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Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Komponenten eines Brennstoffzellenstapels nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für Bipolarplatten für einen Brennstoffzellenstapel.
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Die Herstellung von Komponenten für Brennstoffzellenstapel, insbesondere von Bipolarplatten oder Teilen von Bipolarplatten für einen Brennstoffzellenstapel aus einem Gemisch aus Kunststoff und wenigstens einem elektrisch leitenden Füllstoff, ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden hierfür entsprechende Pressen eingesetzt, bei denen durch Heißpressen mit elektrisch leitenden Füllstoffen versehene Duromere in einem relativ langwierigen Prozess über 30 bis 90 Sekunden heißgepresst werden. Alternativ dazu können auch Kaltpressen eingesetzt werden, um derartige Komponenten auf der Basis von Thermoplasten herzustellen. Dies hat den Nachteil einer deutlich geringeren Festigkeit. Auch weitere Verfahren wie beispielsweise das Rotationsprägen von Sheet Mold Compounds ist prinzipiell möglich, dies erfordert jedoch relativ hohe Wandstärken, welche letztlich zu einer geringen Energiedichte in dem so hergestellten Brennstoffzellenstapel führen, und welche hinsichtlich der geometrischen Formgebung sehr stark eingeschränkt sind. Alternativ dazu ist die Verwendung von anderen Kunststoffen wie z.B. Lacken oder Ähnlichem möglich. Diese sind dann häufig auf Trägerfolien aus einem weiteren Kunststoff angeordnet.
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Darüber hinaus ist es aus dem Stand der Technik in Form der
WO 01/60593 A2 bekannt, elektrisch leitendes Kompositmaterial als Rohling über eine sogenannte Doppelbandpresse herzustellen. Für die Herstellung von Komponenten ist das System jedoch aufgrund der geringen Drücke und der nur schwer zu synchronisierenden Bänder ungeeignet.
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Zum weiteren Stand der Technik kann ferner auf die
EP 2 801 121 B1 hingewiesen werden. Dort ist ein Verfahren zur Herstellung einer Flow Field Platte aus Graphit und Harz beschrieben, bei welcher ein solches Gemisch aufgeschmolzen wird. Hierfür wird das Gemisch entsprechend extrudiert und in eine Form mit einer Vielzahl von Flow Fields eingebracht, welche dann zu Einzelplatten zerteilt werden. Die Form ist dabei ein formgebendes Werkzeug zur Erzeugung der gewünschten Strukturen der Flow Fields in einer mit ihnen versehenen Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel. Das Aufschmelzen des Materials und das anschließende Aushärten in einer Form ist ebenfalls relativ aufwändig und zeitintensiv. Beim Aushärten in der Form können außerdem durch Schwindungsprozesse des flüssig eingefüllten Materials unerwünschte Formabweichungen kaum vermieden werden, was insbesondere in Stapelrichtung relativ große Materialstärken notwendig macht, um die Funktionalität des Flow Fields sicherzustellen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein möglichst energie- und zeiteffizientes Herstellungsverfahren für Komponenten und/oder Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstapels aus einem Gemisch von wenigstens einem Kunststoff und wenigstens einem elektrisch leitenden Füllstoff anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren für Komponenten eines Brennstoffzellenstapels gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Variante des Herstellungsverfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird außerdem durch ein Herstellungsverfahren für Bipolarplatten gemäß dem Anspruch 8 gelöst. Auch hier ergibt sich eine besonders günstige und vorteilhafte Weiterbildung durch den hiervon abhängigen Unteranspruch. Günstige Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche für beide Herstellungsverfahren Verwendung finden können, sind in den weiteren abhängigen Unteransprüchen 10 bis 12 für beide Herstellungsverfahren angegeben.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für Komponenten eines Brennstoffzellenstapels setzt, ähnlich wie das Verfahren im oben genannten Stand der Technik, eine Doppelbandpresse ein. Anstatt wie dort lediglich einen bahnförmigen Rohling zu produzieren, wird bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ein bahnförmiger ungehärteter oder noch nicht vollständig ausgehärteter Rohling aus dem Gemisch einer isochoren Doppelbandpresse mit Einzelsegmenten zugeführt. Jedes der Einzelsegmente dieser speziellen Art von Doppelbandpresse weist dabei eine formgebende Struktur zur Formgestaltung des Rohlings beim Durchlaufen der Doppelbandpresse auf. Die Einzelsegmente auf den beiden Bändern der Doppelbandpresse verriegeln sich dabei während des Pressvorgangs über korrespondierende Verriegelungselemente und sind damit während des Pressens zuverlässig und wiederholgenau zueinander positioniert.
