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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Teilplatte einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Die Erfindung umfasst ebenso eine Teilplatte für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle.
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Bipolarplatten für Brennstoffzellen Schwierigkeiten sollen eine hohe Formgenauigkeit und Ebenheit aufweisen um insbesondere ein Fügen, Kleben oder Schweißen zu vereinfachen und eine Spaltbildung oder Verspannung der Platten zu verringern.
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Im Idealfall sollten die Kanten der Kanäle der Bipolarplatte möglichst scharf und die geraden Abschnitte zwischen den Kanälen („Landing-Zone“) möglichst groß und eben sein. Damit soll eine optimale Auflage der protonenleitenden Membran (oft „MEA“ genannt) beziehungsweise der Gasdiffusionsschicht (oft „GDL“ genannt) erzielt werden. Insbesondere bei Bipolarplatten aus Edelstahl sollen Ausdünnungen und Kantenverrundungen vermieden werden. Hierfür müssen die bei der Herstellung verwendeten Gesenke aufgrund von Verschleiß regelmäßig gewechselt werden.
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Alternativ zu metallischen Platten sind Graphit-Bipolarplatten aus gepresstem Kohlenstoff und Bindematerial verfügbar. Solche Bipolarplatten sind jedoch üblicherweise dicker ausgeführt und ermöglichen dadurch eine geringere Stapeldichte. Aufgrund der Materialeigenschaften werden Graphit-Bipolarplatten verklebt.
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Bei metallischen Bipolarplatten wird gegebenenfalls ein beschichtetes Bandmaterial mit Korrosionsschutz eingesetzt. Die Designfreiheit ist durch die Limitierung eines Umformvermögens dieser Bipolarplatten vor allem im Bereich des Flow-Fields eingeschränkt. Der Edelstahl muss zudem durch Beschichtung von Korrosion geschützt werden. Die dabei verwendeten Metallfolien neigen häufig zur Rissbildung bei hohen Umformgraden. Daher sind die Größe der Landing-Zone und das Volumen der Gaskanäle beschränkt. Vorteilhaft ist die Eigensteifigkeit der umgeformten Folien für den Aufbau des Stacks, weil MEA und GDL kaum Steifigkeit besitzen.
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Massenproduktionstaugliche Bipolarplatten können über Folienprozesse aus Metall-Kunststoff-Folien oder Kunststofffolien mit eingelagerten leitfähigen Zusätzen oder Partikeln hergestellt werden. Diese weisen durch den Kunststoffanteil eine begrenzte Gasdichtigkeit sowie einen erhöhten elektrischen Durchgangs-Widerstand auf. Zudem muss die Flow-Field-Kontur erst noch eingeprägt werden. Die für mobile Anwendungen nötige Eigensteifigkeit und Vibrationsfestigkeit erfordern dickere Schichten als bei metallischen Platten.
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In aufwändigeren Ausführungen wird eine Bipolarplatte auch durch das Fügen von drei Metallplatten oder Metallfolien hergestellt, wobei die mittlere Platte im Wesentlichen eben ausgeführt ist und oftmals zur Trennung von Medienkanälen und/oder zusätzlichen Versteifung dient.
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Weitere bekannten Bipolarplatten oder Herstellungsmethoden zum Erzeugen von Bipolarplatten weisen unterschiedliche Vor- und Nachteile auf. So können Bipolarplatten beispielsweise mit Hilfe eines 3D-Druckverfahrens nur sehr langsam hergestellt werden und die Herstellung ist kostenintensiv.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2014 226 567 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte: Es wird ein Metallpulver zur zumindest teilweisen Ausbildung einer Bipolarplatte bereitgestellt. Ein Teilbereich der Bipolarplatte wird im generativen Schichtbauverfahren hergestellt.
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Die Patentschrift
DE 10 2010 055 996 B4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung für eine Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle. Eine Membran wird mit wenigstens einem Rahmenelement in einem Laserschweißprozess verbunden. Das zumindest eine Rahmenelement wird aus einem Folienwerkstoff gebildet. Die Membran wird durch den dadurch entstehenden Folienverbund der Membrananordnung vor thermischer Beschädigung in Folge des Laserschweißprozesses geschützt.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Teilplatte für eine Bipolarplatte bereitzustellen beziehungsweise herzustellen, die einen effizienteren Kontakt einer Gasdiffusionsschicht zu der Bipolarplatte ermöglicht. Bevorzugt soll die Teilplatte kostengünstig und einfach herzustellen sein. Weiterhin soll sie eine ausreichende mechanische und chemische Stabilität, sowie eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe der unabhängigen Ansprüche dieser Anmeldung gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen und alternative Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren.
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Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenseite (im Folgenden „Teilplatte“ genannt) einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen vor. Üblicherweise werden dann zwei solcher Platten zu einer Bipolarplatte gefügt, die zusammen im Inneren dann Kanäle zur Kühlwasserführung und/oder Gasführung bilden. Für dieses Verfahren werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt.
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Zunächst werden eine Metallfolie für die Teilplatte, eine Kunststofffolie und eine Schicht elektrisch leitfähigen Pulvers bereitgestellt. Die Metallfolie kann eben oder geformt sein. Die Kunststofffolie wird zwischen der Schicht des elektrisch leitfähigen Pulvers und der Metallfolie angeordnet. Das elektrisch leitfähige Pulver kann eine Schicht bilden beziehungsweise schichtförmig angeordnet werden. Die Schicht des elektrisch leitfähigen Pulvers wird an der Metallfolie fixiert, indem die Kunststofffolie zu einer Kunststoffmatrix geschmolzen wird. Mittels der Kunststoffmatrix wird die Schicht des elektrisch leitfähigen Pulvers an der Metallfolie gehalten. Eine von der Metallfolie abgewandte Oberfläche der Schicht wird größtenteils durch das elektrisch leitfähige Pulver gebildet. Die von der Metallfolie abgewandte Oberfläche der Schicht des elektrisch leitfähigen Pulvers bildet insbesondere einen Teil einer Rinnenstruktur mit einer „landing zone“ oder „Landing-Zone“. Bei einer gebogenen Metallplatte kann die Oberfläche als Rinnenstruktur aufgefasst werden. Jene Bereiche, in denen das elektrisch leitfähige Pulver angeordnet ist, kann als die „landing zone“ betrachtet werden. Die Rinnenstruktur kann in ihrer Form analog wie eine gebogene metallische Platte verstanden werden. Anstelle des Begriffs Metallfolie kann auch der Begriff Metallplatte verwendet werden. Die Begriffe „Metallfolie“ und „Metallplatte“ können als Synonyme betrachtet werden.
