DE102020208371A1

DE102020208371A1 - Verfahren zum Herstellen eines Polarplatten-Endloshalbzeugs und einer Polarplatte, sowie Polarplatte

Info

Publication number: DE102020208371A1
Application number: DE102020208371.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Musialek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2022-01-05
Also published as: WO2022002812A1; CN116235321A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Polarplatten-Endloshalbzeugs (80, 88) für Polarplatten (90) für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, wobei in einem ersten Schritt des Verfahrens, eine sich flächig (F82) erstreckende erste Polarplatten-Endlosfolie (80, 82) aus einem elektrisch leitfähigen Kompositpolymer (98) zur Verfügung gestellt wird, in einem zweiten Schritt des Verfahrens durch einen Walzprozess der Polarplatten-Endlosfolie (80, 82) eine Zieldicke der Polarplatten-Endlosfolie (80, 84/86) eingestellt wird, und in einem dritten Schritt des Verfahrens, die Polarplatten-Endlosfolie (80, 84/86) durch einen Formgebungsprozess ihre endgültige Form erhält und ein Polarplatten-Endloshalbzeug (80, 88) erhalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Polarplatten-Endloshalbzeugs für Polarplatten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen. Ferner betrifft die Erfindung eine Polarplatte, insbesondere eine Bipolarplatte, für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats bevorzugt für ein Brennstoffzellenfahrzeug.
Stand der Technik
In einer Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats z. B. eines Brennstoffzellensystems beispielsweise eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt eine elektrochemische Wandlung zweier Reaktanten zweier Betriebsmedien in elektrische Energie und Wärme. Hierbei umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Membran-Elektroden-Anordnung, welche einen Schichtaufbau aus einer ionen- bzw. protonenleitenden Membran und beidseitig an der Membran vorgesehener, katalytischer Elektroden (Membran-Elektroden-Einheit mit Anoden- und Kathodenelektrode als Reaktivschichten) sowie Gasdiffusionslagen aufweist. In der Regel ist die Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von in einem Stapel (Brennstoffzellenstack) angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet.
Im Stand der Technik kommen neben Bipolarplatten aus strukturgeprägten Metallfolien (Problem: Korrosionsschutz) und reinen Graphitplatten (Problem: aufwändige Bearbeitung), Bipolarplatten aus hochgefüllten thermoplastischen oder härtbaren Polymeren zum Einsatz, welche die guten Funktionseigenschaften von Graphit mit einer einfachen und kostengünstigen Formgebung kombinieren. Solche Bipolarplatten werden durch Spritzgießprozesse oder Pressprozesse hergestellt. Um eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten, besitzen die Polymere einen hohen Füllgrad eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs. Hohe Füllstoffkonzentrationen führen zu hohen Viskositäten und einer Fließgrenze. Folglich ist eine Verarbeitung erschwert. So sind nur kleine und dicke Bipolarplatten herstellbar, da die Fließweg-/Längen-Verhältnisse solcher hochgefüllten Polymere keine anderen Geometrien zulassen.
Aufgabenstellung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte sowie eine alternative oder verbesserte Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats bevorzugt für ein Brennstoffzellenfahrzeug, anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist durch ein Verfahren zum Herstellen eines Polarplatten-Endloshalbzeugs für Polarplatten sowie eines Verfahrens zum Herstellen einer Polarplatte, insbesondere einer Bipolarplatte, für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen; mittels einer Polarplatte, insbesondere einer Bipolarplatte, für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle; und eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellenaggregat und ein Brennstoffzellensystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug gelöst. - Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Bipolarplatten stellen einen wesentlichen Teil der Fertigungskosten einer Brennstoffzelle dar und sollten daher für eine Mittel- und insbesondere eine Großserienfertigung kostengünstig produziert werden können. Bipolarplatten müssen zum Aufrechterhalten einer elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel anodenseitig gebildete Elektronen unter einem geringem elektrischen Widerstand auf eine Kathodenseite einer benachbarten Einzelzelle bringen. Das bedeutet, dass neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit insbesondere auch ein elektrischer Kontaktübergangswiderstand einer Bipolarplatte gering sein soll. Ferner müssen eine hohe Mediendichtigkeit, eine Korrosionsbeständigkeit, eine gute Wärmeableitung und eine ausreichende mechanische Stabilität der Bipolarplatten sichergestellt sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Schritt eine sich flächig erstreckende erste Polarplatten-Endlosfolie aus einem elektrisch leitfähigen Kompositpolymer zur Verfügung gestellt. In einem zweiten Schritt wird durch einen Walzprozess der Polarplatten-Endlosfolie eine Zieldicke der Polarplatten-Endlosfolie eingestellt. Und in einem dritten Schritt erhält die Polarplatten-Endlosfolie durch einen Formgebungsprozess ihre endgültige Form und es wird ein Polarplatten-Endloshalbzeug erhalten. - Unter einer Polarplatte ist z. B. eine Monopolarplatte, eine Bipolarplatte oder eine Lage einer zwei-, drei- oder viellagigen Bipolarplatte verstanden. Das elektrisch leitfähige Kompositpolymer ist z. B. als ein Polymer mit einem hohen Füllgrad eines Füllstoffs, aufweisend z. B. elektrisch leitfähige Partikel, Fasern, Geweben, Vliese etc. (Kunststoffkomposit, Verbundwerkstoff), ausgebildet.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, einen diskontinuierlichen Prozess (Spritzgießprozess, Pressprozess) zum Herstellen von Polarplatten-Rohlingen durch einen kontinuierlichen Prozess zum Herstellen eines Polarplatten-Endloshalbzeugs und zum Herstellen von Polarplatten zu ersetzen. Dies hat, insbesondere in einer Mittel- oder Großserienfertigung deutliche Kostenvorteile. Ferner sind größere Formate von Polarplatten auf Basis von Kunststoffen im Vergleich mit dem Stand der Technik möglich. Des Weiteren sind die erfindungsgemäßen Polarplatten korrosionsbeständig im Vergleich zu metallischen Bipolarplatten, welche zusätzlich einen Korrosionsschutz benötigen.
