DE102020204303A1 - Method of manufacturing bipolar plates for fuel cells and device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten (7) für Brennstoffzellen (1), umfassend folgende Schritte:a) Extrudieren einer Formmasse (60),b) Walzen der Formmasse (60) mittels mindestens eines ersten Walzenpaares (62), so dass eine erste Folie (64) gebildet wird,c) Walzen und Prägen der ersten Folie (64) mittels mindestens eines zweiten Walzenpaares (66), so dass eine zweite Folie (68) gebildet wird, wobei das mindestens eine zweite Walzenpaar (66) eine Walzenoberfläche (70) umfasst, die Walzenoberfläche (70) eine Mikrostruktur (72) aufweist und die Mikrostruktur (72) auf eine Strukturtemperatur TSerwärmt wird undd) ggf. Schneiden der zweiten Folie (68), so dass die Bipolarplatten (7) entstehen.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten.The invention relates to a method for producing bipolar plates (7) for fuel cells (1), comprising the following steps: a) extruding a molding compound (60), b) rolling the molding compound (60) by means of at least one first pair of rollers (62), so that a first film (64) is formed, c) rolling and embossing of the first film (64) by means of at least one second pair of rollers (66), so that a second film (68) is formed, the at least one second pair of rollers (66) being a The roller surface (70), the roller surface (70) has a microstructure (72) and the microstructure (72) is heated to a structure temperature TS and d) possibly cutting the second film (68) so that the bipolar plates (7) are produced The invention also relates to a device for producing bipolar plates.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen umfassend die Schritte Extrudieren einer Formmasse, Walzen der Formmasse mittels mindestens eines ersten Walzenpaares, so dass eine erste Folie gebildet wird, Walzen der ersten Folie mittels mindestens eines zweiten Walzenpaares, so dass eine zweite Folie gebildet wird, und gegebenenfalls Schneiden der zweiten Folie, so dass die Bipolarplatten entstehen. Die Erfindung ist ferner auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen gerichtet.The invention relates to a method for producing bipolar plates for fuel cells comprising the steps of extruding a molding compound, rolling the molding compound by means of at least one first pair of rollers so that a first film is formed, rolling the first film by means of at least one second pair of rollers, so that a second film is formed, and optionally cutting the second film, so that the bipolar plates are formed. The invention is also directed to an apparatus for producing bipolar plates for fuel cells.

Stand der TechnikState of the art

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.A fuel cell is an electrochemical energy converter. In known fuel cells, hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) in particular are converted into water (H 2 O), electrical energy and heat.

Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. PEM-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.Among other things, proton exchange membrane (PEM) fuel cells are known. PEM fuel cells have a centrally arranged membrane that is permeable to protons, i.e. hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is thereby spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.

Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als solid oxide fuel cells (SOFC) bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen und finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung.Solid oxide fuel cells, which are also referred to as solid oxide fuel cells (SOFC), are also known. SOFC fuel cells have a higher operating temperature and exhaust gas temperature than PEM fuel cells and are used in particular in stationary operation.

Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is fed to the anode of the fuel cell and is catalytically oxidized to protons, releasing electrons, which then reach the cathode. The released electrons are diverted from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit.

Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross response is: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

Durch eine Membran-Elektroden-Einheit, die auch als Membran-ElektrodenAnordnung oder membrane electrode assembly (MEA) bezeichnet wird, können die Membran und die Elektroden, insbesondere die Anode und die Kathode, konstruktiv zusammengefasst sein.The membrane and the electrodes, in particular the anode and the cathode, can be structurally combined by a membrane electrode unit, which is also referred to as a membrane electrode assembly (MEA).

Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden. Der Brennstoffzellenstapel kann von einem Gehäuse umgeben sein.A voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell. To increase the voltage, several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack, and electrically connected in series. The fuel cell stack can be surrounded by a housing.

Brennstoffzellenstapel weisen in der Regel Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten bezeichnet werden können. Sie dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Bipolarplatten weisen üblicherweise eine Oberflächenstruktur, beispielsweise kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Zusätzlich können Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.Fuel cell stacks generally have bipolar plates, which can also be referred to as gas distributor plates. They serve to distribute the fuel evenly to the anode and to distribute the oxidizing agent evenly to the cathode. Bipolar plates usually have a surface structure, for example channel-like structures, for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes. The channel-like structures serve to drain off the water produced during the reaction. In addition, bipolar plates can have structures for conducting a cooling liquid through the fuel cell in order to dissipate heat.

Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.In addition to the media flow with regard to oxygen, hydrogen and water, bipolar plates ensure a flat electrical contact with the membrane.

Bipolarplatten müssen zum Betrieb der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel einen Transport der anodenseitig gebildeten Elektronen unter möglichst geringem elektrischem Widerstand zur Kathodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle ermöglichen. Entsprechend sind sowohl eine gute Bulkleitfähigkeit als insbesondere auch ein geringer Kontaktübergangswiderstand gefordert. Der Kontaktübergangswiderstand ist abhängig von der Oberflächenqualität der Bipolarplatten, einem angrenzenden Kontaktmedium und einer applizierten Anpresskraft. Darüber hinaus müssen die Bipolarplatten eine hohe Medien-Dichtheit und Korrosionsbeständigkeit, eine gute Wärmeableitung und eine ausreichende mechanische Stabilität gewährleisten. Die mechanische Stabilität ist insbesondere bedeutsam für den Anpressdruck zwischen den Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel.In order to operate the electrochemical reaction in the fuel cell stack, bipolar plates must enable the electrons formed on the anode side to be transported to the cathode side of an adjacent fuel cell with the lowest possible electrical resistance. Correspondingly, both good bulk conductivity and, in particular, low contact resistance are required. The contact resistance depends on the surface quality of the bipolar plates, an adjacent contact medium and an applied contact pressure. In addition, the bipolar plates must ensure high media tightness and corrosion resistance, good heat dissipation and sufficient mechanical stability. The mechanical stability is particularly important for the contact pressure between the fuel cells in the fuel cell stack.

Zur Herstellung von Bipolarplatten werden neben dünnen, strukturgeprägten Metallfolien, die üblicherweise einen Korrosionsschutz benötigten, reine Graphitplatten eingesetzt, die zwar eine hohe chemische Resistenz und einen guten Kontaktübergangswiderstand bieten, deren Bearbeitung aber aufwendig ist. Es kommen auch Platten aus hochgefüllten Graphit-basierten thermoplastischen oder härtbaren Polymeren, die auch als Komposite bezeichnet werden, zum Einsatz. Diese kombinieren die vorteilhaften Funktionseigenschaften von Graphit mit einer einfacheren und kostengünstigeren Formgebung durch die Polymere.For the production of bipolar plates, in addition to thin, structured metal foils, which usually require corrosion protection, pure graphite plates are used which, although they offer high chemical resistance and good contact resistance, are complex to process. There are also sheets made of highly filled graphite-based thermoplastic or curable polymers, which are also available as composites are designated, for use. These combine the advantageous functional properties of graphite with a simpler and more cost-effective shaping by the polymers.

Polymerbasierte Bipolarplatten werden üblicherweise mittels Spritzguss und Pressen hergestellt. Durch einen hohen Anteil an Füllstoffen weisen die eingesetzten Polymere jedoch eine hohe Viskosität und hohe Fließgrenzen auf, was deren Verarbeitung erschwert. Mittels Spritzguss sind lediglich relativ kleine und dicke Bipolarplatten herstellbar, da die Verhältnisse von Fließwegen und Längen der Bipolarplatten die Herstellung anderer Geometrien aus entsprechend hochgefüllten Polymeren nicht zulassen.Polymer-based bipolar plates are usually manufactured using injection molding and pressing. However, due to a high proportion of fillers, the polymers used have a high viscosity and high flow limits, which makes processing difficult. Only relatively small and thick bipolar plates can be produced by injection molding, since the proportions of flow paths and lengths of the bipolar plates do not allow the production of other geometries from correspondingly highly filled polymers.

DE 10 243 592 A1 beschreibt eine Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen aus einem Polymerblend, der zur Erhöhung der Leitfähigkeit einen Füllstoff enthält. DE 10 243 592 A1 describes a bipolar plate for PEM fuel cells made from a polymer blend that contains a filler to increase conductivity.

WO 03/094270 A2 ist ebenfalls auf eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen gerichtet, die eine Faserverstärkungsstruktur, eine Kunststoff-Matrix und einen Zusatz zur Schaffung elektrischer Leitfähigkeit aufweist. Zur Herstellung wird eine Pressform eingesetzt. WO 03/094270 A2 is also directed to a bipolar plate for fuel cells, which has a fiber reinforcement structure, a plastic matrix and an additive to create electrical conductivity. A press mold is used for production.