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Das Herstellungsverfahren ermöglicht es also in einer speziellen Doppelbandpresse mit Einzelsegmenten, welche sich während des Prozessvorgangs miteinander verriegeln, positionsgenau die formgebenden Strukturen während des Pressvorgangs in dem Rohling abzubilden. Dies ist dabei ein kontinuierlicher Prozess, bei welchem keine komplexe Handhabung fragiler noch nicht (vollständig) ausgehärteter Bauteile notwendig ist. Vielmehr entstehen diese Bauteile bis zur endgültigen Aushärtung in den entsprechenden isochoren Doppelbandpressen. Dies erlaubt einen kontinuierlichen Herstellungsprozess, welcher in kurzer Zeit hohe Mengen an Komponenten liefern kann. Prozesszeiten von deutlich unter 0,5 Sekunden je Komponenten sind so möglich. Die Komponenten können dabei sowohl einseitig als auch - bevorzugt - auf beiden Seiten mit einer durch die Einzelsegmente eingebrachten Struktur versehen sein.
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Damit lassen sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens insbesondere anodenseitige und kathodenseitige Hälften von Bipolarplatten und/oder Interfaceplatten für einen Brennstoffzellenstapel herstellen. Die benötigte Struktur der Strömungsfelder bzw. Flow Fields sowie Anschlussöffnungen und Verteilstrukturen können mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren effizient und formgenau erstellt werden.
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Die Einzelsegmente können dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens in der Doppelbandpresse austauschbar montiert sein, um so auf verschiedene Anforderungen oder Änderungen der Geometrie der Komponenten, insbesondere der Hälften von Bipolarplatten, einfach und schnell reagieren zu können.
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Dabei kann gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung wenigstens eines der Einzelsegmente eine von der formgebenden Struktur der anderen Einzelsegmente abweichende formgebende Struktur aufweisen. Vorzugsweise können die Doppelbandpresse mit den Einzelsegmenten relativ groß ausgebildet sein. Somit kann eine derartige Doppelbandpresse beispielsweise zur Herstellung der kathodenseitigen Hälften der Bipolarplatten und eine weitere benachbart angeordnete Doppelbandpresse zur Herstellung der anodenseitigen Hälften der Bipolarplatten eingesetzt werden. Wird ein aus diesen Bipolarplatten aufgebauter Brennstoffzellenstapel bzw. Stack beispielsweise mit einer Gesamtzahl von 250 bis 300 Einzelzellen ausgebildet, so kann eine korrespondierende Anzahl von Einzelsegmenten alle benötigten Hälften von Bipolarplatten in einem einzigen Durchlauf bzw. Umlauf der Bänder herstellen. Ist dabei eines der Einzelsegmente so ausgebildet, dass dieses anstelle einer Halbschale für eine Bipolarplatte eine Halbschale für eine Interfaceplatte ausbildet, also die den Brennstoffzellenstapel jeweils abschließende Platte, dann lässt sich einfach und effizient ein Satz von Bipolarplatten und Interfaceplatten für einen gesamten Brennstoffzellenstapel in einem einzigen Umlauf von zwei derartigen Doppelbandpressen herstellen. Es ist dann auch keine anschließende Sortierung und/oder Umschichtung der Hälften notwendig. Zur Vereinfachung sind im Text häufig nur Bipolarplatten erwähnt, dies soll aber, wo immer das sinnvoll ist, auch die entsprechenden Interfaceplatten mit einschließen.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens sieht es dabei vor, dass die Einzelsegmente zumindest eines der Bänder der isochoren Doppelbandpresse drehbeweglich auf einem umlaufenden Band fixiert sind. Diese Drehbeweglichkeit der Einzelsegmente zumindest eines Bandes macht es möglich, dass diese bis zu einem gewissen Grad unabhängig von der Ausrichtung des Bandes im jeweiligen Bereich sich so drehen, dass ein Eingriff der korrespondierenden Verriegelungselemente zweier aufeinander treffender Einzelsegmente erleichtert wird.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon können sie sich durch die Schwerkraft zu den Einzelsegmenten des anderen Bandes im Einlaufbereich der Presse ausrichten. Sie können also entsprechend über eine drehbewegliche Fixierung so aufgenommen sein, dass sie sich durch die Schwerkraft horizontal auszurichten und mit den am anderen Band entsprechend ausgerichteten oder dort entsprechend fixierten Einzelsegmenten zuverlässig und ortsgenau zusammenzuwirken. Durch ein solches horizontales Aufeinandertreffen der Einzelsegmente wird eine hohe Formgenauigkeit beim Pressen der insbesondere beidseitig strukturierten Komponenten erzielt.