Der erste Schritt kann als ein Urformprozess des ersten Polarplatten-Endloshalbzeugs und/oder das Halbzeug-Herstellverfahren kann als ein Urformprozess für die Polarplatten ausgebildet sein. Alternativ kann der erste Schritt lediglich das Zurverfügungstellen des ersten Polarplatten-Endloshalbzeugs, z. B. in Form einer Folienrolle, umfassen. Der Urformprozess erfolgt in einem solchen Fall zeitlich und ggf. räumlich getrennt vom ersten Schritt. Ferner kann im ersten Schritt die erste Polarplatten-Endlosfolie aus einem Kompositpolymer-Extrudat eines Extrusionsprozesses (Urformen einer festen bis dickflüssigen, härtbaren Massen unter Druck) oder aus einer Kompositpolymer-Schmelze eines Kalandrierprozesses (Urformen einer Masse aus einem plastischen Zustand) zur Verfügung gestellt werden. Sowohl beim Extrusionsprozess als auch beim Kalandrierprozess ergibt sich im Vergleich zu einem Spritzgießwerkzeug ein deutlich einfacherer und somit kostengünstigerer Werkzeugaufbau.
Im zweiten Schritt kann eine wesentliche Ausrichtung eines elektrisch leitenden Füllstoffs der ersten Polarplatten-Endlosfolie in Richtung der Fläche der ersten Polarplatten-Endlosfolie, teilweise in eine wesentliche Ausrichtung in einem Winkel zu dieser Fläche umorientiert werden. Im zweiten Schritt können erzwungene Dehnstömungen in das plastisch zu verformende Kompositpolymer eingebracht werden, welche einen Winkel zur Erstreckung der Fläche der ersten Polarplatten-Endlosfolie aufweisen. Ein maximaler Winkel einer gemittelten Fließrichtung der Dehnstömungen ist bevorzugt größer als ca.: 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 75°, 80°, 85° oder 88°.
In einem ersten Teilschritt des zweiten Schritts können durch plastische Dehnungen der ersten Polarplatten-Endlosfolie Erhebungen und/oder Vertiefungen flächig in die Polarplatten-Endlosfolie eingebracht werden und dadurch kann eine außen-strukturierte Polarplatten-Endlosfolie erhalten werden. In einem zweiten Teilschritt des zweiten Schritts können durch plastische Stauchungen der außen-strukturierten Polarplatten-Endlosfolie deren Erhebungen und/oder Vertiefungen im Wesentlichen nivelliert werden und dadurch kann eine glatte und innen-strukturierte Polarplatten-Endlosfolie erhalten werden.
Im ersten Teilschritt kann die Umorientierung des Füllstoffs und/oder können die plastischen Dehnungen durch wenigstens eine oberflächenstrukturierte Strukturwalze in die erste Polarplatten-Endlosfolie eingebracht werden. Hierdurch wird die extern-strukturierte Polarplatten-Endlosfolie erhalten. Statt einer einzigen Strukturwalze kann hierfür bevorzugt ein einziges Walzenpaar zur Anwendung kommen. Es ist natürlich möglich, mehr zwei als Strukturwalzen bzw. mehr als ein Strukturwalzenpaar anzuwenden.
Die Oberflächen eines Strukturwalzenpaars können derart ausgestaltet sein, dass beim Walzen Erhebungen (Noppen, Sicken, Zähne, Stempel, Nadeln etc.) einer Walze Vertiefungen (Schlitze, Sicken, Zahnlücken, Löcher etc.) der anderen Walze und ggf. vice versa über einen Strukturspalt einander gegenüberliegen. Bevorzugt sind die miteinander korrespondierenden Erhebungen und Vertiefungen zueinander wenigstens teilkomplementär im Strukturwalzenpaar eingerichtet. Die Erhebungen/Vertiefungen jeweils einer Strukturwalze können dabei in Umfangsrichtung der Strukturwalze auf Lücke stehen. Hierbei können sich die Strukturwalzenprofile, also eine Erhebung der einen Strukturwalze und eine Erhebung der anderen Strukturwalze, in Querrichtung der Strukturwalzen überdecken.
