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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für einen bipolaren Bleiakkumulator in Form einer mehrlagigen Folie, die sich in einer Plattenebene erstreckt.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarzelle für einen bipolaren Bleiakkumulator, umfassend eine solche Bipolarplatte, die zwischen zwei Gitterelementen aus einem Kunststoffmaterial angeordnet ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bipolarzelle.
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Im Vergleich zu herkömmlichen Bleiakkumulatoren (auch als Bleibatterien oder Blei-Säure-Batterien bezeichnet), die aus monopolaren Platten aufgebaut sind, können mit bipolaren Bleiakkumulatoren wesentlich höhere Leistungsdichten erreicht werden, beispielsweise Leistungsdichten von mehr als 600 W/kg gegenüber maximal 250 W/kg bei monopolaren Bleiakkumulatoren. Da entsprechend hohe Leistungsdichten z.B. bei Hybridfahrzeugen benötigt werden, spielen bipolare Bleiakkumulatoren im Automobilbereich eine immer größere Rolle.
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Ein wesentlicher Bestandteil derartiger Bleiakkumulatoren sind die Bipolarplatten, die mit dem Kathodenmaterial auf der einen und dem Anodenmaterial auf der anderen Seite die einzelnen Bipolarzellen bilden. Enscheidend für die Funktion der Bipolarplatte ist, dass sie einerseits elektrisch leitfähig und andererseits undurchlässig für Wasser und Ionen ist. Mehrere Bipolarzellen werden mit jeweils dazwischen angeordneten Separatoren, die mit einem Elektrolyt gefüllt sind, in Form eines Stacks zu einem bipolaren Bleiakkumulator kombiniert.
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Eine gattungsgemäße Bipolarplatte und Bipolarzelle für einen bipolaren Bleiakkumulator sind in der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 036 319 A1 offenbart. Wie in dieser Druckschrift beschrieben, handelt es sich bei der Bipolarplatte in der Regel um eine relativ dünne und flexible, mehrlagige Folie, die zur mechanischen Stabilisierung zwischen zwei Gitterelementen aus einem Kunststoffmaterial angeordnet wird. Diese Gitterelemente erfüllen gleichzeitig die Funktion, mit den von Stegen begrenzten Feldern definierte Aufnahmebereiche für die Elektrodenmaterialen zur Verfügung zu stellen, nämlich eine Bleioxid enthaltende Paste auf der positiven Seite und eine Blei enthaltende Paste auf der negativen Seite der Bipolarzelle. Durch die vorgegebene Höhe der Stege wird einerseits die Auftragsmenge der Elektrodenmaterialen begrenzt, und andererseits verhindert die Unterteilung in kleinere Flächen, dass es beim Trocknen der verwendeten Pasten zu Rissbildungen durch Spannungen kommt.
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Bei der Herstellung der vorstehend beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarzellen stellt sich allerdings häufig das Problem, dass sich die Bipolarplatte aufgrund ihrer relativen Flexibilität innerhalb der einzelnen Felder in Richtung eines der beiden Gitterelemente vorwölbt, wodurch beim Befüllen der Felder mit den Elektrodenmaterialien eine unregelmäßige Auftragsdicke resultiert. Dies führt wiederum zu unterschiedlichen Leistungsdichten an verschiedenen Stellen der Bipolarzelle und insgesamt zu einem schlechteren Wirkungsgrad des Bleiakkumulators.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte für einen bipolaren Bleiakkumulator vorzuschlagen, die einen möglichst gleichmäßigen Auftrag der Elektrodenmaterialien ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei der Bipolarplatte der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mehrlagige Folie eine Prägestruktur mit einer Vielzahl von regelmäßig angeordneten Erhebungen und Vertiefungen aufweist.
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Durch die erfindungsgemäße Prägestruktur erhält die mehrlagige Folie eine zusätzliche Flexibilität innerhalb der Plattenebene. Dadurch können Spannungen innerhalb der Folie, die insbesondere beim Verbinden der Bipolarplatte mit den Gitterelementen entstehen, über eine geringfügige Änderung der Geometrie der Prägestruktur abgebaut werden, ohne dass sich die Folie aus der Plattenebene heraus vorwölbt.
