsverfahren, bei dem ein Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf ein jeweiliges Trägermaterial, hier auf die Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen, aufgebracht wird. Dazu wird ein auf wenige hundert Grad aufgeheiztes Prozessgas durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend werden die Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert. Die injizierten Spritzpartikel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bilden. Die kinetische Energie zum Zeitpunkt des Aufpralls reicht für ein vollständiges Aufschmelzen der Partikel nicht aus. Dadurch bilden sich durch die nicht aufgeschmolzenen Partikel die Erhebungen aus.
Zweckmäßigerweise wird zur Ausbildung der Erhebungen zumindest ein Metall, zumindest eine Metalllegierung, zumindest ein Metalloxid, zumindest ein Austenit, zumindest ein Kunststoff und/oder zumindest ein Lack auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen aufgetragen. Beispielsweise wird zur Ausbildung der noppenartigen Erhebungen Stahl, insbesondere rostfreier Stahl und/oder Edelstahl, Titan, Aluminium und/oder zumindest eine Legierung daraus aufgetragen, beispielsweise mittels des thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzen. Vorzugsweise werden die Erhebungen aus einem Grundmaterial der Platten ausgebildet. Dadurch wird eine besonders gute stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen und dem aufgetragenen Material zur Ausbildung der Erhebungen erreicht.
Eine mittels des Verfahrens hergestellte Bipolarplatte umfasst erfindungsgemäß zwei mit jeweils einer Flächenseite aneinander angeordnete Platten, die auf dieser der jeweils anderen Platte zugewandten Flächenseite kanalartige Vertiefungen aufweisen, so dass durch die kanalartigen Vertiefungen der beiden aneinander anliegenden Platten zumindest ein Kühlkanal ausgebildet ist, wobei die Oberfläche der den zumindest einen Kühlkanal bildenden kanalartigen Vertiefungen eine Mehrzahl von Erhebungen aufweist, welche durch eine Materialauftragung auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen und/oder durch eine Materialumformung der jeweiligen Platte ausgebildet sind. Diese Erhebungen können beispielsweise als noppenartige Erhebungen oder in anderer Form ausgebildet sein. Wie bereits zum Verfahren, mittels welchem die Bipolarplatte ausgebildet wird, beschrieben, führen diese Erhebungen und die zwischen diesen ausgebildeten Täler zu lokalen Turbulenzen der Strömung des den Kühlkanal der Bipolarplatte durchströmenden Kühlmediums und zu einem vorgegebenen Druckabfall über die gesamte Länge des Kühlkanals. Durch die Turbulenzen ist ein erhöhter Wärmeaustausch zwischen der jeweiligen Platte und der an dieser anliegenden Membran-Elektroden-Anordnung der jeweiligen Brennstoffzelle erreicht. Damit ist ein homogener thermischer Haushalt in der jeweiligen Brennstoffzelle und im Brennstoffzellenstapel realisiert. Die Bipolarplatte ermöglicht eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle und ist mit geringen Kosten herstellbar. Insbesondere ist keine zusätzliche mittlere Platte erforderlich, um die geschilderten vorteilhaften Turbulenzen zu realisieren, so dass Material- und Kosteneinsparungen erreicht sind.
Die Erhebungen können beispielsweise durch eine Materialauftragung mittels zumindest eines thermischen Spritzverfahrens auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Erhebungen beispielsweise mittels eines Kunststoffspritzgussverfahren, mittels umformtechnischer Verfahren, mittels einer kathodischen Tauchlackierung und/oder durch ein Aufbringen von Partikeln, beispielsweise von Kunststoffpartikeln, mittels eines Klebstoffs, um diese mit der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen stoffschlüssig zu verbinden, ausgebildet sein. Als umformtechnische Verfahren sind sowohl spanabhebende als auch nicht spanabhebende Verfahren geeignet. Beispielsweise ist die Oberfläche lediglich aufgeraut. Sind die Erhebungen durch nicht spanabhebendes Umformen ausgebildet, so können sie beispielsweise durch Druckumformen, Zugdruckumformen, Zugumformen und/oder Biegeumformen ausgebildet sein. Die Ausbildung der Erhebungen durch Materialauftragung kann mit oder ohne eine Maskierung erfolgt sein, wobei die Erhebungen insbesondere durch eine Maskierung exakt vorgegeben positioniert sind, beispielsweise gleichmäßig verteilt sind. Alternativ können die Erhebungen beispielsweise auch stochastisch verteilt sein.