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Eine zusätzliche oder alternative Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein erstes Gesenk und ein dem ersten Gesenk komplementäres oder ebenes zweites Gesenk bereitgestellt werden. Das bedeutet insbesondere, dass zunächst die nötigen Vorrichtungsgegenstände bereitgestellt oder vorbereitet werden. Die vorgegebene geformte Metallfolie kann Wölbungen aufweisen, eben oder plan ausgebildet sein. Die Metallfolie kann eine Materialstärke von 20 bis 250 µm aufweisen. Bevorzugt weist die Metallfolie eine Dicke weniger als 100 µm, besonders bevorzugt gleich oder weniger als 50µm auf. Die umgeformte Metallfolie kann als Metallplatte betrachtet werden. Im Regelfall beträgt eine Gesamt-Dicke der umgeformten Metallfolie weniger als 1 mm. Das erste Gesenk weist eine Kavität mit einer zumindest partiell ebenen Grundfläche auf. Die zumindest partiell ebene Grundfläche dient insbesondere dazu, eine ebene Kontaktfläche der Teilplatte für eine Gasdiffusionsschicht auszubilden. Das erste Gesenk dient als Negativform für die zu erstellende Teilplatte und hat insbesondere rillenartige Vertiefungen mit ebenem Boden, die dann nach dem Ausformen oder Verpressen auf der Teilplatte einerseits die erhabenen und möglichst ebenen Bereiche der „landing zone“ bilden. Bevorzugt bilden sich andererseits durch die Abstände der Rillen in der Teilplatte Kanäle für die Führung der Prozessgase (Wasserstoff, Luft) aus.
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Das elektrisch leitfähige Pulver wird in der Kavität des ersten Gesenks platziert. Anschließend wird die Kunststofffolie auf das elektrisch leitfähige Pulver platziert. Die Metallfolie wird auf die Kunststofffolie platziert. Dadurch kann die Kunststofffolie zwischen der Schicht des elektrisch leitfähigen Pulvers und der Metallfolie angeordnet werden. Somit ergibt sich insbesondere eine vorgegebene Reihenfolge, wie die Komponenten elektrisches Pulver, Kunststofffolie oder Metallfolie in der Kavität platziert werden sollen. Bevorzugt werden zuerst das elektrisch leitfähige Pulver, anschließend die Kunststofffolie und danach die Metallfolie in der Kavität platziert. Der Begriff „platzieren“ kann ebenfalls die Bedeutung von „anordnen“, „einfügen“, „einlegen“, „einsetzen“, „hineinstecken“ oder „einfüllen“ haben. Bevorzugt befindet sich das erste Gesenk dazu in Wannenlage um ein Herauslaufen des Pulvers zu vermeiden.
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Das erste Gesenk und das zweite Gesenk werden unter Wärmeeinwirkung verpresst. Dabei wird die Kunststofffolie in der Kavität teilweise oder vollständig geschmolzen. Dadurch kann die Schicht des elektrisch leitfähigen Pulvers an der Metallfolie fixiert werden. Verpressen kann insbesondere ein Zusammendrücken der beiden Gesenke bedeuten. Somit kann „verpressen“ ebenfalls bedeuten, dass die beiden Gesenke miteinander verklemmt werden. Das erste Gesenk wird somit bevorzugt an das zweite Gesenk gepresst, beziehungsweise die beiden Gesenke werden miteinander zusammengedrückt. Dabei wird zugleich bevorzugt eine Temperatur erzielt, welche oberhalb einer Schmelztemperatur der Kunststofffolie liegt. Dies bedeutet insbesondere, dass die Kunststofffolie schmilzt und der Kunststoff nicht länger als Kunststofffolie vorliegt. Bevorzugt bildet sich aus der Kunststofffolie eine Kunststoffmatrix, welche das elektrisch leitfähige Pulver mechanisch an einer Außenseite der Metallfolie fixiert.
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Durch die Kunststofffolie ergibt sich der Vorteil, dass das elektrisch leitfähige Pulver mechanisch an der Metallfolie fixiert wird. Ohne die Kunststofffolie bestünde die Gefahr, dass das elektrisch leitfähige Pulver leicht abgetragen werden könnte.
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Da sich der Pulverwerkstoff bei ausreichend kleiner Körnung sehr gut an die Kontur der Vertiefungen anpassen kann, kann das Problem der mangelnden Radienschärfe wie bei rein metallischen Platten vermieden werden. Durch das Ausfüllen der Lücken zwischen den Pulverkörnern durch den geschmolzenen Folienwerkstoff wird die Lage der Pulverkörner quasi eingefroren. Zudem ist eine Schicht aus geschmolzenem Folienwerkstoff (Kunststofffolie) und elektrisch leitfähigem Pulver insbesondere für Wasser etc. undurchlässig und somit kann die Metalloberfläche geschützt werden.
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Mithilfe des mechanisch fixierten elektrisch leitfähigen Pulvers kann im Bereich der Kavität ein verbesserter elektrisch leitfähiger Kontakt zu einer weiteren Komponente einer Brennstoffzelle hergestellt werden. Insbesondere soll so ein besserer elektrischer gegebenenfalls auch besserer thermischer Kontakt zu einer protonenleitenden Membran oder der Gasdiffusionsschicht hergestellt werden. Da das elektrisch leitfähige Pulver im Bereich der Kavität mechanisch durch die geschmolzene Kunststofffolie fixiert ist, kann dieser Vorteil auch längerfristig gewährleistet werden. Die geschmolzene Kunststofffolie beziehungsweise die Kunststoffmatrix fungiert sozusagen als Klebstoff und fixiert die elektrisch leitfähigen Partikel. Die leitfähigen Partikel stellen insbesondere eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Metallplatte und der GDL bzw. MEA her.
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Eine Menge der verwendeten Kunststofffolie kann insbesondere von einer Menge des elektrisch leitfähigen Pulvers abhängen. Die Menge des leitfähigen Pulvers wird bevorzugt so eingestellt, dass es die Hohlräume zwischen den beiden Gesenken vollständig oder nahezu vollständig ausfüllt. Die Pulverpartikel sollen nach dem Verpressen möglichst guten Kontakt zueinander haben, damit eine hohe Leitfähigkeit von der Oberfläche bis zu der Metallplatte entsteht. Die notwendige Menge der Kunststofffolie zum Füllen der Lücken im Pulver und Fixierung der Partikel lässt sich sehr einfach durch geeignete Wahl der Foliendicke der Kunststofffolie einstellen. Dabei kann es vorteilhaft sein, etwas weniger Material, d.h. eine eigentlich etwas zu dünne Folie zu verwenden.