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Somit begünstigt die Erfindung eine möglichst gleichmäßige Befüllung der durch die Gitterelemente definierten Felder mit den Elektrodenmaterialien beim Herstellen der Bipolarzelle, und zwar sowohl im Hinblick auf eine Befüllung mit der vorgesehenen Menge an Material, als auch im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Auftragsdicke innerhalb der einzelnen Felder.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Prägestruktur ist die dadurch erzielte bessere Haftung zwischen der Bipolarplatte und den aufgebrachten Elektrodenmaterialien, bedingt durch die vergrößerte Kontaktoberfläche aufgrund der Erhebungen und Vertiefungen.
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Günstig ist es, wenn die Erhebungen und Vertiefungen in Form eines rechtwinkligen Gitters mit jeweils gleichen Abständen angeordnet sind. Eine derartige regelmäßige Prägestruktur kann so ausgebildet sein, dass sie von beiden Seiten der Bipolarplatte dasselbe Erscheinungsbild aufweist, allerdings ist dies nicht zwingend. In jedem Fall entsprechen die Erhebungen auf der einen Seite den Vertiefungen auf der anderen Seite der Biplarplatte und umgekehrt.
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Die Abmessungen der Erhebungen und Vertiefungen der Prägestruktur lassen sich sinnvollerweise in Relation zur Dicke der mehrlagigen Folie definieren. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Erhebungen und Vertiefungen einen Höhenunterschied senkrecht zur Plattenebene aufweisen, der dem 2,5- bis 6-fachen der Dicke der Folie entspricht, weiter bevorzugt dem 3- bis 4-fachen der Dicke der Folie. Mit diesem Höhenunterschied ist die maximale Ausdehnung der Bipolarplatte senkrecht zur Plattenebene gemeint.
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Die mehrlagige Folie der erfindungsgemäßen Bipolarplatte weist typischerweise eine Dicke von 150 bis 450 µm auf, bevorzugt von 200 bis 400 µm. Für den Höhenunterschied zwischen den Erhebungen und Vertiefungen ergibt sich damit ein besonders bevorzugter Bereich von 1 bis 1,5 mm.
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Der Abstand zwischen zwei benachbarten Erhebungen in Richtung der Plattenebene entspricht bevorzugt dem 5- bis 12-fachen der Dicke der Folie, weiter bevorzugt dem 6- bis 8-fachen der Dicke der Folie. In jedem Fall sollte dieser Abstand klein genug sein, damit eine ausreichende Anzahl von Erhebungen und Vertiefungen in jedem der Felder, die durch die Gitterelemente einer entsprechenden Bipolarzelle gebildet werden, vorhanden sind (z.B. mindestens 10 Erhebungen und Vertiefungen entlang jeder Kantenlänge eines Feldes).
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Die Erhebungen der Prägestruktur können insbesondere im Wesentlichen pyramidenförmig oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein. In diesem Fall können die zwischen den Erhebungen liegenden Vertiefungen linienförmig ausgebildet sein und ein Gitternetz bilden. Auf der gegenüber liegenden Seite der Folie liegen dann im Wesentlichen pyramidenförmige oder pyramidenstumpfförmige Vertiefungen zwischen linienförmigen Erhebungen vor.
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Die Flanken zwischen den Erhebungen und Vertiefungen sind vorzugsweise um 30° bis 60° zur Plattenebene geneigt, insbesondere um etwa 45°. Generell sollten spitzwinklige und scharfkantige Strukturen vermieden werden, da diese mit einer Gefahr der Beschädigung der Folie beim Erzeugen der Prägestruktur verbunden sind. Stattdessen ist es günstig, wenn entsprechende Bereiche abgerundet sind, insbesondere die Spitzen von pyramidenförmigen Erhebungen.