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Das bevorzugte Herstellungsverfahren für Bipolarplatten gemäß der Erfindung sieht es dann vor, dass über zwei oder mehr isochore Doppelbandpressen mit Einzelsegmenten jeweils kathodenseitig und anodenseitig Hälften für die Bipolarplatten hergestellt werden, insbesondere nach einem der oben genannten Ausgestaltungsvarianten. Im Anschluss werden dann diese Hälften in einem weiterhin kontinuierlichen Prozess in einer herkömmlichen isobaren Doppelbandpresse miteinander verklebt. Auch hier ist keine getrennte Handhabung der Elemente notwendig. Vielmehr können diese aus den beiden isochoren Doppelbandpressen der einen isobaren Doppelbandpresse direkt und ohne umsetzen oder zwischenlagern zugeführt und in der gewünschten Art und Weise miteinander verklebt werden.
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Der Kleber vor dem Erreichen der isobaren Doppelbandpresse wird vorzugsweise unter Zuhilfenahme der Schwerkraft beispielsweise über ein Siebdruckverfahren oder ähnliches auf die bei der bestimmungsgemäß Verwendung in Richtung der Schwerkraft von unten zugeführten Hälften der Bipolarplatten entsprechend aufgetragen, sodass die Bipolarplatten in der nachfolgenden isobaren Doppelbandpresse zuverlässig miteinander verklebt werden. Dies erlaubt eine einfache Herstellung der gesamten Bipolarplatten in einem kontinuierlichen, sehr zuverlässigen und außerordentlich schnellen Prozess.
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Auf der dem Pressvorgang abgewandten Seite der Bänder können, falls die Bänder entsprechend strukturiert sind, weitere Elemente appliziert werden, beispielsweise Dichtungen, welche zur späteren Abdichtung der Einzelzellen dienen und eine Dichtwirkung zwischen der jeweiligen Bipolarplatte und der ihr benachbarten sogenannten Membranelektrodenanordnung (MEA - Membrane Electrode Assembly) oder vorzugsweise einer gerahmten Membranelektrodenanordnung (MEFA - Membrane Electrode Frame Assembly) zu gewährleisten. Das Dichtmaterial kann entsprechend in die geätzten Strukturen der Bänder aufgenommen und in der isobaren Doppelbandpresse auf die Bipolarplatten appliziert werden, sodass diese nicht nur aus ihren Hälften miteinander verklebt sondern auf wenigstens einer oder bevorzugt beiden ihrer nach außen gewandten Seiten gleichzeitig mit der benötigten Dichtung fest verbunden werden.
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In beiden Varianten der bei den beiden beschriebenen Herstellungsverfahrenen eingesetzten Doppelbandpressen, also sowohl bei der isobaren Doppelbandpresse zum Verkleben der Hälften als auch bei der isochoren Doppelbandpresse zur Herstellung der Komponenten oder bevorzugt der Hälften, können dabei im Bereich der jeweiligen Doppelbandpresse in Richtung des Materialflusses Zonen unterschiedlicher Temperatur vorgesehen werden. Hierdurch lassen sich unterschiedliche Ansprüche an die jeweils während der Herstellung ablaufenden Prozesse einfach und effizient innerhalb der Doppelbandpressen zusammenfassen. Insbesondere können dabei drei Zonen mit in Materialflussrichtung abnehmender Temperatur vorgesehen sein. Diese Zonen erlauben im Bereich der isobaren Doppelbandpresse beispielsweise das Verkleben, das anschließende Ausrichten und Abkühlen der Bipolarplatten, um so zuverlässig ebene Bipolarplatten aus den beiden miteinander verklebten Hälften zu erhalten. Insbesondere im Bereich der isochoren Doppelbandpressen mit Einzelsegmenten können die Temperaturzonen insbesondere eine Temperaturzone für das Heißpressen der Strukturen in den bahnförmigen Rohling und eine anschließendes Abkühlen umfassen, insbesondere können auch dabei drei Temperaturzonen vorgesehen sein, welche in Materialflussrichtung heiße, warme und kalte Temperaturen für das Heißpressen und das langsame Abkühlen der Hälften bereitstellen.