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Dies liegt insbesondere daran, dass im Bereich der ebenen Grundfläche der elektrisch leitfähigen Partikel sehr wenige oder keine Kunststoffpartikel beziehungsweise wenig oder keine Kunststoffmatrix vorhanden sein sollen. Es ist nämlich gewünscht, dass im Bereich der planaren (ebenen) Fläche des elektrisch leitfähigen Pulvers ausschließlich nur das elektrisch leitfähige Pulver und kein Kunststoff angeordnet oder zumindest weitgehend nur das Pulver vorhanden ist, so dass möglichst viele Pulverpartikel des elektrisch leitfähigen Pulvers an der Oberfläche freiliegen und damit einen direkten Kontakt zu weiteren Komponenten wie zum Beispiel einer Gasdiffusionsschicht (GDL) beziehungsweise einer Membran haben. Dies kann den Übergangswiderstand reduzieren.
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Eine zusätzliche oder alternative Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass nach dem Verpressen der beiden Gesenke und/oder nach einem Fertigstellen einer derart gefertigten Teilplatte in einem weiteren Prozessschritt an einer der Metallfolie gegenüberliegenden Außenseite des elektrisch leitfähigen Pulvers mittels Laserablation ein Teil der geschmolzenen Kunststofffolie entfernt wird, sodass an der von der Metallfolie abgewandte Oberfläche der Schicht des elektrisch leitfähigen Pulvers größtenteils Partikel des elektrisch leitfähigen Pulvers vorhanden sind zum elektrischen Kontaktieren an eine weitere Komponente der Brennstoffzelle. Das Entfernen eines Teils der geschmolzenen Kunststofffolie kann bevorzugt durch eine selektive Laserablation erfolgen. Selektive Laserablation kann insbesondere bedeuten, dass ein Überschuss oder Herausragen von der Kunststoffmatrix entfernt wird. Bevorzugt wird durch die Laserablation erreicht, dass an der von der Metallfolie abgewandten Oberfläche der Schicht des elektrisch leitfähigen Pulvers hauptsächlich oder nur noch Partikel des elektrisch leitfähigen Pulvers vorhanden sind. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch denkbar, die Pulverkörner, thermisch oder chemisch freizulegen.
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Für das selektive Abtragen der Kunststoffmatrix ist es vorteilhaft, wenn die leitfähigen Partikel einen höheren Schmelz- und Verdampfungspunkt als der Kunststoff haben, wie es zum Beispiel bei kohlenstoffhaltigen, metallischen oder keramischen/metallkeramischen Partikeln der Fall ist. Die Landing-Zone kann als ein vorgegebener Randbereich der elektrisch leitfähigen Partikel an der Außenseite der Teilplatte verstanden werden, welche der Außenseite der Metallfolie gegenüber liegt. Die Landing-Zone ist bevorzugt in senkrechter Richtung zu einer vorgegebenen ebenen Grundfläche der Metallfolie angeordnet.
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Würde beispielsweise zu wenig elektrisch leitfähiges Pulver eingesetzt werden, so würde das elektrisch leitfähige Pulver in der Kunststofffolie oder Kunststoffmatrix versinken. Die ebene Fläche, die sich aufgrund der ebenen Grundfläche der Kavität ergibt, würde zu viele Kunststoffpartikel enthalten. Diese Situation ist nicht erwünscht. Deshalb wird bevorzugt so viel Kunststoff eingesetzt, dass zwar eine gute mechanische Fixierung an der Metallfolie erreicht wird, jedoch zugleich wenige bis keine Kunststoffpartikel bis an die resultierende ebene Fläche (Landing-Zone) vordringen. Ebenso sollen möglichst viele Pulverpartikel miteinander in Kontakt sein, um eine gute Leitfähigkeit sicherzustellen ohne dass Partikel der Kunststofffolie dazwischen isolieren.
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Die Landing-Zone oder resultierende ebene Fläche kann auch dreidimensional ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Landing-Zone quaderförmig ausgebildet sein. Bei der Landing-Zone ist die ebene Fläche insofern von Bedeutung, da mit der ebenen und möglichst großen Kontaktfläche ein besserer Ladungsträgeraustausch erreichbar ist. Je besser der elektrische Kontakt dadurch ist, umso weniger Verluste entstehen durch Widerstände.
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Ein Volumen der Landing-Zone ist bevorzugt kleiner als ein Volumen der elektrisch leitfähigen Partikel oder ein Volumen der Kunststoffmatrix. Die Landing-Zone weist insbesondere die ebene Fläche zum Kontaktieren an eine weitere Komponente der Brennstoffzelle zum Beispiel an eine Gasdiffusionsschicht auf.
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Die resultierende ebene Fläche entspricht bevorzugt der zumindest partiell ebenen Grundfläche der Kavität. Somit liegt die resultierende ebene Fläche insbesondere auf einer Seite einer Schicht der elektrisch leitfähigen Partikel, welche der Metallfolie abgewandt ist. Die resultierende ebene Fläche beziehungsweise die Landing-Zone haben insbesondere keinen Kontakt zu der Metallfolie. Die resultierende ebene Fläche soll bei der späteren Bipolarplatte als Kontaktfläche (Landing-Zone) dienen.
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Zum Ermitteln eines wirkungsvollen Mengenverhältnisses zwischen elektrisch leitfähigem Pulver und der Kunststofffolie kann es erforderlich sein, dass der Fachmann einige wenige überschaubare Experimente oder Vorversuche durchführt. So kann er ein optimales Mengenverhältnis zwischen dem elektrisch leitfähigen Pulver und der verwendeten Kunststofffolie (vor allem eine Dicke der Kunststofffolie) im Bereich der Kavität ermitteln. Sind derartige Vorversuche bereits erfolgt, so kann eine Menge des elektrisch leitfähigen Pulvers beziehungsweise eine Menge der verwendeten Kunststoffpartikel oder eine Dicke der Kunststofffolie vorgegeben sein. Auf diese Weise können eine gute mechanische Fixierung des elektrisch leitfähigen Pulvers und zugleich eine gute elektrische Leitfähigkeit von der resultierenden ebenen Fläche zu einer weiteren Komponente der Brennstoffzelle (Gasdiffusionsschicht) hergestellt werden.
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Eine zusätzliche oder alternative Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Metallfolie zum Bilden eines Kühlkanals mechanisch umgeformt wird und/oder eine Oberfläche der Metallfolie zumindest partiell aufgeraut wird. Beispielsweise kann die Metallfolie von einer Rolle durch Tiefziehen oder Prägen umgeformt werden. Die Oberfläche der Metallfolie kann beispielsweise durch Ätzen, Beizen, mittels Laserstrukturierens oder mechanischen Aufrauens bearbeitet werden. Die Metallfolie beziehungsweise die Metallplatte kann durch Ausstanzen oder Ausschneiden bearbeitet werden. So kann eine Außenkontur der Metallfolie verändert werden. Es können erforderliche Durchbrüche, beispielsweise zur Medienversorgung, erzeugt werden. Die verwendeten Medien sind insbesondere Luft und Wasserstoff, ggf. auch eine Kühlflüssigkeit z.B. auf Wasserbasis.