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Wie bereits angesprochen, muss die Bipolarplatte zur Erfüllung ihrer Funktion innerhalb des bipolaren Bleiakkumulators elektrisch leitfähig, aber undurchlässig für Wasser und Ionen sein. Ein bevorzugter Aufbau der Bipolarplatte ist in der oben genannten
DE 10 2008 036 319 A1 beschrieben.
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Demnach ist es besonders günstig, wenn die mehrlagige Folie eine mittlere Trägerlage umfasst, die beidseitig mit einer metallhaltigen Folie beschichtet ist. Die Trägerlage kann eine Dicke im Bereich von 100 bis 200 µm, insbesondere von 100 bis 150 µm, aufweisen, während die metallhaltigen Folien typischerweise eine Dicke im Bereich von 50 bis 100 µm aufweisen.
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Die Trägerlage kann eine oder mehrere Folien aus einem elektrisch leitfähigen Thermoplast-Compound umfassen, bevorzugt auf Basis eines Fluorpolymers. Ein geeignetes Fluorpolymer ist insbesondere Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE), alternativ können z.B. auch Perfluoralkoxy-Copolymere (PFA), Perfluorethylenpropylen (FEP), Ethylen-Chlortrifluorethylen (ECTFE), Terpolymere aus Hexafluorpropylen, Tetrafluorethylen und Ethylen (HTE), Terpolymere aus Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen und Vinylidenfluorid (THV), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyvinylfluorid (PFV) eingesetzt werden. Als leitfähige Komponente enthält der Compound vorzugsweise Ruß, z.B. in einem Anteil von etwa 20 Gew.%.
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Die Trägerlage kann entweder aus einer einzelnen Folie aus dem elektrisch leitfähigen Thermoplast-Compound bestehen, oder aus einem Laminat, bei dem ein Kohlenstofffaser-Vlies beidseitig mit einer Folie aus dem elektrisch leitfähigen Thermoplast-Compound beschichtet ist.
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Die metallhaltige Folie auf beiden Seiten der mittleren Trägerlage ist günstigerweise eine Folie aus einer PbSn-Legierung. Hierbei verhindert die Hydrophobizität der aus dem Thermoplast-Compound gebildeten Folie eine Korrosion der PbSn-Legierung.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Bipolarzelle für einen bipolaren Bleiakkumulator, wobei die Bipolarzelle eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst, die zwischen zwei Gitterelementen aus einem Kunststoffmaterial angeordnet ist. Die Funktion dieser Gitterelemente wurde bereits eingangs beschrieben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Bipolarzelle sind die Gitterelemente jeweils aus einer Mehrzahl von sich rechtwinklig kreuzenden Stegen gebildet, die zwischen sich rechteckige, bevorzugt quadratische Felder definieren, wobei die Felder auf der einen, positiven Seite der Bipolarzelle mit einer Bleioxid enthaltenden Paste und die Felder auf der anderen, negativen Seite der Bipolarzelle mit einer Blei enthaltenden Paste befüllt sind. Wie bereits erläutert, kann hierbei durch die erfindungsgemäße Prägestruktur eine sehr gleichmäßige Befüllung der Felder mit den jeweiligen Pasten sichergestellt werden, da die Prägestruktur einer Vorwölbung der Bipolarplatte senkrecht zur Plattenebene entgegenwirkt.
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Die Felder weisen bevorzugt eine Seitenlänge von 20 bis 50 mm auf, weiter bevorzugt von 30 bis 40 mm. Wie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben, sind die Abstände zwischen benachbarten Erhebungen der Prägestruktur günstigerweise so gewählt, dass eine ausreichende Anzahl an Erhebungen und Vertiefungen in jedem Feld angeordnet ist, typischerweise entlang jeder Seitenlänge der Felder 5 bis 30 Erhebungen, bevorzugt 10 bis 20 Erhebungen.