Die Erhebungen können beispielsweise als noppenartige Erhebungen oder in anderer Form ausgebildet sein. Sie können beispielsweise lediglich als Aufrauungen der Oberfläche ausgebildet sein oder als Dünnschichterhebungen oder Dickschichterhebungen.
Bei der bevorzugten Ausbildung durch thermisches Spritzen sind die Erhebungen beispielsweise mittels Kaltgasspritzen, PTWA-Spritzen, Laserspritzen, Detonationsspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen und/oder Schmelzbadspritzen ausgebildet. Die besonderen Vorteile insbesondere des Kaltgasspritzens wurden bereits erläutert. Durch die genannten Verfahren, insbesondere durch das Kaltgasspritzen, sind die Erhebungen optimiert geformt und verteilt ausgebildet.
Zweckmäßigerweise sind die Erhebungen aus zumindest einem Metall, aus zumindest einer Metalllegierung, aus zumindest einem Metalloxid, aus zumindest einem Austenit, aus zumindest einem Kunststoff und/oder aus zumindest einem Lack ausgebildet. Beispielsweise sind die Erhebungen aus Stahl, insbesondere aus rostfreiem Stahl und/oder Edelstahl, aus Titan, aus Aluminium und/oder aus zumindest einer Legierung daraus ausgebildet, beispielsweise mittels des thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzen. Vorzugsweise sind die Erhebungen aus einem Grundmaterial der Platten ausgebildet. Dadurch ist eine besonders gute stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen und dem aufgetragenen Material zur Ausbildung der Erhebungen erreicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Bipolarplatte,
2 schematisch eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie II-II in 1,
3 schematisch eine Detailansicht des Details III in 2,
4 schematisch eine Bipolarplatte,
5 schematisch eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie V-V in 4,
6 schematisch eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie VI-VI in 4, und
7 schematisch ein Ausbilden noppenartiger Erhebungen auf einer Oberfläche kanalartiger Vertiefungen einer Platte einer Bipolarplatte.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 3 zeigen eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Bipolarplatte 1 für eine hier nicht dargestellte Brennstoffzelle, während die 4 bis 6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 für eine Brennstoffzelle zeigen. In 7 ist, schematisch stark vereinfacht, ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer solchen Bipolarplatte 1 für eine Brennstoffzelle, beispielsweise zur Herstellung des in den 4 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1, dargestellt.
Die Bipolarplatte 1 weist in beiden in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen zwei äußere Platten 2 auf, welche zur Ausbildung der Bipolarplatte 1 miteinander verbunden sind. Auf beiden Außenseiten der Bipolarplatte 1, d. h. in den beiden äußeren Platten 2, ist jeweils eine Reaktandkanalstruktur 3 zur Führung jeweils eines Reaktionsmediums der jeweiligen Brennstoffzelle ausgebildet. Eine solche Kanalstruktur wird auch als Flowfield bezeichnet.
Die Bipolarplatte 1 ist in einem Brennstoffzellenstapel mit ihren Außenseiten jeweils einer Membran-Elektroden-Anordnung zugewandt, um den Membran-Elektroden-Anordnungen das jeweilige Reaktionsmedium zuzuführen. Daher wird bei der Bipolarplatte 1 eine der beiden Platten 2 auch als Anodenplatte bezeichnet, da sie einer Anodenseite einer Brennstoffzelle zugewandt ist, und die andere Platte 2 wird als Kathodenplatte bezeichnet, da sie einer Kathodenseite einer Brennstoffzelle zugewandt ist.
Im Inneren der Bipolarplatte 1 ist zumindest ein Kühlkanal 4 zur Durchleitung eines Kühlmediums zur Temperierung der Bipolarplatte 1 und der an diese angrenzenden Bestandteile der jeweiligen Brennstoffzelle ausgebildet. Das Kühlmedium strömt an einem Kühlmediumeingang 5 der Bipolareplatte 1 in den Kühlkanal 4 ein und an einem Kühlmediumausgang 6 der Bipolarplatte 1 aus dem Kühlkanal 4 aus. Der Verlauf dieses zumindest einen Kühlkanals 4 in der Bipolarplatte 1 wird auch als Kühlmediumflowfield bezeichnet.