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Soll die Kunststofffolie zusätzliche Funktionen erfüllen, kann sie auch größer oder partiell größer als die Metallplatte gewählt werden um beispielsweise einen Rand um die Metallfolie zu erzeugen. Die Kunststofffolie kann ebenso wie die Metallfolie bearbeitet werden. Damit können die aufgezeigten Möglichkeiten der Bearbeitung hinsichtlich der Metallfolie entsprechend für ein Bearbeiten der Kunststofffolie eingesetzt werden. Ein Umformen der Kunststofffolie kann ebenfalls mithilfe von Heißprägen erfolgen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann eine Außenkontur der Kunststofffolie kleiner als eine Außenkontur der metallischen Folie sein, um ein Verschweißen mindestens zweier Metallfolien zu einer Bipolarplatte zu ermöglichen. Somit kann eine Fläche der Kunststofffolie kleiner sein als eine Fläche der metallischen Folie. Durch das mechanische Umformen können Strukturen für die späteren Kühlkanäle der Bipolarplatte erzeugt werden. Zugleich können Durchbrüche ermöglicht werden, um Prozessgase, wie zum Beispiel Luft und Wasserstoff, zu der Bipolarplatte transportieren zu können beziehungsweise aus der Bipolarplatte heraus.
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Eine zusätzliche oder alternative Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das zweite Gesenk zu der Kavität eine bogenförmige Negativform aufweist, so dass das elektrisch leitfähige Pulver einschließlich der Metallfolie und Kunststofffolie in eine bogenförmige Struktur gepresst wird. Die bogenförmige Negativform des zweiten Gesenks kann beispielsweise halbkreisförmig oder ellipsenförmig ausgebildet sein. Diese bogenförmige Negativform entspricht insbesondere der Form eines gewünschten Kühlkanals im Inneren der Bipolarplatte. Diese bogenförmige Negativform entspricht dabei insbesondere einer ersten Hälfte des entsprechenden Kühlkanals. Eine Struktur der Kühlkanäle in der Bipolarplatte kann durch eine Anzahl und entsprechende Struktur der Kavitäten des ersten Gesenks sowie der bogenförmigen Negativformen des zweiten Gesenks beeinflusst werden. Somit können eine Anzahl und Ausdehnung der Kavitäten des ersten Gesenks sowie die entsprechenden bogenförmigen Negativformen des zweiten Gesenks die Struktur und Geometrie der Kühlkanäle der Bipolarplatte beeinflussen oder bestimmen. Auf diese Weise können die Kühlkanalstruktur beziehungsweise das Flow Field (Kühlkanalstruktur) der Bipolarplatte modifiziert werden. Beispielsweise kann für eine Brennstoffzelle mit hoher Leistung eine dichtere Kühlkanalstruktur vorgesehen sein, wie zum Beispiel für eine Brennstoffzelle mit vergleichsweise geringerer Leistung.
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Eine zusätzliche oder alternative Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass bei dem Verpressen und/oder bei dem Fixieren eine Temperatur, ein Verpressdruck und eine vorgegebene Zeitspanne in Abhängigkeit von einer Dicke der Kunststofffolie und/oder einer Menge des elektrisch leitfähigen Pulvers eingestellt werden. Die Temperatur beim Verpressen wird insbesondere so eingestellt, dass sie oberhalb einer Schmelztemperatur der Kunststofffolie und bevorzugt unterhalb der Zersetzungstemperatur liegt. Die vorgegebene Zeitspanne des Verpressens sowie der Druck des Verpressens (der Verpressdruck) hängen insbesondere von der Dicke der Kunststofffolie und/oder der Menge des elektrisch leitfähigen Pulvers ab. Die jeweiligen Werte für die Temperatur, den Druck sowie die Zeitspanne können durch Vorversuche ermittelt werden. Diese jeweiligen Werte werden insbesondere so eingestellt, dass das elektrisch leitfähige Pulver stabil mit Hilfe der geschmolzenen Kunststofffolie an der Metallfolie gehalten wird.
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Eine zusätzliche oder alternative Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass eine weitere Teilplatte hergestellt wird und die beiden Teilplatten zu der Bipolarplatte verbunden werden. Dies bedeutet insbesondere, dass mithilfe der vorangegangenen Verfahren zwei Teilplatten hergestellt werden. Somit können mit Hilfe der beiden Gesenke jeweils zwei Teilplatten für die Bipolarplatte hergestellt werden. Diese beiden Bipolarplatten können beispielsweise durch Verschweißen mittels eines Lasers verbunden werden. Anstelle des Laserverschweißens können auch andere Verschweißverfahren oder Klebeverfahren zum Einsatz kommen. Dabei werden die beiden Teilplatten insbesondere so verschweißt, dass vorhandene Wölbungen für die Kühlkanäle jeweils aufeinanderliegen, um einen vollständigen Kühlkanal für die Bipolarplatte zu bilden. Die Konturen der beiden Platten können auch geometrisch unterschiedlich geformt sein. Die zuvor genannten Vorteile und Beispiele der vorhergehenden Weiterbildungen bezüglich der Teilplatte gelten sinngemäß und analog für dieses Verfahren.
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Die Erfindung stellt ebenfalls eine Teilplatte für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle bereit. Die Teilplatte weist eine Metallfolie mit einer Wölbung auf. Eine Innenseite der Wölbung befindet sich insbesondere auf einer Innenseite der Teilplatte. Die Teilplatte weist elektrisch leitfähige Partikel auf, welche auf einer Außenseite der Wölbung angeordnet sind. Die Innenseite der Wölbung entspricht somit insbesondere der Innenseite der Teilplatte. Bevorzugt sind auf der Innenseite der Teilplatte jeweilige Kühlkanäle oder Zuführungskanäle für die Prozessgase der Bipolarplatte angeordnet, welche sich aufgrund der Wölbung ergeben. Die Teilplatte zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrisch leitfähigen Partikel durch eine Kunststoffmatrix an der Metallfolie gehalten sind. Somit kann die Teilplatte die Kunststoffmatrix umfassen. Die Teilplatte beinhaltet insbesondere die Metallfolie, die elektrisch leitfähigen Partikel und die Kunststoffmatrix. Die elektrisch leitfähigen Partikel und die Kunststoffmatrix können als ein Materialverbund aufgefasst werden.