In einer Ausführungsform weist der Strukturspalt in seiner Breitenrichtung und/oder Dickenrichtung Engstellen auf. Die Engstellen können jeweils zwischen einander gegenüberliegenden und direkt benachbarten Erhebungen vorgesehen sein. Z. B. sind mittels solcher Engstellen die Dehnstömungen im zähflüssigen Kompositpolymer erzwingbar (Erhöhen einer Fließgeschwindigkeit und Aufzwingen einer Richtung), wodurch z. B. das Extrudat oder die Schmelze in Dickenrichtung des Strukturspalts ausweichen muss. Der Strukturspalt kann als ein Mäander-Strukturspalt oder ein einfach oder doppelt gezahnter Strukturspalt ausgestaltet sein. Unter einer Zahnung ist eine regelmäßige Ausformung einer Oberfläche einer Strukturwalze mit Zähnen, Zacken, Haken, Zinken etc. verstanden.
Im zweiten Teilschritt kann die Umorientierung des Füllstoffs festgelegt und/oder können die plastischen Stauchungen der außen-strukturierten Polarplatten-Endlosfolie durch wenigstens eine oberflächenglatte Glattwalze eingebracht werden. Hierdurch wird die außen glatte und intern-strukturierte Polarplatten-Endlosfolie erhalten. Statt einer einzigen Glattwalze kann hierfür bevorzugt ein einziges Glattwalzenpaar zur Anwendung kommen. Es ist natürlich möglich, mehr zwei als Glattwalzen bzw. mehr als ein Glattwalzenpaar anzuwenden. Ferner kann im zweiten Teilschritt die Zieldicke der Polarplatten-Endlosfolie eingestellt werden.
Im ersten Teilschritt wird die Umorientierung des Füllstoffs, z. B. durch plastische Dehnungen o. ä., angestoßen (außen-strukturierte Polarplatten-Endlosfolie), wobei im zweiten Teilschritt die Umorientierung des Füllstoffs, z. B. durch plastische Stauchungen o. ä., eingerichtet wird (innen-strukturierte Polarplatten-Endlosfolie). Hierdurch ergibt sich eine höhere elektrische Leitfähigkeit einer Polarplatte bei deren Anwendung. Eine Walzgeometrie des Strukturwalzenpaars lässt sich z. B. durch einen Erodierprozess einfach realisieren.
Der Formgebungsprozess im dritten Schritt kann als ein Prägeprozess, insbesondere ein Prägewalzprozess ausgebildet sein. Bei dem Halbzeug-Herstellverfahren kann auf eine Kühlwalze verzichtet werden, wobei diese Aufgabe vorliegend durch die wenigstens eine Glattwalze übernommen werden kann. Es ist natürlich möglich, wenigstens eine andere Einrichtung, wie z. B. Kalander, Temperwalzen, Kühlwalzen, eine Dickenmessung, einen Randbeschnitt, eine Zugspannungsregelung, eine Verstreckeinrichtung (uni-/biaxial), eine Aufwickelstation etc. bei dem Halbzeug-Herstellverfahren anzuwenden.
Zeitlich direkt nach dem ersten Schritt ist der elektrisch leitfähige Füllstoff des Polymers, also dessen Partikel, (Lang-, Mittel-, Kurz-)Fasern, Gewebe(n) und/oder Vlies(e) etc., im Wesentlichen flächig in Richtung einer Erstreckung in der ersten Polarplatten-Endlosfolie ausgerichtet. Zeitlich direkt nach dem ersten Teilschritt des zweiten Schritts ist Füllstoff, insbesondere ein nicht unwesentlicher Anteil des Füllstoffs, in einem spitzen bis rechten Winkel zur Erstreckung der Fläche der Polarplatten-Endlosfolie ausgerichtet (außen-strukturierte Polarplatten-Endlosfolie).
Zeitlich direkt nach dem zweiten Teilschritt des zweiten Schritts ist der im ersten Teilschritt umorientierte Füllstoff in seiner neuen Ausrichtung in der nun innen-strukturierten Polarplatten-Endlosfolie manifest eingerichtet. Während des zweiten Teilschritts bleibt die im ersten Teilschritt eingerichtete Außen-Struktur der Polarplatten-Endlosfolie über ein Formgedächtnis des Kompositpolymers erhalten und wird im zweiten Teilschritt bevorzugt zeitlich direkt nach dem ersten Teilschritt wieder „plattgedrückt‟. Hierbei wird eine im ersten Teilschritt erhaltene Ausrichtung des Füllstoffs senkrecht zur Erstreckung der Fläche der Polarplatten-Endlosfolie nur noch gestaucht.