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Die Menge der auf die Bipolarplatte aufzubringenden Elektrodenmaterialien kann durch die Dicke der Gitterelemente senkrecht zur Plattenebene vorgegeben werden, wobei diese vorzugsweise im Bereich von 1 bis 1,5 mm liegt. Dabei kann die Dicke auf der positiven und der negativen Seite der Bipolarzelle unterschiedlich gewählt werden, beispielsweise 1,0 mm auf der negativen Seite und 1,2 mm auf der positiven Seite, d.h. die Menge an Kathodenmaterial (Bleioxid enthaltende Paste) ist größer (in Bezug auf ihr Volumen) als die Menge an Anodenmaterial (Blei enthaltende Paste).
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Das Kunststoffmaterial der Gitterelemente ist bei der erfindungsgemäßen Bipolarzelle bevorzugt ausgewählt aus Polyphenylenether (PPE), Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Compounds dieser Polymere.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarzelle, umfassend die Schritte:
- – Bereitstellen einer Bipolarplatte in Form einer ebenen, mehrlagigen Folie;
- – Aufbringen von Gitterelementen aus einem Kunststoffmaterial auf beide Seiten der Bipolarplatte, sodass diese in eine Mehrzahl von rechteckigen, bevorzugt quadratischen Feldern unterteilt wird;
- – Erzeugen einer Prägestruktur in der mehrlagigen Folie im Bereich der Felder; und
- – Befüllen der Felder auf der einen Seite der Bipolarplatte mit einer Bleioxid enthaltenden Paste und der Felder auf der anderen Seite der Bipolarplatte mit einer Blei enthaltenden Paste.
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Es hat sich gezeigt, dass diese Verfahrensreihenfolge, bei der die Prägestruktur innerhalb der einzelnen Felder der bereits mit den Gitterelementen verbundenen Bipolarplatte erzeugt wird, vorteilhafter ist als die denkbare Alternative, bei der zunächst die gesamte Bipolarplatte mit der Prägestruktur versehen wird und erst dann die Gitterelemente aufgebracht werden.
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Der bevorzugte Aufbau der Bipolarplatte, der Prägestruktur und der Gitterelemente aus dem Kunststoffmaterial wurde bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte bzw. Bipolarzelle beschrieben.
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Hinsichtlich der Gitterelemente ist es grundsätzlich möglich, diese zunächst durch ein zerspanendes Bearbeitungsverfahren aus dem Kunststoffmaterial herzustellen (z.B. mittels Fräsen) und dann auf die Bipolarplatte aufzuschmelzen oder aufzukleben. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es jedoch bevorzugt, wenn das Aufbringen der Gitterelemente ein Umspritzen der Bipolarplatte mit dem Kunststoffmaterial umfasst. Auf diese Weise kann eine bessere stoffschlüssige Verbindung zwischen der Bipolarplatte und den Gitterelementen erzielt werden.
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Das Erzeugen der Prägestruktur erfolgt bevorzugt mittels zweier korrespondierender Prägestempel, die von beiden Seiten auf die mehrlagige Folie gepresst werden. Dabei entsprechen die Prägestempel, die nach dem Prinzip eines Waffeleisens funktionieren, jeweils einem Negativ der auf der betreffenden Seite zu erzeugenden Prägestruktur.
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Geeignete Prägestempel können aus einem metallischen Material (z.B. Aluminium) oder aus einem Kunststoffmaterial (z.B. Polyoxymethylen) hergestellt sein.
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Es hat sich gezeigt, dass eine Erwärmung der Bipolarplatte bei der Erzeugung der Prägestruktur mittels Prägestempeln nicht erforderlich ist, d.h. die Prägung wird vorzugsweise bei Raumtemperatur durchgeführt.
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Das Befüllen der Felder auf den beiden Seiten der Bipolarplatte mit dem jeweiligen Elektrodenmaterial erfolgt grundsätzlich wie aus dem Stand der Technik bekannt. Die Menge der aufzubringenden Paste wird dabei durch die Dicke der Stege des jeweiligen Gitterelements definiert, wobei durch die erfindungsgemäße Prägestruktur der Bipolarplatte eine Vorwölbung derselben und eine Abweichung von der vorgesehenen Menge an aufzubringender Paste weitestgehend vermieden wird, wie dies oben beschrieben wurde.
