EP4584834A1

EP4584834A1 - Bipolarplatten-herstellungsverfahren, bipolarplatte und elektrochemische zelle

Info

Publication number: EP4584834A1
Application number: EP23748696.4A
Authority: EP
Inventors: Roland KARPINSKI; Heiko BALLMES; Philipp Mayer; Torsten Keller
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2023-07-19
Publication date: 2025-07-16
Also published as: JP2025528956A; US20260084349A1; KR20250034142A; CN119585893A; WO2024051879A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bipolarplatten-Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (4), insbesondere für eine elektrochemische Zelle, welches folgende Schritte umfasst: -Bereitstellung von zwei Folienabschnitten (2, 3) aus einem polymergraphitischen Werkstoff umfassend mindestens ein Polymer und mindestens 75 Gew.-% eines elektrisch leitenden Füllstoffs umfassend überwiegend Graphit und weiterhin Ruß, -Einlegen der beiden Folienabschnitte (2, 3) in ein Präge- und Hohlformwerkzeug (6), -Schließen des Werkzeugs (6), wobei die Folienabschnitte (2, 3) geprägt und an ihren Rändern dicht miteinander verbunden werden, -Ausformen einer Hohlstruktur (40) zwischen den Folienabschnitten (2, 3) durch Gasdruckunterschiede an den Folienoberflächen, wobei sich die Folienabschnitte (2, 3) an Oberflächenstrukturen (11, 12) einander zugewandter Werkzeugoberflächen des Präge- und Hohlformwerkzeugs (6) anlegen, -Entnahme der aus den Folienabschnitten (2, 3) gebildeten Bipolarplatte (4) aus dem Präge- und Hohlformwerkzeug (6) nach dem Festwerden der Folienabschnitte (6).

Description

Bipolarplatten-Herstellunqsverfahren, Bipolarplatte und elektrochemische Zelle

Die Erfindung betrifft ein Bipolarplatten-Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, insbesondere für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle. Ferner betrifft die Erfindung eine Bipolarplatte und eine elektrochemische Zelle.

Die DE 10 2008 028 549 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoff- zellen-Bipolarplatte mit thermogeformten Platten. Die einzelnen Platten werden aus einem Harzgemisch gefertigt, das eine elektrisch leitende thermoplastische Polymerzusammensetzung und ein Lösungsmittel umfasst. Nachdem die einzelnen Platten geformt und zugeschnitten sind, werden sie zu einer Bipolarplatte zusammengesetzt.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden bipolaren Kunststoffplatte, welche zur Verwendung als Elektrode in einer Brennstoffzellenbatterie vorgesehen ist, ist in der EP 1 506 585 B1 beschrieben. In diesem Fall wird die Erzeugung einer Struktur mit elektrisch leitenden, karbonisierten oder graphitierten Verstärkungsfasern vorgeschlagen, wobei eine mechanische Orientierung der Verstärkungsfasern durch Vernadeln in einer ersten Richtung, die dem bevorzugten elektrischen Leitungsweg entspricht, zu einer höheren Leitfähigkeit in der genannten ersten Richtung führen soll. Als Verstärkungsfasern werden in der EP 1 506 585 B1 graphitierte PAN- Fasern sowie graphitierte Pechfasern vorgeschlagen. Im Fertigprodukt liegen die Fasern in Form einer Matrix vor, welche zusätzlich Füllstofffasern enthalten kann. Als mögliche Verfahren, mit welchen die Matrix erhalten wird, sind in der EP 1 506 585 B1 Warmformen, Membranformen, Druckguss, Harzübertragungsformen, Formen unter Druck und Vakuum, Laminieren sowie Prägepressen genannt.