Für den ersten Schritt des Verfahrens kann ein Extruder mit einer Breitschlitzdüse zum Einsatz kommen. Hierbei kann z. B. ein Doppelschneckenextruder und eine Zahnradpumpe zur Anwendung kommen. Ferner ist die Anwendung eines Einschneckenextruders möglich, wobei dann die Zahnradpumpe obsolet sein kann. Für den ersten Teilschritt des zweiten Schritts kann ein einzelnes Strukturwalzenpaar bevorzugt in einem Duowalzgerüst oder -stuhl zum Einsatz kommen. Hierbei sind die Radien in den Strukturwalzen je nach einer Höhe der zu erzeugenden Dehnstömung frei wählbar. Für den zweiten Teilschritt des zweiten Schritts kann ein einzelnes Glattwalzenpaar bevorzugt in einem Duowalzgerüst oder -stuhl zum Einsatz kommen. Für den dritten Schritt kann ein einzelnes Prägewalzenpaar bevorzugt in einem Duowalzgerüst oder -stuhl zum Einsatz kommen.
Zeitlich z. B. direkt nach dem dritten Schritt, d. h. der Formgebung der innen-strukturierten Polarplatten-Endlosfolie zum Polarplatten-Endloshalbzeug, können z. B. Bipolarplatten, insbesondere zweilagige Bipolarplatten aus dem (einlagigen) Polarplatten-Endloshalbzeug gefertigt werden. - D. h. bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Polarplatte wird zunächst ein erfindungsgemäßes Polarplatten-Endloshalbzeug hergestellt. In einem zeitlichen Anschluss daran werden aus dem Polarplatten-Endloshalbzeug eine Vielzahl von Polarplatten vereinzelt. Hierbei ist es bevorzugt die Bipolarplatten aus dem Polarplatten-Endloshalbzeug mittels eines Schneidwerkzeugs herauszutrennen.
In einem zeitlichen Anschluss daran kann eine Polarplatte mit genau oder wenigstens einer zweiten Polarplatte zu einer als Bipolarplatte ausgebildeten Polarplatte verbunden werden. Das erfindungsgemäße Polarplatten-Endloshalbzeug ist durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Polarplatten-Endloshalbzeugs erhältlich. Ferner ist die erfindungsgemäße Polarplatte, z. B. eine Bipolarplatte, durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Polarplatte erhältlich.
Die erfindungsgemäße Polarplatte erstreckt sich mit einem Querschnitt entlang einer Fläche und ist aus einem Kompositpolymer aufweisend einen Füllstoff (vgl. o.) hergestellt. Hierbei ist der Füllstoff, neben seiner globalen Haupterstreckungsrichtung, in Füllstoffbündeln innerhalb der Polarplatte eingerichtet, welche in einem Winkel zu seiner globalen Haupterstreckungsrichtung angeordnet sind. Die Polarplatte kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass die Fläche, entlang welcher sie sich erstreckt, als eine vielfach auf- und abgehende (eckig gewellte, gerippte etc.) Fläche, z. B. in Form eines Trapezblechs o. ä., ausgebildet ist. Deren Dicke bemisst sich bevorzugt in Richtung senkrecht zu einem die Dicke betreffenden Oberflächenbereich der Polarplatte. Ferner ist die globale Haupterstreckungsrichtung des Füllstoffs insbesondere einem Herstellungsprozess der Polarplatte geschuldet. Angenäherte, allgemeine Formen der Füllstoffbündel können z. B. die von Stiften, Zähnen, Tuben, etc. sein.
Die globale Haupterstreckungsrichtung des Füllstoffs innerhalb der Polarplatte kann im Westlichen einer Längsrichtung und/oder Breitenrichtung der Polarplatte entsprechen. Die Füllstoffbündel können derart innerhalb der Polarplatte eingerichtet sein, dass diese eine elektrisch leitende Verbindung zwischen großflächigen Seiten der Polarplatte bilden. Ferner kann ein Winkel einer gemittelten lokalen Haupterstreckungsrichtung der Füllstoffbündel zur globalen Haupterstreckungsrichtung im Wesentlichen ca. 90° ± ca.: 2°, 5°, 10°, 15°, 20°, 30°, 40°, 50° oder 60° betragen.
Die Füllstoffbündel können wenigstens bereichsweise regelmäßig verteilt in der Polarplatte eingerichtet sein. Die Füllstoffbündel können in zueinander benachbarten Strängen des Kompositpolymers eingerichtet sein. Die Höhen der Stränge können dabei ungefähr einer Dicke der Polarplatte entsprechen. Die lokalen Haupterstreckungsrichtungen einer Vielzahl von Füllstoffbündeln können im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Ferner können eine Vielzahl von jeweils zwei direkt zueinander benachbarten Füllstoffbündeln gegensinnig zueinander angeordnet sein. Es können also wiederholt oder im Wesentlichen immer wieder zwei zueinander direkt benachbarte Füllstoffbündel parallel oder antiparallel in der Polarplatte eingerichtet sein.