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung die für beide beschriebenen Herstellungsverfahren Anwendung finden kann, ist es, dass eine Station zur Nachbearbeitung der Komponenten oder der Bipolarplatten nach wenigstens einer der isochoren und/oder isobaren Doppelbandpressen vorgesehen wird, wobei die Nachbearbeitung insbesondere eine Laserbearbeitung beinhaltet. Über eine solche Laserbearbeitung können beispielsweise größere hergestellte Flächen in einzelne Elemente zerteilt werden. Es lassen sich auch auf der Oberfläche entsprechende Strukturen und/oder Mikrostrukturen erzeugen, um so bestimmte Bereiche der Bipolarplatten hydrophil oder hydrophob zu gestalten, je nach Design der entsprechenden Hälften der Bipolarplatten. Außerdem lassen sich auf diese Art auch Strukturen schaffen, welche insbesondere bei der Herstellung der Hälften der Bipolarplatten Strukturen erzeugen, welche eine bessere Anhaftung der Bipolarplatten aneinander beim abschließenden Verkleben der Hälften zu den Bipolarplatten oder das bessere Anhaften von nachfolgend applizierten Dichtungen an den Bipolarplatten ermöglichen. Weitere Nachbearbeitungen können auch eine Reinigung mit Heißdampf, eine Plasmabehandlung oder ähnliches umfassen. Insbesondere auch ein Schneiden oder Abknicken von Einzelkomponenten entlang von vorgegebenen Sollbruchstellen zur Separierung der einzelnen Komponenten und/oder Bipolarplatten im Rahmen einer solchen Nachbearbeitung ist in dem kontinuierlichen Herstellungsprozess denkbar und möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Verfügen von vorkonfektionierten Membran-Elektrodeneinheiten mittels der im vorhergegangenen Fertigungsprozess hergestellten Bipolarplatten oder Interfaceplatten durch einen kontinuierlichen Doppelbandpressenprozess. Dabei wird die aus der Membran-Elektrodeneinheit und verklebter und gedichteter Bipolarplatte oder Interfaceplatte kontinuierlich mit Hilfe einer DBP miteinander gefügt, wobei bei einer isochoren Presse bevorzugt ein Aushärten von zuvor aufgebrachtem Klebstoff erfolgt und bei einer isobaren Presse bevorzugt ein Injizieren von Dichtwerkstoff in ein Formwerkzeug erfolgt.
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Dabei zeigen:
- 1 eine isochore Doppelbandpresse mit Einzelsegmenten in einer schematischen Darstellung;
- 2 eine schematische Vergrößerung eines Ausschnitts aus 1;
- 3 eine schematische Vergrößerung eines Ausschnitts aus 2;
- 4 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte in der Draufsicht;
- 5 eine isobare Doppelbandpresse; und
- 6 ein schematisch angedeuteter Verfahrensaufbau zur Herstellung von Bipolarplatten.
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In der Darstellung der 1 ist in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnete Doppelbandpresse dargestellt. Sie besteht aus einem Bandaufbau im oberen und einem Bandaufbau im unteren Bereich. Ein Grünling 2 als bahnförmiger Rohling beispielsweise aus einem Kunststoff und einem elektrisch leitenden Füllstoff wird in die Doppelbandpresse 1 eingeführt und von dieser in einer mit m bezeichneten Materialflussrichtung durch die Doppelbandpresse gefördert. Die Doppelbandpresse 1 in der Darstellung der 1 ist dabei als sogenannte isochore Doppelbandpresse 1 ausgebildet. Sie weist auf ihren Bändern 3 jeweils eine Vielzahl von Einzelsegmenten 4 auf, welchen nur schematisch angedeutet sind. Davon sind nur einige mit dem Bezugszeichen 4 versehen.