Die DE 10 2011 116 993 A1 hat eine Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Folienbauteils, welches als Brennstoffzellenkomponente verwendbar sein soll, zum Gegenstand. Zum Beginn des Herstellungsprozesses werden zwei Folien übereinander angeordnet und zumindest bereichsweise fluiddicht miteinander verbunden. Durch Einleitung eines unter Druck stehenden Fluids in einen zwischen den Folien gebildeten Zwischenraum, wobei sich die Folien in einem Umformwerkzeug befinden, soll sich die Form der Folien Oberflächenstrukturen der Umformwerkzeuge anpassen. Die DE 10 2011 116 993 A1 sieht vor, dass die Werkzeugformteile des Umformwerkzeugs während des Umformvorgangs aufeinander zu bewegt werden. Hierbei wird kontrolliert Fluid aus dem zwischen den Folien gebildeten Hohlraum abgelassen.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer metallischen Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel ist zum Beispiel in der DE 10 2010 020 178 A1 beschrieben. Insbesondere befasst sich die DE 10 2010 020 178 A1 mit der Herstellung von Gasverteilerstrukturen, wobei als Fertigungstechnologie Scherschneiden empfohlen wird.

Die DE 10 2009 044 112 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten Verbundbauteils. Dazu werden eine erste und eine zweite Folie aus thermoplastischem Polymermaterial zwischen Formbauteilen angeordnet, die durch das Folienmaterial auszufüllende Mikrostruktur-Hohlformen aufweisen und im Kontaktbereich zu den Folien erwärmt sind. Zwischen den beiden Folien wird ein Überdruck erzeugt, der die Folien in die Hohlformen drängt. Schließlich werden die Folien zusammengepresst und abgekühlt. Nach dem Entformen liegt das mikrostrukturierte Verbundbauteil mit Mikrostrukturen vor, welche Kanäle für Flüssigkeiten bereitstellen.

Die US 6 217 699 B1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbindung vorab thermogeformter Kunststofffolien durch ein Verschweißen.

Die DE 12 50 627 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines doppelwandigen Hohlkörpers aus thermoplastischen Kunststofffolien. Dazu werden zwei erwärmte Kunststofffolien in plastifiziertem Zustand in gesenkartig ausgebildete Formen einge- bracht, dort wenigstens teilweise miteinander verschweißt und innerhalb der Schweißkanten durch einen Druckunterschied geformt.

Die US 3 982 877 A offenbart einen laminierten, rippen-verstärkten Hohlkörper sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen. Es werden mindestens zwei Folien verwendet, wobei mindestens eine aus erwärmtem thermoplastischem Kunststoff besteht und mindestens eine weitere Folie Nuten oder Vorsprünge auf der Oberfläche aufweist, die Fluidkanäle ausformen. Die Folien werden erwärmt und in einander gegenüberliegenden Pressformen angeordnet, wobei eine der Pressformen Rippen-förmige Hohlräume ausbildet. Die thermoplastische Kunststofffolie wird dabei in Kontakt zur den Rippen-förmigen Hohlräumen angeordnet. Nach Schließen der Pressformen wird zwischen den Folien ein Fluid zugeführt und die thermoplastische Folie in die Hohlräume eingeformt sowie die Folien miteinander verbunden. Das thermoplastische Material zur Ausbildung einer Folie kann einen Füllstoff in der Menge 1 bis 70 Gew.-% aufweisen, wobei als mögliche Füllstoffe Asbest, Kohlenstoff, Glasfasern, Kalziumphosphat, Kalziumkarbonat, kaolinitischer Ton, Siliziumdioxid, Titandioxid, Bentonit, Talk und Glimmer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Bipolarplatten für elektrochemische Zellen gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand, geometrischer Präzision des herzustellenden Produktes und Prozesssicherheit angestrebt wird. Weiterhin soll eine Bipolarplatte und eine elektrochemische Zelle bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bipolarplatten- Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 , eine danach hergestellte Bipolarplatte nach Anspruch 9 und eine elektrochemische Zelle nach Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Bipolarplatten-Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die damit hergestellte Bipo- larplattte und umgekehrt. Das Bipolarplatten-Herstellungsverfahren umfasst allgemein folgende Schritte:

- Bereitstellung von zwei Folienabschnitten aus einem polymer-graphitischen Werkstoff umfassend mindestens ein Polymer und mindestens 75 Gew.-% eines elektrisch leitenden Füllstoffs umfassend überwiegend Graphit und weiterhin Ruß,

- Einlegen der beiden Folienabschnitte in ein Präge- und Hohlformwerkzeug,

- Schließen des Werkzeugs, wobei die Folienabschnitte geprägt und an ihren Rändern dicht miteinander verbunden werden,

- Ausformen einer Hohlstruktur zwischen den Folienabschnitten durch Gasdruckunterschiede, insbesondere Druckunterschiede von Luft, an den Folienoberflächen, wobei sich die Folien an die einander zugewandten Werkzeugoberflächen anlegen,

- Entnahme der aus den Folienabschnitten gebildeten Bipolarplatte nach dem Festwerden der Folienabschnitte.