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Die Kunststoffmatrix weist insbesondere Kunststoffpartikel auf, welche durch einen Schmelzprozess entstanden sind. Anstelle des Begriffs „Kunststoffmatrix“ kann analog der Begriff „Kunststoffpartikel“ verwendet werden. Die Wölbung der Teilplatte kann sich insbesondere senkrecht zu einer Grundfläche der Metallfolie erstrecken. Diese Wölbung kann beispielsweise halbkreisförmig oder sinusförmig ausgestaltet sein. Die Teilplatte kann somit als eine bearbeitete Metallfolie angesehen werden, welche eine Wölbung oder mehrere Wölbungen aufweist. Im Bereich der Wölbung sind insbesondere auf der Außenseite der Wölbung elektrisch leitfähige Partikel angeordnet. Diese elektrisch leitfähigen Partikel sind bevorzugt mechanisch durch die Kunststoffmatrix fixiert. Man kann sagen, dass auf der Außenseite der Wölbung der Materialverbund aus elektrisch leitfähigen Partikeln sowie einer Kunststoffmatrix angeordnet ist.
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In Bereichen außerhalb der Wölbung, also seitlich der Wölbung, kann eine Kunststoffmatrix oder eine Kunststofffolie angeordnet sein. Damit kann die Metallfolie besser isoliert werden. Die Wölbung der Teilplatte kann konvex oder konkav ausgestaltet sein. Die elektrisch leitfähigen Partikel können ausgehend von der Außenseite der Wölbung eine Schicht bilden. Diese Schicht kann insbesondere anders ausgestaltet sein als eine ebene Platte. Aufgrund der Wölbung der Metallfolie weist diese Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln sowie der darin enthaltenen Kunststoffmatrix insbesondere nicht überall dieselbe Dicke auf. Diese Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln und Kunststoffmatrix kann insbesondere als Negativform zu der Wölbung aufgefasst werden. Diese Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln und Kunststoffmatrix ist insbesondere im Bereich der Wölbung auf der Außenseite der Metallfolie angeordnet. Diese Schicht erstreckt sich bevorzugt in senkrechter Richtung zu einer vorgegebenen Grundfläche der Metallfolie nach außen. Ein Ende dieser Schicht in senkrechter Richtung zu der ebenen Grundfläche der Metallfolie ist bevorzugt eben beziehungsweise plan ausgebildet und weist bevorzugt nur elektrisch leitfähige Partikel auf. Der sich daraus ergebene Bereich aus elektrisch leitfähigen Partikeln mit der ebenen Fläche am Ende dieser Schicht wird oft als „Landing-Zone“ bezeichnet.
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Die Landing-Zone kann zusätzlich oder alternativ zu der resultierenden ebenen Fläche als ein Bereich oder Raumgebiet verstanden werden, dessen Volumen kleiner als ein Volumen des Materialverbunds aus elektrisch leitfähigen Partikel und Kunststoffmatrix ist. Insbesondere kann die Landing-Zone ein Flächenbereich sein. Der Flächenbereich der Landing-Zone kann ein Volumen aufweisen, welches kleiner sein kann als ein Volumen des Materialverbunds aus elektrisch leitfähigen Partikel und Kunststoffmatrix. Die Landing-Zone kann eine ebene Fläche zum Kontaktieren an eine weitere Komponente der Brennstoffzelle aufweisen oder als ein Raumgebiet verstanden werden, welches die ebene Fläche aufweist. Die Landing-Zone kann als Kontaktfläche zu der weiteren Komponente verstanden werden. Diese Landing-Zone dient insbesondere einem Austausch von Ladungsträgern. Diese Ladungsträger sind bevorzugt Protonen. Der Materialverbund aus elektrisch leitfähigen Partikeln und Kunststoffmatrix erstreckt sich bevorzugt ausgehend von der Außenseite der Metallfolie bis vor die Landing-Zone und ragt insbesondere nicht in die Landing-Zone hinein. Eine Teilplatte mit einer solchen Struktur kann einen besseren Übergang der Protonen zu weiteren Komponenten der Brennstoffzelle an der Landing-Zone ermöglichen. Diese ebene Fläche kann insbesondere unmittelbar mit einer ebenen Gasdiffusionsschicht kontaktiert sein.
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Eine zusätzliche oder alternative Ausführungsform sieht vor, dass die elektrisch leitfähigen Partikel Graphit, Ruß, Graphen, Fulleren, Metall und/oder Metalloxid oder Mischungen aus diesen umfassen und insbesondere als Pulver ausgebildet sind. Die leitfähigen Partikel können sowohl jedes einzelne der genannten Materialien als auch Stoffmischungen der genannten Materialien umfassen. Sind die elektrisch leitfähigen Partikel als Pulver ausgestaltet, so kann eine Form der Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln und Kunststoffmatrix besser bearbeitet oder modifiziert werden. So ist es möglich, eine Landing-Zone mit ebener Fläche für den Ladungsträgeraustausch zu schaffen. Bevorzugt werden für die elektrisch leitfähigen Partikel Materialien eingesetzt, welche eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Ein kohlenstoffhaltiges oder metallisches Pulver kann zusätzlich eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, um entstehende Abwärme besser aus der Bipolarplatte zu leiten.
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Eine zusätzliche oder alternative Ausführungsform sieht eine Bipolarplatte mit zwei Teilplatten vor. Dabei ist eine erste Teilplatte mit einer zweiten Teilplatte verbunden. Die erste Teilplatte kann zu der zweiten Teilplatte identisch sein. Die Wölbung der ersten Teilplatte bildet zusammen mit der Wölbung der zweiten Teilplatte einen Kühlkanal für ein Kühlmedium. Das bedeutet insbesondere, dass die Wölbung der ersten Teilplatte eine erste Hälfte des Kühlkanals bildet und die Wölbung der zweiten Teilplatte die zweite Hälfte des Kühlkanals bildet. Somit kann die Bipolarplatte genau aus zwei Teilplatten bestehen. In Bereichen außerhalb der Wölbung kann die Bipolarplatte mit Hilfe einer Kunststofffolie isoliert sein. Damit kann gewährleistet werden, dass ein Ladungsträgeraustausch nur im Bereich der Landing-Zone stattfindet.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform hinsichtlich der Bipolarplatte kann zwischen den beiden (nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellten zwei) Teilplatten eine dritte metallische Platte, eine weitere Kunststofffolie, eine Metallfolie oder ein Folienverbundwerkstoff zwischen die beiden Teilplatten (eben oder umgeformt) eingebracht und mit den Teilplatten verbunden werden, um zusätzliche Medienkanäle zu erzeugen, getrennte Medienkanäle zu schaffen oder die Steifigkeit des Gesamtverbundes zu erhöhen. Ein Medienkanal ist insbesondere ausgebildet, in der Bipolarplatte aufgrund eines Betriebs der Brennstoffzelle benötigte Prozessgase oder Reagenzprodukte zu transportieren. Prozessgase sind bei Brennstoffzellen insbesondere Wasserstoff und Luft beziehungsweise Sauerstoff. In diesem Fall ist das Reagenzprodukt Wasser. Ein Kühlkanal dient insbesondere zum Kühlen der Teilplatte oder Bipolarplatte. Als Kühlmedium kann zum Beispiel Wasser eingesetzt werden.