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Ein solcher Aufbau einer Doppelbandpresse 1 mit Einzelsegmenten 4 ermöglicht es nun, in die Einzelsegmente 4 formgebende Strukturen einzubringen, um so diese Strukturen in den Grünling abzubilden und beispielsweise die kathodenseitigen oder anodenseitigen Hälften einer Bipolarplatte 5 oder einer Interfaceplatte herzustellen. Eine Bipolarplatte 5 ist dabei die zwischen den Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels liegende Platte, wobei in der Darstellung der 4 eine beispielhafte Ansicht einer solchen Bipolarplatte 5 gezeigt ist. Unter einer Interfaceplatte versteht man die jeweils letzte Platte des Zellenstapels, also die Platte, auf die benachbart keine weitere Einzelzelle folgt. Dies ist dann auf der an dem einen Ende des Brennstoffzellenstapels eine Anoden-Interfaceplatte und am andern Ende eine Kathoden-Interfaceplatte. Bei einem Brennstoffzellenstapel mit typischerweise 200 bis 400 Einzelzelle werden dementsprechend 200 bis 400 Bipolarplatten 5 und jeweils eine kathodenseitige und eine anodenseitige Interfaceplatte benötigt. Zur Vereinfachung sind nachfolgend immer nur Bipolarplatten 5 erwähnt, dies soll aber immer auch die entsprechenden Interfaceplatten mit einschließen.
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Eine solche Bipolarplatte 5 selbst, wie sie beispielhaft in einer Draufsicht in der Darstellung der 4 angedeutet ist, wird nun typischerweise aus zwei Hälften hergestellt, welche in Stapelrichtung miteinander verklebt sind. In der Darstellung der 4 ist eine Draufsicht auf die Bipolarplatte 5 und hier beispielsweise auf die anodenseitige Hälfte zu erkennen. Über eine mit 6 bezeichnete Öffnung in der Bipolarplatte 5 wird beispielsweise Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gas zugeführt und über das mit 7 bezeichnete Strömungsfeld bzw. Flow Field gleichmäßig auf die Einzelzelle bzw. die dort befindliche Membranelektrodenanordnung, welche den Kern der Einzelzelle bildet, verteilt. Restgas strömt über die Öffnung 8 wieder ab. Auf der gegenüberliegenden Seite dieser Hälfte ist ein entsprechendes Strömungsfeld für Kühlmedium ausgebildet, welches durch die Öffnung 9 zuströmt und durch die Öffnung 10 wieder abströmt. Die gegenüberliegende Hälfte, welche hier von der dargestellten Hälfte verdeckt ist, ist spiegelverkehrt ähnlich aufgebaut, sodass in dieser kathodenseitigen Hälfte über die Öffnung 11 Luft oder Sauerstoff zuströmt, über ein dort befindliches, auf der Rückseite der Darstellung in 4 befindliches Strömungsfeld verteilt wird und das Restgase bzw. Abgase über die Öffnung 12 wieder abströmen. Dieser Aufbau einer Bipolarplatte 5 ist für einen Brennstoffzellen-Fachmann allgemein bekannt, sodass hier nicht weiter darauf eingegangen werden muss.
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Die Einzelsegmente 4 der Doppelbandpresse 1 gemäß 1, von welchen einige in 2 nochmals in einer vergrößerten Darstellung zu erkennen sind, weisen im Bereich ihrer während des Pressvorgangs einander zugwandten Oberflächen nun also entsprechende Strukturen auf, um beispielsweise bei der anodenseitigen in 4 erkennbaren Hälfte der Bipolarplatte auf der Oberseite das Strömungsfeld 7 und auf der Rückseite ein entsprechendes Strömungsfeld für Kühlmedium auszubilden und insbesondere auch die Öffnungen bzw. Durchbrüche 6, 8, 9, 10, 11, 12 zu erzeugen, welche im späteren Brennstoffzellenstapel durchgehende Strömungskanäle ausbilden. Um nun einen ausreichenden Druck beim Verpressen und prägen der Strukturen beispielsweise in einen Rohlings 2 aus Graphit und einem Duromer zu gewährleisten und darüber hinaus gleichzeitig die Präzision zwischen der Vorderseite mit dem Strömungsfeld 7 und der Rückseite mit einem Strömungsfeld für das Kühlmedium am Beispiel der anodenseitigen Hälfte zu gewährleisten, sind die Einzelsegmente 4 nun so aufgehängt, dass sie zumindest während des Pressens zwischen den beiden Bändern 3 positionsgenau zueinander liegen.