Dabei ist der Kühlkanal 4 derart ausgebildet, dass das Kühlmedium zwischen dem Kühlmediumeingang 5 und dem Kühlmediumausgang 6 einen vorgegebenen Druckabfall erfährt. Dieser Druckabfall zwischen einem vorgegebenen Eingangsdruck P_ein am Kühlmediumeingang 5 und einem zweckmäßigerweise vorgegebenen Ausgangsdruck P_aus am Kühlmediumausgang 6 sowie eine Richtung dieses Druckabfalls ist in den 1 und 4 durch einen Druckabfallpfeil PP schematisch dargestellt. Der Kühlmediumeingang 5 und der Kühlmediumausgang 6 sind im Bereich gegenüberliegender Stirnseiten der Bipolarplatte 1 ausgebildet. Eine Strömungsrichtung des Kühlmediums und somit die Richtung des Druckabfalls sind somit in Längsrichtung der Bipolarplatte 1 ausgerichtet, wie durch den Druckabfallpfeil PP ersichtlich.
Die in den 1 bis 3 dargestellte nicht erfindungsgemäße Ausführungsform der Bipolarplatte 1 ist in 1 in einer Draufsicht von oben dargestellt. In 2 ist diese Bipolarplatte 1 in einer Längsschnittdarstellung gemäß der Schnittlinie II-II in 1 dargestellt. 3 zeigt eine Detailansicht des Details III in 2. Wie aus den 2 und 3 ersichtlich, weist diese nicht erfindungsgemäße Ausführungsform der Bipolarplatte 1 zwischen den beiden äußeren Platten 2 eine Zwischenplatte 7 auf, auch als Druckkontrollplatte bezeichnet. Diese Zwischenplatte 7 ist in Längsrichtung der Bipolarplatte 1 und somit in Strömungsrichtung des Kühlmediums gewellt ausgebildet. In 3 ist die Strömungsrichtung des Kühlmediums durch Strömungspfeile PS dargestellt.
Durch die gewellte Ausbildung der Zwischenplatte 7 werden Turbulenzen des Kühlmediums und somit eine turbulente Strömung des Kühlmediums durch den Kühlkanal 4 der Bipolarplatte 1 hindurch erzeugt. In 3 sind diese Turbulenzen des Kühlmediums durch Turbulenzpfeile PT schematisch dargestellt. Durch eine entsprechende Ausbildung dieser Zwischenplatte 7, insbesondere durch eine entsprechende Ausbildung der Wellenform, ist der Druckabfall des Kühlmediums im Kühlkanal 4 vorgebbar.
Das Kühlmedium strömt somit mit einem durch die Ausbildung der Zwischenplatte 7 vorgegebenen Druckabfall durch den Kühlkanal 4 hindurch. Durch diese Einstellung des Druckabfalls ist ein thermischer Zustand der Bipolarplatte 1 und der an diese angrenzenden Teile der jeweiligen Brennstoffzelle vorgebbar und somit einstellbar. Diese nicht erfindungsgemäße Ausbildung der Bipolarplatte 1 führt jedoch aufgrund der zusätzlichen Zwischenplatte 7 zu einem größeren Material- und Fertigungsaufwand und somit zu erheblichen Mehrkosten. Zudem weist diese nicht erfindungsgemäße Ausführungsform der Bipolarplatte 1 aufgrund dieser zusätzlichen Zwischenplatte 7 ein höheres Gewicht auf.
In den 4 bis 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 gezeigt. Auch diese Bipolarplatte 1 ist in 4 in einer Draufsicht von oben dargestellt. In 5 ist diese Bipolarplatte 1 in einer Querschnittdarstellung gemäß der Schnittlinie V-V in 4 dargestellt. In 6 ist diese Bipolarplatte 1 in einer Längsschnittdarstellung gemäß der Schnittlinie VI-VI in 4 dargestellt.
Diese in den 4 bis 6 dargestellte Ausführungsform der Bipolarplatte 1 benötigt eine solche Zwischenplatte 7 nicht. Die beiden Platten 2 weisen hier auf einer der jeweils anderen Platte 2 zugewandten Seite kanalartige Vertiefungen 8 zur Ausbildung des zumindest einen Kühlkanals 4 auf. Die einzelnen kanalartigen Vertiefungen 8 sind in 7 am Beispiel einer Platte 2 dargestellt. In den 5 und 6 ist der Kühlkanal 4 durch diese kanalartigen Vertiefungen 8 der beiden hier bereits aneinander anliegenden Platten 2 ausgebildet.