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Eine weitere oder alternative Ausführungsform sieht eine Bipolarplatte mit zwei Teilplatten vor, wobei zwischen der ersten Teilplatte und der zweiten Teilplatte eine weitere Metallfolie oder eine Kunststofffolie eingefügt ist. Zwischen der ersten Teilplatte und zweiten Teilplatte kann die weitere Metallfolie oder die weitere Kunststofffolie angeordnet oder vorhanden sein. Alternativ können zwischen der ersten und zweiten Teilplatte sowohl eine weitere Metallfolie als auch eine weitere Kunststofffolie eingefügt oder angeordnet sein. Die weitere oder zusätzliche Metallfolie beziehungsweise Kunststofffolie können einen Kühlkanal oder Medienkanal bilden. Damit kann ein Kühlmedium oder ein gasförmiges Medium transportiert oder geleitet werden. Die weitere Metallfolie und/oder Kunststofffolie können insbesondere zusammen mit der Wölbung der ersten Teilplatte und/oder zusammen mit der Wölbung der zweiten Teilplatte den Kühlkanal oder Medienkanal für das Kühlmedium und/oder gasförmiges Medium bilden. Die Ausführungsform mit der zusätzlichen Metallfolie oder Kunststofffolie bietet den Vorteil, dass die anderen Metallfolien oder Metallplatten einfacher strukturiert sein können, also weniger komplex sein können.
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Eine zusätzliche oder alternative Ausführungsform sieht eine Bipolarplatte mit einer Gasdiffusionsschicht vor. Die Gasdiffusionsschicht ist jeweils auf der Außenseite der ersten und zweiten Teilplatte angeordnet und liegt auf den elektrisch leitfähigen Partikeln auf. Dabei bilden die elektrisch leitfähigen Partikel eine ebene Kontaktfläche zu der Gasdiffusionsschicht aus. Die Gasdiffusionsschicht kann alternativ als eine Komponente einer Brennstoffzelle betrachtet werden. Die Gasdiffusionsschicht kann beispielsweise ein Vlies aus gepresstem Kohlenstoff sein. Sie kann zum Beispiel eine Carbonplatte sein. Ohne die Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln und Kunststoffmatrix würde diese Gasdiffusionsschicht zum einen instabil auf der Wölbung aufliegen. Darüber hinaus wäre die daraus resultierende Kontaktfläche ohne diese Schicht deutlich kleiner als mit dieser Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln und Kunststoffpartikeln. Eine größere Kontaktfläche kann einen effizienteren Ladungstransport ermöglichen.
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Die Vorteile, Merkmale und Beispiele zu den bereits geschilderten Weiterbildungen des Verfahrens gelten sinngemäß und analog für die beschriebenen Ausführungsformen sowie umgekehrt. Somit können entsprechende Vorteile, Beispiele und Merkmale der Ausführungsformen zu der Teilplatte und Bipolarplatte sinngemäß und analog auf das Verfahren übertragen werden. Ebenso können Verfahrensmerkmale als entsprechende Vorrichtungsmerkmale interpretiert werden. Die jeweiligen Weiterbildungen des Verfahrens weisen somit insbesondere gegenständliche Vorrichtungsmerkmale auf, um das Verfahren durchzuführen. Somit können Merkmale, Vorteile und Beispiele des Verfahrens sinngemäß und analog auf die Ausführungsformen übertragen werden.
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Die Erfindung wird nun mithilfe der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen stellen bevorzugt die Ausführungsformen beziehungsweise Verfahrensschritte der Erfindung dar. Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen lediglich Beispiele zur Erfindung angeben, ohne die Erfindung einzuschränken.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung zur Herstellung einer Teilplatte oder Bipolarplatte;
- 2 eine vergrößerte schematische Darstellung der elektrisch leitfähigen Partikel im Bereich eines Kühlkanals der Bipolarplatte; und
- 3 eine schematische Zeichnung einer Bipolarplatte im Bereich jeweiliger Wölbungen.
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1 zeigt beispielhaft wie eine Teilplatte 20 hergestellt werden kann. Die 1 weist die Bereiche A, B und C auf. Zunächst werden die erforderlichen Komponenten bereitgestellt. Dies ist im Bereich A der 1 gezeigt. Zur Durchführung des Verfahrens werden ein erstes Gesenk G1, ein zweites Gesenk G2, eine Kunststofffolie 14 sowie eine Metallfolie 10 bereitgestellt. Die Metallfolie 10 kann zuvor umgeformt werden. Idealerweise wird die Metallfolie 10 in Abhängigkeit von einer Form des zweiten Gesenks G2 oder einer vorgegebenen Struktur für Kühlkanäle 18 der Teilplatte 20 umgeformt. Die Kühlkanäle 18 sind insbesondere auf einer Innenseite 18 der Teilplatte 20 angeordnet. Die Innenseite 18 der Teilplatte entspricht insbesondere der Innenseite 18 der Metallfolie 10.
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Zur Durchführung des Verfahrens werden ein elektrisch leitfähiges Pulver 12 oder elektrisch leitfähige Partikel 12 in jeweilige Kavitäten des ersten Gesenks G1 eingefüllt oder angeordnet. Die elektrisch leitfähigen Partikel 12 in dem ersten Gesenk G1 bilden insbesondere eine Schicht aus. Im Beispiel von 1 weist das erste Gesenk G1 genau zwei Kavitäten auf. Diese Kavitäten sowie die entsprechenden Negativformen des zweiten Gesenks G2 beeinflussen eine Kühlkanalstruktur der späteren Bipolarplatte. Bevorzugt werden die Komponenten elektrisch leitfähiges Pulver 12, die Kunststofffolie 14 sowie die Metallfolie 10 in der in 1 gezeigten Reihenfolge in der Kavität platziert beziehungsweise angeordnet. Das elektrisch leitfähige Pulver 12 kann insbesondere dasselbe sein wie die elektrisch leitfähigen Partikel 12. Auf diese Weise kann die Kunststofffolie 14 zwischen der Schicht des elektrisch leitfähigen Pulvers 12 und der Metallfolie 10 angeordnet werden.