Figurenliste
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal optional ist. - In den lediglich beispielhaften und schematischen Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:

1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung,
2 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht eine Ausführungsform einer Anlage zum Herstellen eines Polarplatten-Endloshalbzeugs für Polarplatten für z. B. Bipolarplatten,
3 in einer dreiseitig weggebrochenen zentralen Schnittansicht einen Ausschnitt eines Strukturspalts eines Strukturwalzenpaars der Herstellungsanlage aus 2,
4 eine zweiseitig weggebrochene Schnittansicht einer Ausführungsform einer Bipolarplatte aufweisend zwei Polarplatten, welche z. B. aus zwei Polarplatten-Endloshalbzeugen hergestellt sind, und
5 eine zweiseitig weggebrochene Querschnittansicht durch eine Polarplatte, die eine Verteilung eines Füllstoffs eines Kompositpolymers zeigt, aus welchem die Polarplatte hergestellt ist.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen einer Anlage und eines Verfahrens zum Herstellen eines Polarplatten-Endloshalbzeugs 80, 88 für Polarplatten 90 und Bipolarplatten 100 für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellenaggregats 1 für ein Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem, näher erläutert.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellensystems dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Ferner kann die Erfindung auf eine elektrochemische Zelle angewendet werden.
Die 1 zeigt das Brennstoffzellenaggregat 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10, ebenfalls als Brennstoffzelle 10 bezeichnet, gebündelten Einzel-Brennstoffzellen 11 (Einzelzellen 11), die in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12, ggf. mit einer Gasdiffusionslage, und einen Kathodenraum 13, ggf. mit einer Gasdiffusionslage, die von einer Membran Membran-Elektroden-Einheit 14 (MEA: Membrane Electrode Assembly) räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (vgl. Detailausschnitt).
Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 14 ist jeweils eine Bipolarplatte 100 angeordnet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Einzelzellen 11 realisiert. - Zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 mit ihren eigentlichen Betriebsmedien 3 (Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff), 5 (Kathoden-Betriebsmedium) weist das Brennstoffzellenaggregat 1 eine Anodenversorgung 20 und eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst insbesondere: einen Brennstoffspeicher 23 für das Anoden-Betriebsmedium 3 (hinströmend); einen Anoden-Versorgungspfad 21 mit einen Ejektor 24; einen Anoden-Abgaspfad 22 für ein Anoden-Abgas 4 (abströmend, meist in die Umgebung 2); bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 mit einer darin befindlichen Fluid-Fördereinrichtung 26 und ggf. einen Wasserabscheider. - Die Kathodenversorgung 30 umfasst insbesondere: einen Kathoden-Versorgungspfad 31 für das Kathoden-Betriebsmedium 5 (hinströmend, meist aus der Umgebung 2), mit bevorzugt einer Fluid-Fördereinrichtung 33; einen Kathoden-Abgaspfad 32 für ein Kathoden-Abgas 6 (abströmend, meist in die Umgebung 2) mit bevorzugt einer Turbine 34, ggf. der eines Abgasturboladers; bevorzugt einem Feuchteübertrager 36; ggf. einem Wastegate 35 zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 22; und ggf. einen Wasserabscheider.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner insbesondere eine Kühlmediumversorgung 40, durch welche hindurch die Brennstoffzelle 10 bevorzugt mittels ihrer Bipolarplatten 100 in einen Kühlkreislauf wärmeübertragend zum Temperieren einbindbar ist. Die Kühlmediumversorgung 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41 und einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42. Eine Förderung des in der Kühlmediumversorgung 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 (hinströmend), 8 (abströmend) erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer Kühlmedium-Fördereinrichtung 43. - Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenaggregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B. ein Steuergerät, welches eines des Brennstoffzellenfahrzeugs sein kann.
Die 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Herstellungsanlage für das Polarplatten-Endloshalbzeug 80, 88 bzw. eine Vielzahl von Polarplatten 90. Die Herstellungsanlage umfasst einen Extruder 200 (vgl. o.) mit Breitschlitzdüse 210 zum Herstellen, d. h. zum Zurverfügungstellen, einer sich in einer Fläche F₈₂ erstreckenden (ersten) Polarplatten-Endlosfolie 80, 82 aus einem elektrisch leitfähigen Kompositpolymer 98 (Polymer inkl. elektrisch leitender Füllstoff 99, vgl. 5) als einen ersten Schritt des Verfahrens. Statt dem Extruder 200 kann auch ein Kalander zum Einsatz kommen. Ferner kann das Extrudieren bzw. Kalandrieren der Polarplatten-Endlosfolie 80, 82 an einem anderen Ort erfolgen, d. h. der erste Schritt des Verfahrens besteht dann in einem Bereitstellen als Zurverfügungstellen der Polarplatten-Endlosfolie 80, 82.