Auf einer Oberfläche dieser kanalartigen Vertiefungen 8 sind eine Mehrzahl von Erhebungen 9 ausgebildet. Diese Erhebungen 9 und dadurch zwischen den Erhebungen 9 angeordnete Täler erfüllen die oben beschriebene Funktion der Zwischenplatte 7, so dass diese Zwischenplatte 7 nicht mehr erforderlich ist. Durch diese Erhebungen 9 und die Täler dazwischen werden lokale Turbulenzen der Strömung des Kühlmediums und ein vorgegebener Druckabfall über eine gesamte Länge des zumindest einen Kühlkanals 4 hinweg erreicht. Auch hier sind die Strömungsrichtung des Kühlmediums durch Strömungspfeile PS, die Turbulenzen durch Turbulenzpfeile PT und der Druckabfall durch einen Druckabfallpfeil PP dargestellt.
Durch die Ausbildung dieser Erhebungen 9 ist somit der Druckabfall des Kühlmediums im Kühlkanal 4 vorgebbar. Die Vorgabe des Druckabfalls ist durch entsprechend vorgegebene Prozessparameter im Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte 1 einstellbar. Das Kühlmedium strömt durch die Ausbildung der Erhebungen 9 somit mit einem vorgegebenen Druckabfall durch den Kühlkanal 4 hindurch. Durch die Turbulenzen wird ein erhöhter Wärmeaustausch zwischen der jeweiligen Platte 2 und einer an dieser anliegenden Membran-Elektroden-Anordnung der jeweiligen Brennstoffzelle erreicht. Damit wird ein homogener thermischer Haushalt in der jeweiligen Brennstoffzelle und in einem Brennstoffzellenstapel realisiert. Durch diese Einstellung des Druckabfalls und die Ausbildung der Erhebungen 9 derart, dass diese Turbulenzen entstehen, ist somit der thermische Zustand der Bipolarplatte 1 und der an diese angrenzenden Teile der jeweiligen Brennstoffzelle vorgebbar und somit einstellbar. Da dies ohne die zusätzliche Zwischenplatte 7 realisiert wird, ist die Bipolarplatte 1 mit einem geringeren Material- und Fertigungsaufwand und somit kostengünstiger herzustellen und weist zudem ein geringeres Gewicht auf.
Form, Größe und Verteilungen der Erhebungen 9 sind abhängig vom Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte 1 und der in diesem Verfahren angewandten Herstellungstechnik zur Ausbildung der Erhebungen 9. Im hier dargestellten Beispiel sind diese Erhebungen 9 als noppenartige Erhebungen 9 ausgebildet. Sie werden durch eine Materialauftragung auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen 8 ausgebildet, d. h. durch ein materialauftragendes Verfahren. In der in 7 dargestellten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der Bipolarplatte 1 erfolgt dies durch ein thermisches Spritzverfahren, im hier dargestellten Beispiel durch Kaltgasspritzen.
Dieses Kaltgasspritzen ist besonders vorteilhaft, denn das Kaltgasspritzen ist ein thermisches Beschichtungsverfahren, bei dem ein Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf ein jeweiliges Trägermaterial, hier auf die Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen 8 der jeweiligen Platte 2, aufgebracht wird. Dazu wird ein auf wenige hundert Grad aufgeheiztes Prozessgas durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend werden Werkstoffpartikel 10 des Beschichtungswerkstoffs in Pulverform in den Gasstrahl injiziert. Die injizierten Werkstoffpartikel 10 werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bilden. Die kinetische Energie zum Zeitpunkt des Aufpralls reicht für ein vollständiges Aufschmelzen der Werkstoffpartikel 10 nicht aus. Dadurch bilden sich durch die nicht aufgeschmolzenen Werkstoffpartikel 10 die Erhebungen 9 aus.
Wie in 7 schematisch stark vereinfach gezeigt, wird hierzu die jeweilige Platte 2 mittels Rollen 11 unter einer thermischen Spritzvorrichtung 12 entlangbewegt, wobei die Plattenseite mit den kanalartigen Vertiefungen 8 zur Ausbildung des Kühlkanals 4 der thermischen Spritzvorrichtung 12 zugewandt ist. Wie durch Rotationspfeile PR angedeutet, ist die jeweilige Platte 2 dabei in Längsrichtung vor oder zurück zu bewegen. In anderen Ausführungsformen kann, alternativ oder zusätzlich, auch die thermische Spritzvorrichtung 12 entlang der jeweiligen Platte 2 bewegt werden, in Längs- und/oder Querrichtung der jeweiligen Platte 2. Mittels der thermischen Spritzvorrichtung 12 werden die Werkstoffpartikel 10 zur Ausbildung der Erhebungen 9 auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen 8 abgeschieden, so dass die hier noppenartig ausgeformten Erhebungen 9 durch einen Materialauftrag in jeweiligen Bereichen der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen 8 ausgebildet werden.
Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens werden die Erhebungen 9 stochastisch verteilt ausgebildet, beispielsweise als Dünnschicht- und/oder Dickschichterhebungen. Um eine vorgegebene Verteilung der Erhebungen 9 und somit eine vorgegebene und/oder diskrete Positionierung der Erhebungen 9 auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen 8 zu erreichen, kann die jeweilige Platte 2 beispielsweise vor dem thermischen Spritzen entsprechend maskiert werden. Dadurch werden lediglich vorgegebene Bereiche der jeweiligen Platte 2, welche nicht maskiert sind, thermisch beschichtet, so dass die Erhebungen 9 nur in diesen vorgegebenen Bereichen erzeugt werden.
In anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung der Bipolarplatte 1 können diese Erhebungen 9 beispielsweise, alternativ oder zusätzlich, durch eine Materialauftragung mittels eines anderen thermischen Spritzverfahrens auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen 8 ausgebildet werden, zum Beispiel durch PTWA-Spritzen, Laserspritzen, Detonationsspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen und/oder Schmelzbadspritzen. Dies kann ebenfalls mit einer vorherigen Maskierung oder ohne Maskierung erfolgen. Es können somit auch mit diesen weiteren thermischen Spritzverfahren Erhebungen 9, beispielsweise noppenartig ausgeformte Erhebungen 9, durch einen Materialauftrag auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen 8 erzeugt werden, welche stochastisch verteilt oder, insbesondere bei Verwendung einer Maske, diskret und/oder vorgegeben verteilt ausgebildet sind, beispielsweise als Dünnschicht- oder Dickschichterhebungen.
Des Weiteren sind, alternativ oder zusätzlich, auch andere Materialauftragsverfahren zur Ausbildung der Erhebungen 9 möglich, beispielsweise ein Kunststoffspritzgussverfahren, ein Aufkleben von Kunststoffpartikeln oder anderen Partikeln, beispielsweise durch Einlagern in einem auf die Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen 8 aufgebrachten Klebstoff, welcher die Partikel stoffschlüssig mit der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen 8 verbindet, oder eine kathodische Tauchlackierung. Auch dies kann jeweils mit einer vorherigen Maskierung oder ohne eine solche Maskierung erfolgen. Auch mit diesen Verfahren kann eine stochastische Verteilung oder eine diskrete und/oder vorgegeben Verteilung der Erhebungen 9 erzielt werden.
Als Materialien zur Ausbildung der Erhebungen 9 durch Materialauftragung können beispielsweise zumindest ein Metall, zumindest eine Metalllegierung, zumindest ein Metalloxid, zumindest ein Austenit, zumindest ein Kunststoff und/oder zumindest ein Lack verwendet werden. Als Metall wird beispielsweise Stahl, insbesondere rostfreier Stahl und/oder Edelstahl, Titan, Aluminium und/oder zumindest eine Legierung daraus verwendet. Für das thermische Spritzen, zum Beispiel für das bevorzugte Kaltgasspritzen, eignen sich insbesondere Metalle und Metalllegierungen, beispielsweise, wie erwähnt, Stahl, insbesondere rostfreier Stahl und/oder Edelstahl, Titan, Aluminium und/oder zumindest eine Legierung daraus, des Weiteren auch Metalloxid und/oder Austenit. Für die kathodische Tauchlackierung wird entsprechend ein Lack verwendet und für das Ausbilden der Erhebungen 9 aus Kunststoff ein entsprechender Kunststoff.
Vorzugsweise werden die Erhebungen 9 aus einem Grundmaterial der Platten 2 ausgebildet. Dadurch wird eine besonders gute stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen 8 und dem aufgetragenen Material zur Ausbildung der Erhebungen 9 erreicht. Da es sich bei dem Material der Platten 2 vorzugsweise um Metall handelt, eignet sich hierfür das thermische Spritzen, insbesondere das Kaltgasspritzen, besonders gut.