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Die Metallfolie 10 kann je nach Dicke auch als Metallplatte bezeichnet werden. Eine Dicke der Metallfolie 10 kann im Bereich von etwa 100 µm liegen. Wurden diese Komponenten, wie im Bereich A gezeigt, entsprechend angeordnet, so wird das erste Gesenk G1 mit dem zweiten Gesenk G2 verpresst. Dies ist im Bereich B der 1 schematisch gezeigt. Links der beiden Gesenke sind zwei Pfeile angedeutet. Diese beiden Pfeile stellen symbolisch den Prozess des Zusammendrückens oder Verpressens dar. Das Verpressen erfolgt bevorzugt unter Einwirkung von Wärme. Dabei wird insbesondere eine Temperatur erzielt, welche die Kunststofffolie 14 schmelzen lässt. Aufgrund des Schmelzvorgangs der Kunststofffolie 14 kann sich die Struktur der Kunststofffolie 14 in eine Kunststoffmatrix 15 ändern. Die Kunststoffmatrix 15 weist somit insbesondere Kunststoffpartikel 15 auf. Die Bezugszeichen 14 und 15 haben somit beide einen Bezug zu der Kunststofffolie. Während das Bezugszeichen 14 die noch nicht geschmolzene Kunststofffolie bezeichnet, werden mit dem Bezugszeichen 15 die geschmolzene Kunststofffolie, die Kunststoffmatrix 15 beziehungsweise die darin enthaltenen Kunststoffpartikel 15 angesprochen. Die Kavitäten in dem ersten Gesenk G1 weisen, wie im Bereich A gezeigt ist, eine ebene Grundfläche auf.
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Bei dem Vorgang des Verpressens beziehungsweise Schmelzens der Kunststofffolie verflüssigt sich die Kunststofffolie 14 und kann in den Bereich der elektrisch leitfähigen Partikel 12 diffundieren oder dorthin fließen. Nach Abschluss des Verpressens und einer Abkühlungsphase hat sich die Kunststofffolie 14 zu der Kunststoffmatrix 15 verfestigt. Dazu kann eine Zeitspanne zum Abkühlen nötig sein, damit sich die Kunststoffmatrix 15 bildet. Die Kunststoffmatrix 15 fixiert insbesondere die elektrisch leitfähigen Partikel 12 an der Metallfolie 10. Die Kunststoffmatrix 15 kann in ihrer Wirkung zumindest teilweise als Klebstoff betrachtet werden, der das elektrisch leitfähige Pulver 12 an der Metallfolie festhält oder dort fixiert. So kann die Schicht des elektrisch leitfähigen Pulvers 12 an der Metallfolie 10 fixiert werden. Die so hergestellte Teilplatte 20 kann aus dem ersten Gesenk G1 entnommen werden. Eine zweite Teilplatte 21 kann auf dieselbe Weise erzeugt werden.
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Diese beiden Teilplatten 20, 21 werden bevorzugt zu der Bipolarplatte 30 verbunden. Das Verbinden dieser beiden Teilplatten 20, 21 kann beispielsweise mittels einer Laserablation 17 oder mit Hilfe eines gleichwertigen Schweißprozesses erfolgen. Bevorzugt werden diese beiden Teilplatten 20, 21 so verschweißt, dass die jeweiligen Wölbungen der beiden Teilplatten 20, 21 passgenau aufeinanderliegen. So kann der Kühlkanal 18 für die Bipolarplatte 30 geschaffen werden.
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2 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Bereich der elektrisch leitfähigen Partikel 12 oberhalb der Wölbung der ersten Teilplatte 20. Die in 1 gezeigte Wölbung ist zur einfacheren Darstellung in 2 nicht gezeigt. Der Kühlkanal 18 kann durch die beiden Metallfolien 10 gebildet werden. An der Außenseite der Metallfolie 10 schließt sich insbesondere die Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln 12 sowie der Kunststoffmatrix 15 an. Die Form dieser Schicht kann, wie in 1 gezeigt ist, zur Seite hin eine größere Dicke aufweisen. Diese Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln 12 und Kunststoffmatrix 15 weist senkrecht zu der Metallfolie 10 eine Innenseite und eine Außenseite auf. Die Innenseite dieser Schicht hat einen Kontakt zu der Metallfolie 10.
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Die Außenseite dieser Schicht grenzt an eine weitere Komponente der Brennstoffzelle an. Diese weitere Komponente ist im Beispiel der 2 eine Gasdiffusionsschicht 16. Die Außenseite der Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln 12 und Kunststoffmatrix 15, welche die Gasdiffusionsschicht 16 kontaktiert, wird als Landing-Zone 13 bezeichnet. Diese Schicht, also die Landing-Zone 13, ist bevorzugt planar beziehungsweise eben zu der Gasdiffusionsschicht 16 ausgeführt. Damit kann ein besserer elektrischer Kontakt zu der Gasdiffusionsschicht 16 erzeugt werden. Somit kann der Übergangswiderstand reduziert werden, was geringere Verluste bedeuten kann.
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Die in 2 gezeigte Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln 12 und Kunststoffmatrix 15 kann eine Struktur mit in Bezug zu der Metallfolie 10 seitlichen Außenseiten aufweisen, welche senkrecht zu der Landing-Zone 13 und/oder Metallfolie 10 ausgebildet sind. Die Außenseiten können der Form eines Rechtecks folgen. Dies ist beispielhaft in 1 im Bereich C gezeigt. Mit Hilfe einer derartigen Struktur mit ebener Landing-Zone 13 kann ein Bauraum der Brennstoffzelle besser ausgenutzt werden. So kann mehr Durchsatz an Gasen wie Sauerstoff und Wasserstoff erzielt werden. Somit kann die aus den beiden Teilplatten 20, 21 resultierende Bipolarplatte 30 mehr Leistung bereitstellen.
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Im Idealfall erstreckt sich die Kunststoffmatrix 15 ausgehend von der Außenseite der Metallfolie 10 höchstens bis zu einem Rand der Landing-Zone 13, sodass innerhalb der Landing-Zone 13 keine Kunststoffmatrix 15 vorhanden ist. Anders ausgedrückt ragt die Kunststoffmatrix 15 bevorzugt nicht innerhalb des Bereichs der Landing-Zone 13 hinein. Die Landing-Zone 13 kann als Raumgebiet oder Flächenbereich verstanden werden, dessen Volumen insbesondere kleiner ist als ein Volumen der elektrisch leitfähigen Partikel 12 oder ein Volumen der Kunststoffmatrix 15. Das Raumgebiet der Landing-Zone 13 grenzt insbesondere unmittelbar in Richtung der Metallfolie 10 an den Materialverbund aus Kunststoffmatrix 15 und elektrisch leitfähigen Partikel 12 an. Das Raumgebiet oder der Bereich der Landing-Zone 13 beinhaltet bevorzugt keine Kunststoffpartikel 15, sondern nur die elektrisch leitfähigen Partikel 12 und grenzt in die entgegengesetzte Richtung bevorzugt unmittelbar an die Gasdiffusionsschicht 16 an.
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Eine Dicke der Kunststoffmatrix 15 kann insbesondere kleiner sein als eine Dicke der Landing-Zone 13. Die Dicke der Kunststoffmatrix 15 kann insbesondere durch eine Ausdehnung von der Seite der Metallfolie 10 mit der Kunststoffmatrix 15 bis zu einer Grenze zwischen Landing-Zone 13 und Kunststoffmatrix 15 definiert werden. Die Dicke der Landing-Zone 13 kann insbesondere durch eine Ausdehnung von der Grenze zwischen Kunststoffmatrix 15 und Landing-Zone 13 zu einer weiteren Komponente der Brennstoffzelle definiert werden. Im Beispiel von 2 ist die weitere Komponente die Gasdiffusionsschicht 16.