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Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: einen Längsschnitt durch eine schematische Explosionsdarstellung eines Bleiakkumulators;
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2: eine schematische Draufsicht auf eine Bipolarplatte mit einem Gitterelement als Bestandteil des Bleiakkumulators gemäß 1;
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3A und 3B: einen schematischen Querschnitt durch die Bipolarzelle gemäß 2 mit einer Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik bzw. mit einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte; und
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4A bis 4C: schematische Querschnitte durch erfindungsgemäße Bipolarplatten mit verschiedenen Prägestrukturen.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Ein in 1 schematisch dargestellter, als Ganzes mit 10 bezeichneter bipolarer Bleiakkumulator umfasst eine negative Endzelle 12, eine positive Endzelle 14, eine zwischen der negativen Endzelle 12 und der positiven Endzelle 14 angeordnete Bipolarzelle 16 sowie zwei jeweils zwischen der Bipolarzelle 16 und der negativen Endzelle 12 bzw. der positiven Endzelle 14 angeordnete Abstandshalter 18.
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Jeder der Abstandshalter 18 ist im Wesentlichen rechteckig und rahmenförmig ausgebildet und umgibt eine im Wesentlichen rechteckige, mittige Durchtrittsöffnung 20, in welcher im Betriebszustand des bipolaren Bleiakkumulators 10 jeweils ein Separator in Form einer (in den Figuren nicht dargestellten) Glasfasermatte aufgenommen ist, welche mit einem Elektrolyten, beispielsweise mit Schwefelsäure, getränkt ist.
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Die negative Endzelle 12 umfasst eine außenseitig angeordnete Endplatte 22 (beispielsweise aus Aluminium), eine negative Platte 24 und ein negatives Gitterelement 26, welches dem Abstandshalter 18 und der Bipolarzelle 16 zugewandt ist.
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Die positive Endzelle 14 umfasst eine außenseitig angeordnete Endplatte 22 (beispielsweise aus Aluminium), eine positive Platte 28 und ein positives Gitter 30, welches dem Abstandshalter 18 und der Bipolarzelle 16 zugewandt ist.
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Die Bipolarzelle 16 umfasst eine mittig angeordnete Bipolarplatte 32, ein der negativen Endzelle 12 zugewandtes positives Gitterelement 30 und ein der positiven Endzelle 14 zugewandtes negatives Gitterelement 26.
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Die 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein negatives Gitterelement 26 (Gitterelement für die Negativseite) oder ein im Wesentlichen dieselbe Form aufweisendes positives Gitterelement 30 (Gitterelement für die Positivseite) einer Bipolarzelle 16. Jedes dieser Gitterelemente 26 und 30 ist aus einer Mehrzahl von sich rechtwinklig kreuzenden Stegen 34 gebildet, die zwischen sich rechteckige, in diesem Fall quadratische Felder 36 definieren. Diese Felder 36 sind im Betrieb des Bleiakkumulators 10 mit dem jeweiligen Elektrodenmaterial befüllt, insbesondere mit einer Blei enthaltenden Paste auf der negativen Seite und einer Bleioxid enthaltenden Paste auf der positiven Seite der Bipolarplatte 32.
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Jeweils ein mit negativer Paste befülltes negatives Gitterelement 26, ein Abstandshalter 18 mit dem darin aufgenommenen Separator in Form einer elektrolytgetränkten Glasfasermatte und ein mit positiver Paste befülltes positives Gitterelement 30 bilden zusammen eine elektrochemische 2-Volt-Zelle 38.