DE 10 2004 039 115 A1 hat eine konische Bipolarplatte zum Gegenstand, die mittels Drehen, Fräsen, Tiefziehen, Pressen oder Spritzguss hergestellt wird. DE 10 2004 039 115 A1 deals with a conical bipolar plate that is manufactured by turning, milling, deep drawing, pressing or injection molding.

EP 1 753 605 B1 betrifft Walzenanordnungen für das Prägen von bahnförmigen Materialien. EP 1 753 605 B1 relates to roller arrangements for the embossing of web-shaped materials.

DE 10 2009 051 434 A1 hat einen Formkörper aus hochleitfähiger Formmasse zum Gegenstand, der für den Einsatz als Bipolarplatte elektrochemischer Zellen geeignet ist. DE 10 2009 051 434 A1 has a molded body made of highly conductive molding compound, which is suitable for use as a bipolar plate for electrochemical cells.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen vorgeschlagen, umfassend folgende Schritte:

  1. a) Extrudieren einer Formmasse,
  2. b) Walzen der Formmasse mittels mindestens eines ersten Walzenpaares, so dass eine erste Folie gebildet wird,
  3. c) Walzen und Prägen der ersten Folie mittels mindestens eines zweiten Walzenpaares, so dass eine zweite Folie gebildet wird, wobei das mindestens eine zweite Walzenpaar eine Walzenoberfläche umfasst, die Walzenoberfläche eine Mikrostruktur aufweist und die Mikrostruktur auf eine Strukturtemperatur TS erwärmt wird und
  4. d) ggf. Schneiden der zweiten Folie, so dass die Bipolarplatten entstehen.
A method for producing bipolar plates for fuel cells is proposed, comprising the following steps:
  1. a) extruding a molding compound,
  2. b) rolling the molding compound by means of at least one first pair of rollers, so that a first film is formed,
  3. c) rolling and embossing the first film by means of at least one second pair of rollers, so that a second film is formed, wherein the at least one second pair of rollers comprises a roller surface, the roller surface has a microstructure and the microstructure is heated to a structure temperature T S and
  4. d) if necessary, cutting the second film so that the bipolar plates are created.

Die Verfahrensschritte a) bis d) werden bevorzugt in angegebener Reihenfolge ausgeführt. Das mindestens eine erste Walzenpaar und das mindestens eine zweite Walzenpaar können auch als Walzenstuhl oder Kalandar bezeichnet werden.Process steps a) to d) are preferably carried out in the order given. The at least one first pair of rollers and the at least one second pair of rollers can also be referred to as a roller frame or calender.

Ferner wird eine Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen vorgeschlagen, umfassend einen Extruder, mindestens ein erstes Walzenpaar, mindestens ein zweites Walzenpaar, eine externe Wärmequelle und gegebenenfalls ein Schneidwerkzeug, wobei das mindestens eine zweite Walzenpaar eine Walzenoberfläche umfasst, die Walzenoberfläche eine Mikrostruktur aufweist und die externe Wärmequelle zur Erwärmung der Mikrostruktur an dem mindestens einen zweiten Walzenpaar angeordnet ist.Furthermore, a device for producing bipolar plates for fuel cells is proposed, comprising an extruder, at least one first pair of rollers, at least one second pair of rollers, an external heat source and optionally a cutting tool, the at least one second pair of rollers comprising a roller surface, the roller surface having a microstructure and the external heat source for heating the microstructure is arranged on the at least one second pair of rollers.

Das mindestens eine erste Walzenpaar dient zur Herstellung der ersten Folie, die bevorzugt eine Dicke von nicht mehr als 1 mm aufweist. Dann wird mittels des mindestens einen zweiten Walzenpaares die Dicke der Folie weiter verringert und es wird die Mikrostruktur aufgeprägt, so dass die zweite Folie entsteht. Die Mikrostruktur weist bevorzugt Strukturen auf, die eine Tiefe in einem Bereich von 50 µm bis 450 µm und eine Breite in einem Bereich von 50 µm bis 800 µm aufweisen. Bevorzugt weist die erste Folie eine erste Dicke in einem Bereich von 100 µm bis 800 µm auf, weiter bevorzugt weist die zweite Folie eine zweite Dicke in einem Bereich von 600 nm bis 200 µm auf.The at least one first pair of rollers is used to produce the first film, which preferably has a thickness of no more than 1 mm. Then the thickness of the film is further reduced by means of the at least one second pair of rollers and the microstructure is embossed, so that the second film is produced. The microstructure preferably has structures which have a depth in a range from 50 μm to 450 μm and a width in a range from 50 μm to 800 μm. The first film preferably has a first thickness in a range from 100 μm to 800 μm, more preferably the second film has a second thickness in a range from 600 nm to 200 μm.