Es handelt sich somit um ein kombiniertes Verfahren, welches eine mechanische Umformung in Form eines Prägens mit einer Formgebung unter Nutzung von Druckunterschieden eines gasförmigen Mediums verbindet. Eine erste Veränderung geometrischer Parameter der Folienabschnitte tritt bereits durch das Prägen direkt nach dem Einlegen der Folienabschnitte in das Präge- und Hohlformwerkzeug, welches kurz auch als Werkzeug bezeichnet wird, ein. Unter einer Veränderung geometrischer Parameter werden unter anderem Wandstärkeänderungen sowie die Ausbildung dreidimensionaler Prägestrukturen verstanden.

Der größte Teil der Formänderung der Folienabschnitte wird durch anschließend wirkenden Gasdruck, welcher als Unterdrück und/oder Überdruck vorliegen kann, erzielt. Bereits mit dem anfänglichen Prägen der Folienabschnitte wird für die Gasdichtheit zwischen den Folienabschnitten gesorgt. Der Begriff „Folienabschnitte“ wird im vorliegenden Fall für jegliche flächige polymergraphitische Ausgangsprodukte verwendet. Dies gilt auch für Fälle, in denen die Ausgangsprodukte als Tafeln oder Platten vorliegen. Typische Wandstärken bzw. Foliendicken der Folien liegen im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, insbesondere im Bereich von 100 bis 300 pm.

In jedem Fall werden beide Folienabschnitte miteinander in das Werkzeug eingelegt. Eine einzelne Formung von Folienabschnitten ist nicht vorgesehen. Je nach Zusammensetzung und Stärke der Folienabschnitte kann eine Vorwärmung der Folienabschnitte vor dem Einlegen in das Werkzeug in Betracht kommen. Ebenso wird der Grad einer Vorwärmung der Werkzeugteile des Präge- und Hohlformwerkzeugs insbesondere von den Matenaleigenschaften der Folienabschnitte abhängig gemacht.

Unter einem „polymer-graphitischen Werkstoff“ wird hier ein Werkstoff verstanden, der einen Anteil an Polymer und einen Anteil von in Summe mindestens 75 Gew.-% an elektrisch leitfähigen Füllstoffen in Form von überwiegend Graphit und weiterhin Ruß aufweist.

Grundsätzlich kann das Polymer aus thermoplastischem oder aus duroplastischem Material gewählt sein, wobei nicht notwendigerweise ein matenaleinheitlicher Aufbau gegeben sein muss. Insbesondere kommt eine Faserverstärkung der Folien in Betracht. Im Fall thermoplastischer Materialien erfolgt der allgemein als Festwerden bezeichnete Vorgang als Erstarren. Im Fall duroplastischer Materialen handelt es sich bei dem Festwerden um ein Aushärten. Als thermoplastische Materialien haben sich insbesondere Polypropylen (PP) oder Polyphenylensulfid (PPS) bewährt. Als duroplastische Materialien haben sich insbesondere Polyesterharze oder Epoxidharze bewährt.

Der maximale Anteil an Füllstoff bzw. der minimale Anteil an Polymer in der Folie ist erreicht, wenn keine Folienbildung mehr möglich ist und der Polymeranteil nicht mehr ausreicht, die Füllstoffpartikel in eine Folie einzubinden. Dies kann experimentell in einfacher Form ermittelt werden.