Ferner umfasst die Herstellungsanlage bevorzugt zwei Walzstationen 300, 400; eine (300) zum Einstellen (zweiter Schritt des Verfahrens) eine Zieldicke D₈₆ der Polarplatten-Endlosfolie 80, 84/86 und/oder eine (400) zum Formgeben (dritter Schritt des Verfahrens) der Polarplatten-Endlosfolie 80, 84/86 zum Polarplatten-Endloshalbzeug 80, 88. Die Walzstation 300 weist zum Einstellen der Zieldicke D₈₆ wenigstens ein/en Duowalzgerüst 310/330 oder -stuhl 310/330, insbesondere zwei Duowalzgerüste 310, 330 oder -stühle 310, 330 auf. Die Walzstation 400 weist zum Formgeben wenigstens oder genau ein/en Duowalzgerüst 410 oder -stuhl 410 auf.
Des Weiteren kann die Herstellungsanlage eine Station 500, insbesondere eine Schneidestation 500 mit einem Schneidwerkzeug, zum Vereinzeln (vierter Schritt des Verfahrens) von Polarplatten 90 aus dem Polarplatten-Endloshalbzeug 80, 88 aufweisen. In einem darauf folgenden Schritt (nicht dargestellt) kann aus zwei solcher Polarplatten 90 oder einer solchen Polarplatten 90 und wenigstens einer zweiten Polarplatte (90) eine als Bipolarplatte 100 ausgebildete Polarplatte 100 erhalten werden. Hierfür werden die wenigstens zwei einander betreffenden Polarplatten 90 fest miteinander verbunden (vgl. 4).
Vorliegend kann die Walzstation 300 zwei Teilstationen 310, 330 umfassen. In der ersten Teilstation 310 (erster Teilschritt des zweiten Schritts des Verfahrens, vgl. o.) kann durch wenigstens eine oberflächenstrukturierte Strukturwalze 310, insbesondere ein Strukturwalzenpaar 310, 310, eine Ausrichtung des Füllstoffs 99 in der Polarplatten-Endlosfolie 80, 82 teilweise umorientiert werden. Hierzu können mittels der wenigstens einen Strukturwalze 310, insbesondere des Strukturwalzenpaars 310, 310, Dehnstömungen in einem Winkel zur Fläche F₈₂ der Polarplatten-Endlosfolie 80, 82 in das Kompositpolymer 98 eingebracht werden. Die 3 zeigt beispielhaft eine solche Oberflächengeometrie eines Strukturwalzenpaars 310, 310 mit einem Strukturspalt 320 (Dicke D₈₄). - Vgl. ferner hierzu o.
Nach der ersten Teilstation 310 weist die Polarplatten-Endlosfolie 80, 84 eine z. B. durch das Strukturwalzenpaar 310, 310 veränderte äußere Form auf, wobei sich der Füllstoff 99 nicht mehr im Wesentlichen nur entlang der Fläche F₈₂ orientiert, sondern bevorzugt auch einem ca. rechten Winkel dazu. Die Polarplatten-Endlosfolie 80, 84 ist als außen-strukturierte Polarplatten-Endlosfolie 80, 84 ausgebildet. Vgl. ferner hierzu o. - In der zweiten Teilstation 330 (zweiter Teilschritt des zweiten Schritts des Verfahrens, vgl. o.) kann durch wenigstens eine Glattwalze 330, insbesondere ein Glattwalzenpaar 330, 330, die neue (Teil-)Ausrichtung des Füllstoffs 99 in einem Winkel zu seiner ursprünglichen Orientierung (Fläche F₈₂) manifest (Formgedächtnis des Kompositpolymers 98) in der durch Glattwalzen nun innen-strukturierten Polarplatten-Endlosfolie 80, 86 eingerichtet werden. - Vgl. ferner hierzu o.
Insbesondere durch die wenigstens eine Glattwalze 330 aber ggf. auch durch „Mitarbeit‟ der wenigstens einen Strukturwalze 310 wird die Zieldicke D₈₆ der Polarplatten-Endlosfolie 80, 84/86 vor der Walzstation 400 eingestellt. - Mittels der zweiten Walzstation 400, insbesondere wenigstens einer Prägewalze 410, bevorzugt einem Prägewalzenpaar 410, 410, wird die glatte, innen-strukturierte Polarplatten-Endlosfolie 80, 86 zu einem Polarplatten-Endloshalbzeug 80, 88 umgewalzt. - Unmittelbar oder mittelbar danach werden die Polarplatten 90 mittels der Schneidestation 500 aus dem Polarplatten-Endloshalbzeug 80, 88 herausgetrennt und z. B. zu Bipolarplatten 100 weiterverarbeitet.
Die 4 zeigt beispielhaft eine Bipolarplatte 100 aus zwei unterschiedlich ausgebildeten Polarplatten 90. Es ist natürlich möglich, eine Bipolarplatte 100 aus zwei gleichen Polarplatten 90 und/oder mehr als zwei Platten aufzubauen. Hierbei sind die Kanäle eines späteren Anodenraums 12 und die Kanäle eines späteren Kathodenraums 13 von außen frei zugänglich, wohingegen von den beiden Polarplatten 90 die Kühlmediumpfade 41, 42 eingeschlossen sind. Hierbei erstrecken sich die Kanäle des Anodenraums 12 und des Kathodenraums 13 sowie die Kühlmediumpfade 41, 42 bevorzugt in Längsrichtung Lr der Bipolarplatte 100. Eine Ausrichtung in Breitenrichtung Br ist ebenfalls anwendbar. - Vgl. ferner hierzu o.