Durch die Erwärmung der Mikrostruktur in Schritt c) kann Material der ersten Folie in die Mikrostruktur des mindestens einen zweiten Walzenpaares fließen, so dass sich eine hohe Abformgenauigkeit einstellt.As a result of the heating of the microstructure in step c), material of the first film can flow into the microstructure of the at least one second pair of rollers, so that a high level of molding accuracy is established.

Unter einer Anordnung der externen Wärmequelle an dem mindestens zweiten Walzenpaar ist insbesondere zu verstehen, dass die externe Wärmequelle in einem kleineren Abstand zu dem mindestens einen zweiten Walzenpaar als zu dem mindestens einen ersten Walzenpaar angeordnet ist. Bevorzug ist die externe Wärmequelle zwischen dem mindestens einen ersten Walzenpaar und dem mindestens einen zweiten Walzenpaar angeordnet. Die externe Wärmequelle kann alternativ in Förderrichtung nach dem zweiten Walzenpaar angeordnet sein.An arrangement of the external heat source on the at least second roller pair is to be understood in particular to mean that the external heat source is arranged at a smaller distance from the at least one second roller pair than from the at least one first roller pair. The external heat source is preferably arranged between the at least one first pair of rollers and the at least one second pair of rollers. The external heat source can alternatively be arranged after the second pair of rollers in the conveying direction.

Bevorzugt umfasst das mindestens eine zweite Walzenpaar eine erste Walze und eine zweite Walze. Die Walzenoberfläche, die die Mikrostruktur aufweist, ist bevorzugt auf der ersten Walze und/oder auf der zweiten Walze des mindestens einen zweiten Walzenpaares angeordnet. Weiter bevorzugt ist die Mikrostruktur auf der zweiten Walze angeordnet und die externe Wärmequelle ist in einem kleineren Abstand zur zweiten Walze als zur ersten Walze angeordnet. Die Walzenoberfläche, die die Mikrostruktur aufweist, ist bevorzugt auf der zweiten Walze, weiter bevorzugt ausschließlich auf der zweiten Walze angeordnet.The at least one second pair of rollers preferably comprises a first roller and a second roller. The roller surface which has the microstructure is preferably on the first roller and / or arranged on the second roller of the at least one second roller pair. The microstructure is more preferably arranged on the second roller and the external heat source is arranged at a smaller distance from the second roller than from the first roller. The roller surface which has the microstructure is preferably arranged on the second roller, more preferably exclusively on the second roller.

Die erste Walze ist bevorzugt eine obere Walze und die zweite Walze ist bevorzugt eine untere Walze. Ein Mittelpunkt der oberen Walze ist bevorzugt in einer vertikalen Richtung oberhalb eines Mittelpunktes der unteren Walze angeordnet. Bevorzugt ist die externe Wärmequelle unterhalb der oberen Walze angeordnet.The first roller is preferably an upper roller and the second roller is preferably a lower roller. A center point of the upper roller is preferably arranged in a vertical direction above a center point of the lower roller. The external heat source is preferably arranged below the upper roller.

Die externe Wärmequelle ist bevorzugt unterhalb der ersten Folie und in Förderrichtung vor dem mindestens einen zweiten Walzenpaar angeordnet. Insbesondere ist die externe Wärmequelle auf die Mikrostruktur des mindestens einen zweiten Walzenpaares gerichtet.The external heat source is preferably arranged below the first film and in front of the at least one second pair of rollers in the conveying direction. In particular, the external heat source is directed to the microstructure of the at least one second pair of rollers.

Die Brennstoffzellen sind insbesondere PEM-Brennstoffzellen. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung, insbesondere der Extruder, eine Breitschlitzdüse. Der Extruder kann zum Beispiel ein Einschneckenextruder, ein Doppelschneckenextruder oder ein Planetwalzenextruder sein. Das Schneidwerkzeug ist bevorzugt ein Cutter. Ferner kann die Vorrichtung eine Abzugsvorrichtung umfassen.The fuel cells are in particular PEM fuel cells. The device, in particular the extruder, preferably comprises a slot die. The extruder can be, for example, a single screw extruder, a twin screw extruder or a planetary roller extruder. The cutting tool is preferably a cutter. Furthermore, the device can comprise a pull-off device.

Die Formmasse, die erste Folie und/oder die zweite Folie werden bevorzugt biaxial verstreckt.The molding compound, the first film and / or the second film are preferably biaxially stretched.