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Der in 1 dargestellte bipolare Bleiakkumulator 10 umfasst somit zwei elektrochemische 2-Volt-Zellen und weist somit eine Nennspannung von insgesamt 4 Volt auf. Selbstverständlich können Bleiakkumulatoren mit einer entsprechend höheren Nennspannung erhalten werden, indem eine größere Zahl von Bipolarzellen 16 in einem Stack parallel geschaltet werden. Dabei wird dem Bleiakkumulator 10 für jede zusätzliche elektrochemische 2-Volt-Zelle 38 eine zusätzliche Bipolarzelle 16 und ein zusätzlicher Abstandshalter 18 mit Separator zwischen der negativen Endzelle 12 und der positiven Endzelle 14 hinzugefügt.
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Wie aus 1 zu ersehen ist, ist zur Abdichtung des Elektrolytraums zwischen jedem Abstandshalter 18 und dem jeweils benachbarten negativen Gitterelement 26 oder positiven Gitterelement 30 jeweils ein ringförmig umlaufendes Dichtelement 40 vorgesehen. Jedes dieser Dichtelemente 40 kann beispielsweise aus einem Fluorelastomer, insbesondere aus Viton, gebildet sein.
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Jede Bipolarplatte 32 ist eine mehrlagige Folie, die bei diesem Ausführungsbeispiel eine mittlere Trägerlage umfasst, welche beidseitig mit einer metallhaltigen Folie, insbesondere aus einer PdSn-Legierung, beschichtet ist. Die Trägerlage kann eine Folie aus einem elektrisch leitfähigen Thermoplast-Compound sein, z.B. eine ETFE-Folie mit 20 Gew.% Ruß, oder sie kann zwei derartige Folien umfassen, die auf beide Seiten eines Kohlenstofffaser-Vlieses auflaminiert sind. Die Gesamtdicke der Bipolarplatte 32 liegt insbesondere im Bereich von 200 bis 400 µm.
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Der stoffliche Aufbau von Bipolarplatten, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangen können, sind beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 036 319 A1 beschrieben.
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Die Bipolarzelle 16 wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren so hergestellt, dass die Bipolarplatte 32 mit einem Kunststoffmaterial, beispielsweise Polypropylenether (PPE), umspritzt wird, um die beiden Gitterelemente 26 und 30 auf der negativen bzw. positiven Seite zu bilden. Diese Gitterelemente 26 und 30 umfassen jeweils einen Rahmen 42 und eine Mehrzahl von sich rechtwinklig kreuzenden Stegen 34, die jede Seite der Bipolarplatte 32 in eine Mehrzahl von rechteckigen Feldern 36 unterteilen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 sind 16 quadratische Felder 36 mit einer Seitenlänge von jeweils ca. 35 mm vorgesehen, wobei die Stege 34 eine Breite von ca. 3 mm aufweisen. Die Dicke der Stege 34 der Gitterelemente 26 und 30 (senkrecht zur Plattenebene) beträgt 1,0 mm bei dem negativen Gitterelement 26 und 1,2 mm bei dem positiven Gitterelement 30. Die Dicke der Stege 34 definiert das vorgesehene Auftragsvolumen des jeweiligen Elektrodenmaterials, welches demnach bei der Bleioxid enthaltenden Paste größer ist als bei der Blei enthaltenden Paste.
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Die 3A zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Bipolarzelle 16 gemäß dem Stand der Technik, bei der die Bipolarplatte 32 eine ebene, mehrlagige Folie ohne eine Prägestruktur ist. Dargestellt ist lediglich ein Ausschnitt mit einem Feld 34 und zwei Stegen 36, die gegenüber liegende Seiten des Feldes 34 begrenzen. Die mit Elektrodenmaterial zu befüllenden Volumina auf beiden Seiten der Bipolarplatte 32 sind jeweils durch gestrichelte Linien begrenzt.
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Aufgrund von Spannungen innerhalb der Bipolarplatte 32 wölbt sich diese in der 3A in Richtung der positiven Seite der Bipolarzelle 16, was dazu führt, dass das Volumen in dem betreffenden Feld 36 des positiven Gitterelements 30 verringert und das Volumen in dem gegenüber liegenden Feld 36 des negativen Gitterelements 26 vergrößert wird. Der daraus resultierende ungleichmäßige Auftrag der Elektrodenmaterialien führt zu Schwankungen in der Leistungsdichte und dadurch zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades des bipolaren Bleiakkumulators.