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Dies bedeutet insbesondere, dass im Bereich der Landing-Zone 13 ausschließlich elektrische Partikel 12 angeordnet sind. Ist beispielsweise ein Herstellungsprozess nicht optimal ausgeführt worden, und sind Kunststoffpartikel 15 in an der ebenen Kontaktfläche der Landing-Zone 13 vorhanden, so können diese Kunststoffpartikel 15 beispielsweise durch die Laserablation 17 entfernt werden. Im Idealfall wurde vor dem Herstellungsprozess ein ideales Mengenverhältnis zwischen elektrisch leitfähigen Partikeln 12 und der Kunststofffolie 14 ermittelt. Ein solches ideales Mengenverhältnis sollte die in 2 gezeigte Struktur zur Folge haben. Die elektrisch leitfähigen Partikel 12 sollen durch die Kunststoffmatrix 15 an der Außenseite der Metallfolie 10 gehalten werden, und zugleich sollte die Kunststoffmatrix 15 sich nicht in die Landing-Zone 13 erstrecken. Mittels der Laserablation 17 können etwaige Abweichungen korrigiert werden.
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3 zeigt beispielhaft eine Struktur der Bipolarplatte 30. 3 stellt eine Vergrößerung des Bereichs C der 1 dar. Eine gestrichelte Linie, welche den Kühlkanal 18 in zwei Hälften teilt, stellt eine Grenze der jeweiligen Teilplatten 20 und 21 dar. In 3 ist auf der linken Seite ein Schichtaufbau aus elektrisch leitfähigen Partikeln 12 und Kunststoffmatrix 15 gezeigt, während im rechten Bereich der 3 dieser Schichtaufbau fehlt. Die Metallfolie 10 verläuft im Bereich des Kühlkanals 18 konvex beziehungsweise konkav. Aufgrund dieser Wölbungen kann der Kühlkanal 18 gebildet werden. Die gestrichelte Linie durch den Kühlkanal 18 kann zugleich als eine vorgegebene Grundfläche der Metallfolie 10 aufgefasst werden. In senkrechter Richtung zu dieser Grundfläche liegen die elektrisch leitfähigen Partikel 12 an der Außenseite der Metallfolie 10 auf. Diese Schicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln 12 und Kunststoffmatrix 15 (Materialverbund) erstreckt sich in senkrechter Richtung zu der Grundfläche der Metallfolie 10 bis zu der Landing-Zone 13. Innerhalb des Bereichs der Landing-Zone 13 sind bevorzugt ausschließlich die elektrisch leitfähige Partikeln 12 angeordnet. Die Landing-Zone 13 repräsentiert insbesondere ein Ende der Schicht des Materialverbunds aus elektrisch leitfähigen Partikeln 12 und Kunststoffmatrix 15.
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Unter der Landing-Zone 13 in Richtung zu der Metallfolie 10 können Kunststoffpartikel 15 angeordnet sein, um eine stabile Struktur der elektrisch leitfähigen Partikel 12 beziehungsweise des Materialverbunds zu bilden. Bevorzugt beinhaltet die Landing-Zone 13 eine ebene Fläche zum Kontaktieren an die Gasdiffusionsschicht 16. In senkrechter Richtung nach außen zu der Landing-Zone 13 schließt sich im Beispiel von 3 die Gasdiffusionsschicht 16 an. Aufgrund der ebenen Fläche der Landing-Zone 13 zu der Gasdiffusionsschicht 16 kann so ein verbesserter elektrischer Übergang von den elektrisch leitfähigen Partikeln 12 zu der Gasdiffusionsschicht 16 erzeugt werden.
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Im rechten Bereich der 3 ist dargestellt, welchen Vorteil der links gezeigte Schichtaufbau hat. Dort ist gestrichelt ebenfalls die Gasdiffusionsschicht 16 angedeutet. Es ist deutlich zu erkennen, dass links bei den durch die Kunststoffmatrix 15 gehaltenen elektrisch leitfähigen Partikeln 12 eine größere Kontaktfläche zu der Gasdiffusionsschicht 16 gegeben ist als im Vergleich zu dem Beispiel im rechten Teil der 3 ohne entsprechende Sicht aus elektrisch leitfähigen Partikeln 12 beziehungsweise Kunststoffpartikeln 15.
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Bei bisherigen metallischen Bipolarplatten 30 wird in der Regel der Radius der Kanäle so groß gewählt, dass keine Risse auftreten. Dabei tritt ein Verlust an Kontaktfläche zwischen der Landing-Zone 13 und der Gasdiffusionsschicht 16 ein. Die Metallfolie 10 der Bipolarplatte 30 kann eine Dicke von 10 bis 100 µm, bevorzugt eine Dicke von 10 bis 50 µm Dicke aufweisen.
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Diese Struktur weist bevorzugt die Landing-Zone 13 auf, die zu der Gasdiffusionsschicht 16 eben ausgebildet ist. Daraus können sich bauraumtechnische Vorteile ergeben. Die Partikel der Kunststoffmatrix 15 lassen sich einfacher und filigraner als umgeformtes Metall ausbilden, und diese Kunststoffpartikel 15 haben in der Regel kein Rücksprungverhalten. Eine Ausdünnung der Metallfolie 10 kann vermieden werden. Zugleich können dünnere Metallfolien 10 eingesetzt werden. Bisher sind Metallfolien 10 mit einer Dicke von 100 µm im Einsatz. Mithilfe dieser Erfindung können Metallfolien 10 mit einer Dicke von 10 bis 50 µm eingesetzt werden. Die Kunststofffolie 14 beziehungsweise die Kunststoffmatrix 15 kann die Metallschicht vor Wasser beziehungsweise Wasserdampf und Korrosion schützen. Die Metallschicht beziehungsweise Metallfolie 10 verhindert eine Diffusion der Prozessgase und ist im Hinblick auf einen Abtrag durch das Kühlmedium widerstandsfähiger.
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Somit können mit dieser Erfindung feinerer Strukturen im Bereich der Bipolarplatte 30 dargestellt werden. Gegenüber Carbon-Platten und anderen Beispielen lassen sich stabilere und dünnere Bipolarplatten 30 erzeugen. Dies kann zu geringeren Herstellkosten führen. Rissbildung und Sprödbruch können vermieden werden, und dadurch kann sich ein einfacheres Handling und Aufschichten der Bipolarplatten 30 ergeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014226567 A1 [0009]
- DE 102010055996 B4 [0010]