Bevorzugt erfolgt das Erwärmen der Mikrostruktur in Schritt c) mittels der externen Wärmequelle oder mittels Induktion. Die externe Wärmequelle kann auch als zusätzliche Heizstation bezeichnet werden. Die externe Wärmequelle ist insbesondere ein Bauteil, das von dem ersten Walzenpaar und/oder dem zweiten Walzenpaar verschieden und separat angeordnet ist.The microstructure is preferably heated in step c) by means of the external heat source or by means of induction. The external heat source can also be referred to as an additional heating station. The external heat source is in particular a component that is different from the first pair of rollers and / or the second pair of rollers and is arranged separately.

Die externe Wärmequelle umfasst bevorzugt ein elektrisches Heizelement, eine variotherme Heizung, einen Laser und/oder eine Infrarotquelle.The external heat source preferably comprises an electrical heating element, a variothermal heater, a laser and / or an infrared source.

Die Mikrostruktur wird gezielt, insbesondere baulich unabhängig von dem zweiten Walzenpaar, erwärmt. Bevorzugt ist die Strukturtemperatur Ts höher als eine Oberflächentemperatur TO der Walzenoberfläche des mindestens einen zweiten Walzenpaares. In einem radialen Querschnitt der ersten Walze und/oder der zweiten Walze wird die Strukturtemperatur Ts bevorzugt in einem ersten Punkt der Mikrostruktur gemessen, der weiter von dem Mittelpunkt der ersten Walze und/oder der zweiten Walze angeordnet ist als ein zweiter Punkt der Mikrostruktur, an dem die Oberflächentemperatur TO gemessen wird.The microstructure is heated in a targeted manner, in particular structurally independently of the second pair of rollers. The structure temperature Ts is preferably higher than a surface temperature T O of the roller surface of the at least one second roller pair. In a radial cross section of the first roller and / or the second roller, the structure temperature Ts is preferably measured at a first point of the microstructure, which is arranged further from the center point of the first roller and / or the second roller than a second point of the microstructure which the surface temperature T O is measured.

Weiter bevorzugt ist die Strukturtemperatur Ts mindestens so hoch wie eine minimale Temperatur Tmin, wobei die minimale Temperatur Tmin 10° C weniger als eine Schmelztemperatur TSM der Formmasse, insbesondere der ersten Folie, beträgt. Besonders bevorzugt ist die minimale Temperatur Tmin gleich der Schmelztemperatur TSM der Formmasse.The structure temperature Ts is more preferably at least as high as a minimum temperature T min , the minimum temperature T min being 10 ° C. less than a melting temperature T SM of the molding compound, in particular of the first film. The minimum temperature T min is particularly preferably equal to the melting temperature T SM of the molding compound.

Die Formmasse ist bevorzugt eine thermoplastische Formmasse. Weiter bevorzugt umfasst die Formmasse Polypropylen (PP), Polyphenylensulfid (PPS), thermoplastische Styrol-Blockcopolymere (TPS), Polyphthalamide (PPA) oder Mischungen daraus. Insbesondere besteht die Formmasse aus PP, PPS, TPS, PPA oder Mischungen daraus.The molding compound is preferably a thermoplastic molding compound. The molding compound further preferably comprises polypropylene (PP), polyphenylene sulfide (PPS), thermoplastic styrene block copolymers (TPS), polyphthalamides (PPA) or mixtures thereof. In particular, the molding compound consists of PP, PPS, TPS, PPA or mixtures thereof.

Die Schmelztemperatur TSM liegt zum Beispiel in einem Bereich von 160°C bis 185°C, insbesondere, wenn die Formmasse PP enthält, in einem Bereich von 270°C bis 290°C, insbesondere, wenn die Formmasse PPS enthält, in einem Bereich von 150°C bis 220°C, insbesondere, wenn die Formmasse TPS enthält oder in einem Bereich von 285°C bis 315°C, insbesondere, wenn die Formmasse PPA enthält.The melting temperature T SM is, for example, in a range from 160 ° C. to 185 ° C., in particular if the molding compound contains PP, in a range from 270 ° C. to 290 ° C., in particular in a range when the molding compound contains PPS from 150 ° C. to 220 ° C., in particular when the molding compound contains TPS or in a range from 285 ° C. to 315 ° C., in particular when the molding compound contains PPA.