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Hierfür sind die Einzelsegmente 4 vorzugsweise drehbar an dem Band 3, zumindest an dem bei der Herstellung oben liegenden Band 3, aufgehängt, sodass sie mit dem beispielsweise horizontal am unteren Band 3 zugeführten Einzelsegmenten 4 passgenau während des Pressens zusammentreffen. Um diese Passgenauigkeit zu gewährleisten, sind dabei, wie es in der Darstellung der 3, welche als weitere Vergrößerung der Darstellung der 2 zu verstehen ist, erkennbar ist, Verriegelungselemente 13 vorgesehen, welche die Einzelsegmente 4 passgenau zueinander positionieren, um so während des Pressens möglichst geringe Fertigungstoleranzen zwischen der einen und der anderen Seite der hergestellten Hälften von Bipolarplatten zu gewährleisten. Die Verriegelungselemente 13 können beispielsweise in Form der hier angedeuteten Stifte und - vorzugsweise trichterförmigen - Öffnungen realisiert sein, welche bei einer zunehmenden Annäherung der Einzelsegmente 4 zueinander ineinander eingreifen und somit die Einzelsegmente 4 und die in die jeweiligen Einzelsegmente 4 eingebrachten hier nicht dargestellten formgebenden Strukturen reproduzierbar in der gewünschten Position zueinander zu halten. Durch die Strukturen wird dann in der Art eines Pressens und Prägens die entsprechende Struktur in das Material des zugeführten Rohlings 2 eingebracht, sodass am Ende der Doppelbandpresse 1 in Richtung des Materialflusses m die entsprechenden Hälften der Bipolarplatten 5 formstabil hergestellt sind.
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Die Doppelbandpresse 1 weist dafür vorzugsweise in Materialflussrichtung m aufeinanderfolgend drei Temperaturzonen auf, welche mit I, II und III in der Darstellung der 1 bezeichnet und mit strichpunktierter Linie eingezeichnet sind. In der ersten Temperaturzone I herrscht dabei eine entsprechende hohe Temperatur, sodass das Gemisch des Rohlings 2 durch einen Heißpressprozess in der isochoren Doppelbandpresse 1 gepresst und ausgehärtet wird, um so über die Einzelsegmente 4 die Form der einzelnen Hälften der Bipolarplatten 5 zu bestimmen. In der anschließenden mit II bezeichneten Zone herrscht eine etwas geringere Temperatur, um so das Material schonend abzukühlen, wobei durch den Verbleib zwischen den Einzelsegmenten 4 der Doppelbandpresse 1 gleichzeitig gewährleistet wird, dass die hergestellte Komponente sich während der Abkühlphase nicht verzieht, sondern eben und formgenau erzeugt werden kann. In der dritten mit III bezeichneten Temperaturzone herrscht dann wieder die Umgebungstemperatur der Vorrichtung, sodass ein weiteres Abkühlen erfolgt, bevor die so hergestellten Hälften der Bipolarplatten 5 die Doppelbandpresse 1.
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Anders als bei bisherigen Prozessen ist dabei die Herstellung der Hälften der Bipolarplatten 5 in der Doppelbandpresse gemäß 1 kontinuierlich möglich, sodass beispielsweise bei jedem Umlauf der Bänder 3 die Bipolarplattenhälften für einen Brennstoffzellenstapel hergestellt werden können. Der Einsatz der Einzelsegmente 4, welche gegebenenfalls auch ausgetauscht werden können, um so die Anlage schnell an Änderungen im Design anzupassen, ermöglicht es außerdem, beispielsweise bei einer der Anzahl von Einzelzellen entsprechenden Anzahl von Einzelsegmenten 4 alle benötigten Hälften beispielsweise anodenseitig mit einer einzigen Umdrehung der Doppelbandpresse 1 herzustellen, wobei vorzugsweise eines der Einzelsegmente 4 die Formgebung für eine Interfaceplatte realisiert, sodass diese unmittelbar mit hergestellt werden kann, ohne das hierfür ein aufwändiger und paralleler Prozess notwendig ist. Da diese Interfaceplatte typischerweise nur einmal je 200 bis 300 Hälften benötigt wird, wäre dies ansonsten mit einem erheblichen Aufwand verbunden und würde typischerweise eine parallel angeordnete aber sehr schlecht ausgelastete Fertigung notwendig machen.
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Ein weiterer Vorteil des Aufbaus der isochoren Doppelbandpressen 1 liegt darin, dass die Einzelsegmente 4, die auf der dem Pressvorgang abgewandten Seite, also beim oberen Band 3 oben und beim unteren Band 3 unten zurücklaufen, in dieser Phase leer sind. Sie können dort beispielsweise gereinigt werden, mit einem Trennmittel besprüht werden oder auch mit Einlegeteilen vorbereitet werden, um so auch den Rücklauf ideal zu nutzen und den Prozess insgesamt zu verbessern und zu beschleunigen.