Die 5 zeigt beispielhaft einen Querschnitt (Dicke D₉₂) einer sich entlang einer Fläche F₉₀ erstreckenden Polarplatte 90 der Bipolarplatte 100 aus 4. Hierbei erstreckt sich der Füllstoff 99 des Kompositpolymers 98, aus welchem die Polarplatte 90 hergestellt ist, einerseits in seiner globalen Haupterstreckungsrichtung in Längsrichtung Lr (nicht dargestellt, aus 2 herzuleiten) sowie gestaffelt in Breitenrichtung Br, und ist andererseits in Füllstoffbündeln 97 innerhalb der Polarplatte 90 eingerichtet. Die Füllstoffbündel 97 besitzen lokale Haupterstreckungsrichtungen H_I, welche in einem Winkel zur globalen Haupterstreckungsrichtung Lr angeordnet sind. Ferner sind die Füllstoffbündel 97 vorliegend im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wobei eine Vielzahl von jeweils zwei direkt zueinander benachbarten Füllstoffbündeln 97 gegensinnig zueinander angeordnet sind; d. h die Füllstoffbündel 97 sind antiparallel in der Polarplatte 90 eingerichtet. - Vgl. ferner hierzu o.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Polarplatten-Endloshalbzeugs (80, 88) für Polarplatten (90, 100) für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen (10), dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt des Verfahrens, eine sich flächig (F₈₂) erstreckende erste Polarplatten-Endlosfolie (80, 82) aus einem elektrisch leitfähigen Kompositpolymer (98) zur Verfügung gestellt wird, in einem zweiten Schritt des Verfahrens durch einen Walzprozess der Polarplatten-Endlosfolie (80, 82) eine Zieldicke (D₈₆) der Polarplatten-Endlosfolie (80, 84/86) eingestellt wird, und in einem dritten Schritt des Verfahrens, die Polarplatten-Endlosfolie (80, 84/86) durch einen Formgebungsprozess ihre endgültige Form erhält und ein Polarplatten-Endloshalbzeug (80, 88) erhalten wird.
Halbzeug-Herstellverfahren gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt als ein Urformprozess des ersten Polarplatten-Endloshalbzeug (80, 88) und/oder das Halbzeug-Herstellverfahren als ein Urformprozess für die Polarplatten (90, 100) ausgebildet ist, und/oder im ersten Schritt die erste Polarplatten-Endlosfolie (80, 82) aus einem Kompositpolymer-Extrudat eines Extrusionsprozesses oder aus einer Kompositpolymer-Schmelze eines Kalandrierprozesses zur Verfügung gestellt wird.
Halbzeug-Herstellverfahren gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass: • im zweiten Schritt eine wesentliche Ausrichtung eines elektrisch leitenden Füllstoffs (99) der ersten Polarplatten-Endlosfolie (80, 82) in Richtung der Fläche (F₈₂) der ersten Polarplatten-Endlosfolie (80, 82), teilweise in eine wesentliche Ausrichtung in einem Winkel zu dieser Fläche (F₈₂) umorientiert wird, • im zweiten Schritt erzwungene Dehnstömungen in das plastisch zu verformende Kompositpolymer (98) eingebracht werden, welche einen Winkel zur Erstreckung der Fläche (F₈₂) der ersten Polarplatten-Endlosfolie (80, 82) aufweisen, • in einem ersten Teilschritt des zweiten Schritts, durch plastische Dehnungen der ersten Polarplatten-Endlosfolie (80, 82) Erhebungen und/oder Vertiefungen flächig in die Polarplatten-Endlosfolie (80, 82) eingebracht werden und dadurch eine außen-strukturierte Polarplatten-Endlosfolie (80, 84) erhalten wird, und/oder • in einem zweiten Teilschritt des zweiten Schritts, durch plastische Stauchungen der außen-strukturierten Polarplatten-Endlosfolie (80, 84) deren Erhebungen und/oder Vertiefungen im Wesentlichen nivelliert werden und dadurch eine glatte und innen-strukturierte Polarplatten-Endlosfolie (80, 86) erhalten wird.
Halbzeug-Herstellverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Teilschritt die Umorientierung des Füllstoffs (99) oder die plastischen Dehnungen durch wenigstens eine oberflächenstrukturierte Strukturwalze (310/310) in die erste Polarplatten-Endlosfolie (80, 82) eingebracht werden, und/oder die Oberflächen eines Strukturwalzenpaars (310, 310) derart ausgestaltet sind, dass beim Walzen Erhebungen (312) einer Walze (310) Vertiefungen (314) der anderen Walze (310) und ggf. vice versa über einen Strukturspalt (320) einander gegenüberliegen.