Bevorzugt wird vor dem Walzen mittels des mindestens einen zweiten Walzenpaares in Schritt c) eine Temperatur TF der ersten Folie gemessen und weiter bevorzugt wird die Strukturtemperatur Ts in Abhängigkeit von der Temperatur TF der ersten Folie geregelt oder eingestellt. A temperature T F of the first film is preferably measured prior to rolling by means of the at least one second pair of rollers in step c), and more preferably the structure temperature Ts is regulated or set as a function of the temperature T F of the first film.

Bevorzugt ist die Temperatur TF der ersten Folie nach Schritt b) niedriger als eine Extrusionstemperatur TE der Formmasse nach dem Schritt a). Das Erwärmen der Mikrostruktur in Schritt c) wirkt der Abkühlung der Formmasse und/oder der ersten Folie durch das Walzen in Schritt b) entgegen, so dass die Abformung der Mikrostruktur erfolgen kann.The temperature T F of the first film after step b) is preferably lower than an extrusion temperature T E of the molding compound after step a). The heating of the microstructure in step c) counteracts the cooling of the molding compound and / or the first film by the rolling in step b), so that the microstructure can be molded.

Weiter bevorzugt enthalten die Formmasse, die erste Folie und die zweite Folie einen elektrisch leitfähigen Füllstoff, insbesondere Graphit. Der elektrisch leitfähige Füllstoff liegt insbesondere in Form Partikeln, Fasern, Geweben und/oder als Vlies vor. Bevorzugt enthält die Formmasse zu 60 Gew.-% bis 90 Gew.-% den elektrisch leitfähigen Füllstoff, bezogen auf die gesamte Formmasse.The molding compound, the first film and the second film also preferably contain an electrically conductive filler, in particular graphite. The electrically conductive filler is in particular in the form of particles, fibers, fabrics and / or as a fleece. The molding compound preferably contains 60% by weight to 90% by weight of the electrically conductive filler, based on the total molding compound.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können auch große und dünne Brennstoffzellen in einem kontinuierlichen Verfahren und auf Basis von Kunststoffen hergestellt werden.With the method according to the invention, large and thin fuel cells can also be produced in a continuous process and on the basis of plastics.

Darüber hinaus kann durch die Erwärmung der Mikrostruktur, insbesondere durch die externe Wärmequelle, die Abformgenauigkeit der Mikrostruktur auf die Bipolarplatte erhöht werden. Durch das gezielte und örtlich gerichtete Erwärmen der Mikrostruktur wird ein Fließen des Materials der Formmasse beziehungsweise der Folien in die Mikrostruktur verbessert. Hingegen würde eine gleichmäßig hohe Temperatur des vollständigen Walzenpaares aufgrund der großen Oberfläche zu hohen Wärmeverlusten sowie einer inhomogenen Temperaturverteilung führen.In addition, by heating the microstructure, in particular by the external heat source, the molding accuracy of the microstructure on the bipolar plate can be increased. The targeted and locally directed heating of the microstructure improves the flow of the material of the molding compound or the films into the microstructure. In contrast, a uniformly high temperature of the complete pair of rollers would lead to high heat losses and an inhomogeneous temperature distribution due to the large surface area.

Diese Wärmeverluste werden durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vermieden und an der Kontaktfläche zwischen der zu prägenden Folie und der Mikrostruktur kann eine homogene Temperaturverteilung gewährleistet werden.These heat losses are avoided by the method according to the invention and by the device according to the invention, and a homogeneous temperature distribution can be ensured at the contact surface between the film to be embossed and the microstructure.

Da ein hoher Druck bzw. eine große Kraft zum Prägen eingesetzt werden muss, sind große Walzen erforderlich, die sich grundsätzlich schwer temperieren lassen, da hohe Verluste über die große Oberflächen der Walzen auftreten. Die örtliche Anwendung der externen Wärmequelle liefert eine genaue gewünschte Temperatur.Since a high pressure or a great force has to be used for embossing, large rollers are required, which are basically difficult to control, since high losses occur over the large surfaces of the rollers. The local application of the external heat source provides an accurate desired temperature.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Bipolarplatten.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell stack and
  • 2 a schematic representation of an apparatus for the production of bipolar plates.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 23 mit mehreren Brennstoffzellen 1. Jede Brennstoffzelle 1 weist eine Membran 33, zwei Gasdiffusionslagen 35, eine Anode 37 und eine Kathode 39 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen 1 sind durch Bipolarplatten 7, die eine Kühlplatte 41 umfassen können, voneinander abgegrenzt. Der Brennstoffzellenstapel 23, dem Wasserstoff 47 und Sauerstoff 45 in Form von Luft sowie ein Kühlmittel 43 zugeführt werden, wird durch zwei Endplatten 49 abgeschlossen und weist Stromsammler 51 auf. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack 23 with several fuel cells 1 . Every fuel cell 1 has a membrane 33 , two gas diffusion layers 35 , an anode 37 and a cathode 39 on. The individual fuel cells 1 are by bipolar plates 7th who have favourited a cold plate 41 may include, delimited from one another. The fuel cell stack 23 , the hydrogen 47 and oxygen 45 in the form of air as well as a coolant 43 is fed through two end plates 49 completed and instructs current collectors 51 on.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 90 zur Herstellung von Bipolarplatten 7 für Brennstoffzellen 1. Die Vorrichtung 90 umfasst einen Extruder 80, ein erstes Walzenpaar 62, ein zweites Walzenpaar 66, eine externe Wärmequelle 74 und ein Schneidwerkzeug 82. 2 shows a schematic representation of a device 90 for the production of bipolar plates 7th for fuel cells 1 . The device 90 includes an extruder 80 , a first pair of rollers 62 , a second pair of rollers 66 , an external heat source 74 and a cutting tool 82 .