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Die so hergestellten Hälften der Bipolarplatte 5 können dann, wie es in der Darstellung der 5 angedeutet ist, über eine isobare Doppelbandpresse 14 entsprechend miteinander verbunden werden. Der Aufbau ist im Wesentlichen derselbe wie bei der Doppelbandpresse 1, welche als isochore Doppelbandpresse mit Einzelsegmenten 4 ausgebildet ist. Es wird lediglich auf die Einzelsegmente verzichtet, sodass die Bänder 3 der isobaren Doppelbandpresse 14 das Verpressen der Schichten zueinander direkt übernehmen, wie dies prinzipiell aus dem Bereich der Doppelbandpressen bekannt ist. Dabei kommt von oben und mit 15 bezeichnet beispielsweise eine Bahn von anodenseitigen Hälften, während von unten bzw. in diesem Fall eben eine mit 16 bezeichnete Bahn mit kathodenseitigen Hälften zugeführt wird. Die einander zugewandten Seiten der anodenseitigen und kathodenseitigen Hälften der Bahnen 15, 16 sind dabei jeweils die Bereiche, zwischen den später das Kühlmedium strömt. Vorzugsweise auf der in Richtung der Schwerkraft unteren Bahn 16 ist außerdem ein Kleber 17 in einer vorgegebenen Struktur, beispielsweise über Siebdruck oder dergleichen, aufgetragen. Der Kleber wird typischerweise die äußeren Ränder der jeweiligen Hälfte der Bipolarplatte 5 umschließen, sowie die entsprechenden Öffnungen 6, 8, 11 und 12, welche nicht mit einem Strömungsfeld für das Kühlmedium in Verbindung stehen. Über diesen Kleber 17 werden also die einzelnen Hälften der späteren Bipolarplatte 5 miteinander verklebt. Dies erfolgt in der isobaren Doppelbandpresse 14 in einem weiterhin kontinuierlich laufenden und sich an die Herstellung der Hälften anschließenden Prozess, welcher so die Herstellung der Bipolarplatten 5 einfach, effizient und mit geringen Taktzeiten abschließt. Auch hier sind verschiedene Temperaturzonen I, II und III möglich, um z.B. Kleber zu aktivieren und/oder zu verflüssigen, auszuhärten und/oder die Bauteile auszurichten und gerichtet abkühlen zu lassen.
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Dabei ist es so, dass die Bänder 3 auf ihrem Rückweg, also beim oberen Teil der Doppelbandpresse 14 oben und beim unteren Teil der Doppelbandpresse 14 unten nicht mit dem zu verpressenden und zu verklebenden Materialien im Eingriff stehen. Hier ist es dann möglich, die Bänder entsprechend zu reinigen, Trennmittel aufzubringen oder dergleichen.
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Vorzugsweise kann es nun vorgesehen sein, dass die Bänder 3 jeweils eine Struktur aufweisen. Diese Struktur kann insbesondere als geätzte Struktur, welche über elektrochemische oder fotochemische Verfahren in die Bänder 3 eingeätzt ist, realisiert werden. Die Struktur kann beispielsweise die Form von später auf der Bipolarplatte 5 benötigten Dichtungen aufweisen, welche die Bipolarplatte gegenüber einer gerahmten Membranelektrodenanordnung (MEFA) entsprechend abdichten. Das Dichtmaterial kann beispielsweise in den angedeuteten und jeweils mit dem Bezugszeichen 18 bezeichneten Stationen aufgebracht werden. Zusätzlich zum Verkleben der beiden Materialien 15, 16 der jeweiligen Hälften der Bipolarplatten 5 kann nun also eine Dichtung auf die entsprechenden Oberflächen der Bipolarplatte 5 aufgebracht werden, um diese später gegenüber beiden benachbarten gerahmten Membranelektrodenanordnungen einfach und effizient abzudichten. Das aufgebrachte Dichtmaterial verbindet sich dann in der isobaren Doppelbandpresse 14, ggf. unter Temperatureinwirkung in einer der Zonen I, II oder III mit dem Material der einzelnen Bipolarplatten 5, sodass diese komplett fertig ausgebildet sind und lediglich noch in die Einzelplatten aufgeteilt werden müssen.