Halbzeug-Herstellverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • ein/der Strukturspalt (320) in seiner Breitenrichtung (B) und/oder Dickenrichtung (D) Engstellen (322) aufweist, • die Engstellen (322) jeweils zwischen einander gegenüberliegenden und direkt benachbarten Erhebungen (312, 312) vorgesehen sind, und/oder • ein/der Strukturspalt (320) als ein Mäander-Strukturspalt (320) oder ein einfach oder doppelt gezahnter Strukturspalt (320) ausgestaltet ist.
Halbzeug-Herstellverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • im zweiten Teilschritt die Umorientierung des Füllstoffs (99) festgelegt oder die plastischen Stauchungen der außen-strukturierten Polarplatten-Endlosfolie (80, 84) durch wenigstens eine oberflächenglatte Glattwalze (330, 330) eingebracht werden, • im zweiten Teilschritt die Zieldicke (D₈₆) der Polarplatten-Endlosfolie (80, 86) eingestellt wird, und/oder • der Formgebungsprozess im dritten Schritt als ein Prägeprozess, insbesondere Prägewalzprozess ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Polarplatte (90, 100), insbesondere einer Bipolarplatte (100), dadurch gekennzeichnet, dass: • zunächst ein Polarplatten-Endloshalbzeug (80, 88) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird, • in einem zeitlichen Anschluss daran, aus dem Polarplatten-Endloshalbzeug (80, 88) eine Vielzahl von Polarplatten (90) vereinzelt wird, und/oder • in einem zeitlichen Anschluss daran, eine erste Polarplatte (90) mit genau oder wenigstens einer zweiten Polarplatte (90) zu einer als Bipolarplatte (100) ausgebildeten Polarplatte (100) verbunden wird.
Polarplatte (90, 100), insbesondere Bipolarplatte (100), für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellenaggregats (1) bevorzugt für ein Brennstoffzellenfahrzeug, wobei sich die Polarplatte (90, 100) mit einem Querschnitt (92, D₉₂) entlang einer Fläche (F₉₀; Lr, Br) erstreckt und aus einem Kompositpolymer (98) aufweisend einen Füllstoff (99) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (99), neben seiner globalen Haupterstreckungsrichtung (Lr, Br), in Füllstoffbündeln (97) innerhalb der Polarplatte (90, 100) eingerichtet ist, welche in einem Winkel zu seiner globalen Haupterstreckungsrichtung (Lr, Br) angeordnet sind.
Polarplatte (90, 100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • die globale Haupterstreckungsrichtung (Lr, Br) des Füllstoffs (99) innerhalb der Polarplatte (90, 100) im Westlichen einer Längsrichtung (Lr) und/oder Breitenrichtung (Br) der Polarplatte (90, 100) entspricht, • die Füllstoffbündel (97) derart innerhalb der Polarplatte (90, 100) eingerichtet sind, dass diese eine elektrisch leitende Verbindung zwischen großflächigen Seiten der Polarplatte (90, 100) bilden, und/oder • ein Winkel einer gemittelten lokalen Haupterstreckungsrichtung (H_I) der Füllstoffbündel (97) zur globalen Haupterstreckungsrichtung (Lr, Br) im Wesentlichen ca. 90° ± ca.: 2°, 5°, 10°, 15°, 20°, 30°, 40°, 50° oder 60° beträgt.
Polarplatte (90, 100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • Füllstoffbündel (97) wenigstens bereichsweise regelmäßig verteilt in der Polarplatte (90, 100) eingerichtet sind, • die Füllstoffbündel (97) in zueinander benachbarten Strängen des Kompositpolymers (98) eingerichtet sind, • die lokalen Haupterstreckungsrichtungen einer Vielzahl von Füllstoffbündeln (97) im Wesentlichen parallel zueinander eingerichtet sind, und/oder • eine Vielzahl von jeweils zwei direkt zueinander benachbarten Füllstoffbündeln (97) gegensinnig zueinander eingerichtet sind.
Polarplatte (90, 100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die Polarplatte (90, 100) wenigstens bereichsweise aus einem Abschnitt eines Polarplatten-Endloshalbzeugs (80, 88) ausgebildet ist, • das Polarplatten-Endloshalbzeug (80, 88) durch ein Herstellverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche herstellbar oder hergestellt ist, • die Polarplatte (100) als eine Bipolarplatte (100) mit wenigstens zwei Polarplatten (90, 90; 90, ...) ausgebildet ist, und/oder • die Polarplatte (90, 100) durch ein Herstellverfahren gemäß Anspruch 7 herstellbar oder hergestellt ist.
Elektrochemische Zelle, insbesondere Brennstoffzelle (10); Brennstoffzellenaggregat (1) oder Brennstoffzellensystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polarplatte (90, 100), insbesondere eine Bipolarplatte (100), der elektrochemischen Zelle, des Brennstoffzellenaggregats (1) oder des Brennstoffzellensystems durch ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, und/oder die elektrochemische Zelle, das Brennstoffzellenaggregat (1) oder das Brennstoffzellensystem eine Polarplatte (90, 100), insbesondere eine Bipolarplatte (100), gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.