Mit dem Extruder 80, der eine Breitschlitzdüse 88 aufweist, wird zunächst eine Formmasse 60 extrudiert, die dann zu dem ersten Walzenpaar 62 gefördert wird. Durch Walzen der Formmasse 60 mit dem ersten Walzenpaar 62 entsteht eine erste Folie 64 aus der Formmasse 60. Die erste Folie 64 weist eine erste Dicke 76 auf.With the extruder 80 , the one slot nozzle 88 has, is first a molding compound 60 extruded, which then to the first pair of rollers 62 is promoted. By rolling the molding compound 60 with the first pair of rollers 62 a first slide is created 64 from the molding compound 60 . The first slide 64 has a first thickness 76 on.

Die erste Folie 64 wird dann dem zweiten Walzenpaar 66 zugeführt. Das zweite Walzenpaar 66 umfasst eine Walzenoberfläche 70, die eine Mikrostruktur 72 aufweist. Mittels des zweiten Walzenpaares 66 wird die erste Folie 64 gewalzt und die Mikrostruktur 72 wird aufgeprägt. Eine geprägte zweite Folie 68 verlässt das zweite Walzenpaar 66. Die zweite Folie 68 besitzt eine zweite Dicke 78, die kleiner ist als die erste Dicke 76.The first slide 64 then becomes the second pair of rollers 66 fed. The second pair of rollers 66 includes a roller surface 70 that have a microstructure 72 having. By means of the second pair of rollers 66 becomes the first slide 64 rolled and the microstructure 72 is imprinted. An embossed second foil 68 leaves the second pair of rollers 66 . The second slide 68 has a second thickness 78 that is smaller than the first thickness 76 .

Zur Verbesserung der Abformgenauigkeit bezüglich der Mikrostruktur 72 wird die Mikrostruktur 72 auf eine Strukturtemperatur Ts erwärmt. Zur Erwärmung der Mikrostruktur 72 ist die externe Wärmequelle 74 in der Nähe der Mikrostruktur 72 angeordnet und sorgt für eine lokale Erwärmung der Mikrostruktur 72 bevor oder während die Mikrostruktur 72 mit der ersten Folie 64 in Kontakt ist.To improve the molding accuracy with regard to the microstructure 72 becomes the microstructure 72 heated to a structure temperature Ts. For heating the microstructure 72 is the external heat source 74 near the microstructure 72 arranged and ensures local heating of the microstructure 72 before or during the microstructure 72 with the first slide 64 is in contact.