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In der Darstellung der 6 ist der gesamte Herstellungsprozess nochmals gezeigt. Den Kern bilden dabei zwei isochore Doppelbandpressen 1, welchen jeweils ein Rohling 2 zugeführt wird, welcher in weiteren optionalen Doppelbandpressen oder anderen geeigneten Vorrichtungen, welche hier mit 19 bezeichnet sind, hergestellt werden kann. Der Rohling 2 kann beispielsweise in der Art einer Folie eines bahnförmigen Grünlings aus nicht oder nicht vollständig ausgehärtetem Harz mit elektrisch leitenden Füllstoffen wie Graphit ausgebildet sein, prinzipiell aber auch aus anderen Kunststoffen wie Gelen, Lacken oder dergleichen, gegebenenfalls mit einer Folie oder dergleichen als Träger.
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Nach der jeweiligen isochoren Doppelbandpressen 1 mit Einzelsegmenten 4 kommen dann zwei optionale mit 20 bezeichnete Nachbearbeitungsstationen, welche beispielsweise genutzt werden können, um über eine Plasmabearbeitung, eine Laserbearbeitung oder ähnliches verschiedene Strukturen zu schaffen, beispielsweise um die Anhaftung des später aufgetragenen Klebers 17 zu verbessern, aber auch um gezielt innerhalb der Strömungsfelder hydrophobe oder hydrophile Bereiche zu schaffen, Durchbrüche auszuschneiden und/oder dergleichen. Das nun oben mit 15 und unten mit 16, analog zur Darstellung in 5 bezeichnete Material mit den anodenseitigen bzw. kathodenseitigen Hälften der Bipolarplatte 5, kommt dann im kontinuierlichen Ablauf der Herstellung zur isobaren Doppelbandpresse 14, wobei bei einem der Materialien, hier beim Material 16, in einer mit 21 bezeichneten Station zuvor beispielsweise durch Siebdruck der Kleber 17 an den gewünschten Stellen aufgetragen wird. Im Materialflussrichtung m nach der isobaren Doppelbandpresse 14 verlässt ein die gesamten Bipolarplatten 5 umfassendes Material 22, welches gegebenenfalls auch bereits mit Dichtungen, welche auf das Material der Bipolarplatten 5 aufgebracht sind, versehen ist, die Doppelbandpresse 14. Dieses Material 22 kann dann in einer weiteren optionalen Nachbearbeitungsstation 23 zu den einzelnen Bipolarplatten 5 vereinzelt werden, wie es in der Darstellung der 6 anhand von drei Bipolarplatten 5 schematisch angedeutet ist.
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Über ein solches Fertigungsverfahren, wie es beispielsweise in der Darstellung der 6 gezeigt ist, lassen sich in einem kontinuierlichen Prozess, ohne dass Materialien innerhalb der Fertigung manuell bewegt, zwischengelagert oder sortiert werden müssen, eine Vielzahl von Bipolarplatten 5 mit der passenden Anzahl von Interfaceplatten, welche vorzugsweise durch eine entsprechende Anordnung der Einzelsegmente 4 genau an der richtigen Stelle innerhalb der vereinzelten Bipolarplatten 5 zu liegen kommen, herstellen. Dabei sind hohe Herstellungsgeschwindigkeiten mit vier oder mehr Bipolarplatten 5 pro Sekunde problemlos zu erreichen, sodass eine sehr schnelle, effiziente und mit hoher Genauigkeit reproduzierbare Herstellung der Bipolarplatten 5 und Interfaceplatten möglich wird. Diese können dann unmittelbar nach der Nachbearbeitungsstation 23 in Einheiten für jeweils einen Brennstoffzellenstapel entsprechen verpackt werden, ohne dass ein weiteres Sortieren, Umschichten oder dergleichen notwendig wird. Dies gewährleistet einen sehr effizienten, einfachen und kostengünstigen Hochvolumenfertigungsprozess für die Bipolarplatten 5, beispielsweise aus einem mit Graphit gefüllten Duromer, wie einem Phenolharz, einem Epoxidharz oder ähnlichem. Die Bipolarplatten 5 sind dann auch entsprechend hoch belastbar, ohne den bisher üblichen Nachteil der sehr langsamen Fertigung derartiger mechanisch vorteilhafter Bipolarplatten 5.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 0160593 A2 [0003]
- EP 2801121 B1 [0004]