Alternativ oder zusätzlich können die Erhebungen 9 in einer hier nicht dargestellten Ausführungsform des Verfahrens beispielsweise auch durch Umformen der jeweiligen Platte 2 ausgebildet werden. Hierzu können sowohl spanende als auch nicht spanende Umformverfahren verwendet werden, auch als spanabhebende bzw. nicht spanabhebende Umformverfahren bezeichnet. Als nicht spanende Umformverfahren kommen beispielsweise Druckumformen, Zugdruckumformen, Zugumformen und/oder Biegeumformen in Betracht. Als spanende Umformverfahren kommen beispielsweise Bürsten, Partikelstrahlen, insbesondere Sandstrahlen, und/oder elektrochemisches Aufrauen in Betracht. Durch das spanende Umformen wird insbesondere ein Aufrauen der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen 8 erreicht, so dass die Rauheiten die Erhebungen 9 bilden. Diese Erhebungen 9 können dann beispielsweise als Ecken, Kanten, Noppen oder Stege ausgebildet sein. Auch diese Erhebungen 9 können stochastisch verteilt ausgebildet werden oder vorgegeben und/oder diskret verteilt.
Die genannten Ausbildungsmöglichkeiten für die Erhebungen 9 können auch miteinander kombiniert werden. Zum Beispiel kann zunächst zumindest ein Materialauftrag erfolgen und dann zumindest ein spanendes und/oder ein spanloses Umformverfahren oder umgekehrt. Dies kann beispielsweise auch mehrmals nacheinander erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
2: Platte
3: Reaktandkanalstruktur
4: Kühlkanal
5: Kühlmediumeingang
6: Kühlmediumausgang
7: Zwischenplatte
8: kanalartige Vertiefung
9: Erhebung
10: Werkstoffpartikel
11: Rolle
12: Spritzvorrichtung
PP: Druckabfallpfeil
PR: Rotationspfeil
PS: Strömungspfeil
PT: Turbulenzpfeil
P_ein: Eingangsdruck
P_aus: Ausgangsdruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2005/0266296 A1 [0002]
DE 112006000613 B4 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer zwei Platten (2) umfassenden Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei die beiden Platten (2) auf einer der jeweils anderen Platte (2) zugewandten Seite kanalartige Vertiefungen (8) zur Ausbildung zumindest eines Kühlkanals (4) aufweisen, wobei auf einer Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen (8) eine Mehrzahl von Erhebungen (9) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (9) vor dem Zusammenfügen der beiden Platten (2) zur Bipolarplatte (1) durch eine Materialauftragung auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen (8) und/oder durch eine Materialumformung der jeweiligen Platte (2) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (9) durch eine Materialauftragung mittels zumindest eines thermischen Spritzverfahrens auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen (8) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (9) mittels Kaltgasspritzen, PTWA-Spritzen, Laserspritzen, Detonationsspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen und/oder Schmelzbadspritzen ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Erhebungen (9) zumindest ein Metall, zumindest eine Metalllegierung, zumindest ein Metalloxid, zumindest ein Austenit, zumindest ein Kunststoff und/oder zumindest ein Lack auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen (8) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (9) aus einem Grundmaterial der Platten (2) ausgebildet werden.
Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend zwei mit jeweils einer Flächenseite aneinander angeordnete Platten (2), die auf dieser der jeweils anderen Platte (2) zugewandten Flächenseite kanalartige Vertiefungen (8) aufweisen, so dass durch die kanalartigen Vertiefungen (8) der beiden aneinander anliegenden Platten (2) zumindest ein Kühlkanal (4) ausgebildet ist, wobei die Oberfläche der den zumindest einen Kühlkanal (4) bildenden kanalartigen Vertiefungen (8) eine Mehrzahl von Erhebungen (9) aufweist, welche durch eine Materialauftragung auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen (8) und/oder durch eine Materialumformung der jeweiligen Platte (2) ausgebildet sind.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (9) durch eine Materialauftragung mittels zumindest eines thermischen Spritzverfahrens auf der Oberfläche der kanalartigen Vertiefungen (8) ausgebildet sind.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (9) mittels Kaltgasspritzen, PTWA-Spritzen, Laserspritzen, Detonationsspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen und/oder Schmelzbadspritzen ausgebildet sind.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (9) aus zumindest einem Metall, aus zumindest einer Metalllegierung, aus zumindest einem Metalloxid, aus zumindest einem Austenit, aus zumindest einem Kunststoff und/oder aus zumindest einem Lack ausgebildet sind.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (9) aus einem Grundmaterial der Platten (2) ausgebildet sind.