Die zweite Folie 68 wird anschließend zu dem Schneidwerkzeug 82 geführt, wo Bipolarplatten 7 aus der zweiten Folie 68 zugeschnitten werden.The second slide 68 then becomes the cutting tool 82 led where bipolar plates 7th from the second slide 68 be tailored.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • EP 1753605 B1 [0017]EP 1753605 B1 [0017]
  • DE 102009051434 A1 [0018]DE 102009051434 A1 [0018]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten (7) für Brennstoffzellen (1) umfassend folgende Schritte: a) Extrudieren einer Formmasse (60), b) Walzen der Formmasse (60) mittels mindestens eines ersten Walzenpaares (62), so dass eine erste Folie (64) gebildet wird, c) Walzen und Prägen der ersten Folie (64) mittels mindestens eines zweiten Walzenpaares (66), so dass eine zweite Folie (68) gebildet wird, wobei das mindestens eine zweite Walzenpaar (66) eine Walzenoberfläche (70) umfasst, die Walzenoberfläche (70) eine Mikrostruktur (72) aufweist und die Mikrostruktur (72) auf eine Strukturtemperatur TS erwärmt wird und d) ggf. Schneiden der zweiten Folie (68), so dass die Bipolarplatten (7) entstehen.A method for producing bipolar plates (7) for fuel cells (1) comprising the following steps: a) extruding a molding compound (60), b) rolling the molding compound (60) by means of at least one first pair of rollers (62), so that a first film (64 ) is formed, c) rolling and embossing the first film (64) by means of at least one second pair of rollers (66), so that a second film (68) is formed, the at least one second pair of rollers (66) comprising a roller surface (70) , the roller surface (70) has a microstructure (72) and the microstructure (72) is heated to a structure temperature T S and d) if necessary, cutting the second film (68) so that the bipolar plates (7) are created. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der Mikrostruktur (72) in Schritt c) mittels einer externen Wärmequelle (74) oder mittels Induktion erfolgt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the microstructure (72) is heated in step c) by means of an external heat source (74) or by means of induction. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Wärmequelle (74) ein elektrisches Heizelement, eine variotherme Heizung, einen Laser und/oder eine Infrarotquelle umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the external heat source (74) comprises an electrical heating element, a variothermal heater, a laser and / or an infrared source. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturtemperatur Ts mindestens so hoch ist wie eine minimale Temperatur Tmin, wobei die minimale Temperatur Tmin 10°C weniger als eine Schmelztemperatur TSM der Formmasse (60) beträgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the structure temperature Ts is at least as high as a minimum temperature T min , the minimum temperature T min being 10 ° C less than a melting temperature T SM of the molding compound (60). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Walzen mittels des mindestens einen zweiten Walzenpaares (66) in Schritt c) eine Temperatur TF der ersten Folie (64) gemessen wird und die Strukturtemperatur Ts in Abhängigkeit von der Temperatur TF der ersten Folie (64) geregelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that before rolling by means of the at least one second pair of rollers (66) in step c) a temperature T F of the first film (64) is measured and the structure temperature Ts as a function of the temperature T F the first film (64) is regulated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Folie (64) eine erste Dicke (76) in einem Bereich von 100 µm bis 800 µm aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first film (64) has a first thickness (76) in a range from 100 µm to 800 µm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Folie (68) eine zweite Dicke (78) in einem Bereich von 600 nm bis 200 µm aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second film (68) has a second thickness (78) in a range from 600 nm to 200 µm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse (60) eine thermoplastische Formmasse ist und/oder einen elektrisch leitfähigen Füllstoff, insbesondere Graphit, enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the molding compound (60) is a thermoplastic molding compound and / or contains an electrically conductive filler, in particular graphite. Vorrichtung (90) zur Herstellung von Bipolarplatten (7) für Brennstoffzellen (1), umfassend einen Extruder (80), mindestens ein erstes Walzenpaar (62), mindestens ein zweites Walzenpaar (66), eine externe Wärmequelle (74) und gegebenenfalls ein Schneidwerkzeug (82), wobei das mindestens eine zweite Walzenpaar (66) eine Walzenoberfläche (70) umfasst, die Walzenoberfläche (70) eine Mikrostruktur (72) aufweist und die externe Wärmequelle (74) zur Erwärmung der Mikrostruktur (72) an dem mindestens einen zweiten Walzenpaar (66) angeordnet ist.Device (90) for producing bipolar plates (7) for fuel cells (1), comprising an extruder (80), at least one first pair of rollers (62), at least one second pair of rollers (66), an external heat source (74) and optionally a cutting tool (82), wherein the at least one second pair of rollers (66) comprises a roller surface (70), the roller surface (70) has a microstructure (72) and the external heat source (74) for heating the microstructure (72) on the at least one second Roller pair (66) is arranged. Vorrichtung (90) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Walzenpaar (66) eine erste Walze (84) und eine zweite Walze (86) umfasst, die Mikrostruktur (72) auf der zweiten Walze (86) angeordnet ist und die externe Wärmequelle (74) in einem kleinerem Abstand zur zweiten Walze (86) als zur ersten Walze (84) angeordnet ist.Device (90) after Claim 9 , characterized in that the at least one second pair of rollers (66) comprises a first roller (84) and a second roller (86), the microstructure (72) is arranged on the second roller (86) and the external heat source (74) in a smaller distance to the second roller (86) than to the first roller (84) is arranged.
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