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Die 3B zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen entsprechenden Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Bipolarzelle 16, die sich von der Bipolarzelle 16 gemäß der 3A dadurch unterscheidet, dass die Bipolarplatte 32 in dem Feld 36 (bzw. in allen Feldern 36 der Bipolarzelle 16) eine Prägestruktur mit einer Vielzahl von regelmäßig angeordneten Erhebungen 44 und Vertiefungen 46 aufweist. Die Erhebungen 44 und Vertiefungen 46 sind in der 3B von der negativen Seite her definiert, auf der positiven Seite liegen naturgemäß umgekehrte Verhältnisse vor.
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Die Prägestruktur wird bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für die Bipolarzelle 16 dadurch erzeugt, dass die Bipolarplatte 32, die zunächst als ebene Folie vorliegt, nach dem Aufbringen der beiden Gitterelemente 26 und 30 geprägt wird, insbesondere mittels zweier korrespondierender Prägestempel.
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Dank der Prägestruktur können sich Spannungen der Bipolarplatte 32 innerhalb der Plattenebene ausgleichen, sodass eine Vorwölbung der Bipolarplatte 32 innerhalb der Felder 36 vermieden oder zumindest stark reduziert wird. Auf diese Weise werden die für den Auftrag der Elekrodenmaterialien vorgesehenen Volumina nicht wesentlich verändert. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich auch eine bessere Haftung zwischen den Elektrodenmaterialien und der Bipolarplatte 32 aufgrund der vergrößerten Kontaktfläche.
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Die Prägestruktur der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 32 kann unterschiedliche Geometrien aufweisen, von denen drei mögliche Beispiele in den 4A bis 4C schematisch dargestellt sind.
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Die Bipolarplatte gemäß der 4A weist eine Prägestruktur auf, die im Querschnitt im Wesentlichen zickzackförmig ist. Von der einen Seite aus betrachtet sind die Erhebungen 44 im Wesentlichen pyramidenförmig ausgebildet und durch linienförmige Vertiefungen 46, die ein Gitternetz bilden, voneinander getrennt. Die Spitzen und Kanten der Prägestruktur sind jedoch abgerundet, um eine Beschädigung der Bipolarplatte 32 beim Prägen zu vermeiden.
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Bei der Prägestruktur der Bipolarplatte 32 gemäß der 4B sind jeweils pyramidenstumpfförmige Erhebungen 44 und Vertiefungen 46 vorgesehen, die im Querschnitt trapezförmig sind.
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Die Prägestruktur gemäß der 4C ähnelt derjenigen der 4B, wobei die Vertiefungen 46 stärker abgerundet sind und einen annähernd halbrunden Querschnitt aufweisen.
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Die Abmessungen der Geometrie der Prägestruktur orientieren sich günstigerweise sowohl an der Dicke der mehrlagigen Folie der Bipolarplatte 32 als auch an den Abmessungen der Gitterelemente 26 und 30, wie dies weiter oben ausführlich beschrieben wurde. Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel können die Erhebungen 44 und Vertiefungen 46 einen Höhenunterschied senkrecht zur Plattenebene von ca. 1,25 mm aufweisen, bei einem Abstand zwischen zwei benachbarten Erhebungen 44 von ca. 2,5 mm.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bleiakkumulator
- 12
- negative Endzelle
- 14
- positive Endzelle
- 16
- Bipolarzelle
- 18
- Abstandshalter
- 20
- Durchtrittsöffnung
- 22
- Endplatte
- 24
- negative Platte
- 26
- negatives Gitterelement
- 28
- positive Platte
- 30
- positives Gitterelement
- 32
- Bipolarplatte
- 34
- Stege
- 36
- Felder
- 38
- elektrochemische Zelle
- 40
- Dichtelement
- 42
- Rahmen
- 44
- Erhebungen
- 46
- Vertiefungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008036319 A1 [0006, 0019, 0054]