Gemäß einer möglichen Verfahrensvariante ergibt sich die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Folienabschnitten an deren Rändern bereits unmittelbar durch das Schließen des Präge- und Hohlformwerkzeugs. Alternativ kann vorgesehen sein, die Folienabschnitte erst in einer späteren Phase des Herstellungsprozesses, in jedem Fall noch innerhalb des Präge- und Hohlformwerkzeugs, dauerhaft, insbesondere stoffschlüssig, miteinander zu verbinden, wobei zu diesem Zweck Heizvorrichtungen der Werkzeugteile vorgesehen sein können, welche die Werkzeugteile und damit auch die Folienabschnitte in definierten Bereichen, in der Regel in Randbereichen der Folienabschnitte, über das ansonsten gegebene Maß hinaus erhitzen.

Eine geeignete Fertigungsanlage, mit welcher die Bipolarplatte, die für eine Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen vorgesehen ist, hergestellt wird, umfasst allgemein ein zweiteiliges Präge- und Hohlformwerkzeug, welches sowohl zur Prägung einer zweilagigen Folienanordnung ausgebildet ist als auch Fluidanschlüsse, insbesondere Vakuum- und/oder Druckluftanschlüsse, zur Formung mindestens eines Hohlraums zwischen den Folien per Gasdruck aufweist.

Die Folie, aus welcher die Folienabschnitte zugeschnitten werden, weist einen Anteil von mindestens 75 Gew.-% an elektrisch leitenden Füllstoffen, hier überwiegend Graphit, insbesondere gemahlener Graphit, und weiterhin Ruß auf, um eine für die vorgesehene Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen ausreichende elektrische Leitfähigkeit von mindestens 20 S/cm, insbesondere mindestens 100 S/cm, bereitzustellen. Dieser minimal zu erreichende Wert für die elektrische Leitfähigkeit ist über eine Foliendicke von maximal 0,5 mm bei einer Raumtemperatur von 20 bis 24°C für die Anwendung der Folie in einer Bipolarplatte erforderlich.

Dabei wird ein sogenanntes „Through-Plane Messverfahren“ (TPV) eingesetzt, um zuerst einen flächenspezifischen elektrischen Durchgangswiderstand der Folie zu be- stimmen, wobei ein Anpressdruck der Messelektroden (= vergoldete Kontaktstifte mit 39° Spitze) von 40 N/cm² auf der Folie aufgebracht wird. Dabei sind flächenspezifische elektrische Durchgangswiderstände von < 10 mQ*cm² bei einer Raumtemperatur im Bereich von 20 bis 24°C gefordert. Anschließend wird der ermittelte elektrische Widerstandwert in die elektrische Leitfähigkeit umgerechnet.

Der mit einem Gesamtanteil von mindestens 75 Gew.-% in der Folie eingesetzte Füllstoff umfasst bevorzugt einen Anteil an 5 bis 10 Gew.-% Ruß und 65 bis 70 Gew.-% gemahlenem Graphit (auf die Zusammensetzung der Folie gerechnet).

Die Füllstoffpartikel des elektrisch leitenden Füllstoffs weisen vorzugsweise eine Kornverteilung mit einem dgo -Wert von maximal 200 pm, bevorzugt von 75 pm, auf.

Zur Verarbeitung der Folie im Präge- und Hohlformwerkzeug werden die Folienabschnitte in vorteilhafter Verfahrensführung auf eine Temperatur oberhalb der Formbeständigkeitstemperatur und unterhalb der Schmelztemperatur gebracht. Damit wird zum einen eine gute Umformbarkeit erzielt und zum anderen eine Entmischung von Komponenten, insbesondere Füllstoff und Kunststoff, der Folie praktisch vollständig vermieden. Metallische Bestandteile der Folie sind in typischen Ausgestaltungen nicht vorgesehen, jedoch nicht kategorisch ausgeschlossen. Keinesfalls stellt Metall den Hauptbestandteil der Folien dar. So kann ein Anteil an bis zu 20 Gew.-% Metallpartikel, beispielsweise aus mindestens einem der Metalle der Gruppe Titan, Titanlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Vanadium, Vanadiumlegierungen, wie beispielsweise Ti6AI4V, der Folie beigemischt sein.

Je nach den verwendeten Materialien und den zu erzeugenden geometrischen Strukturen kann es ausreichend sein, die Folienabschnitte mittels Unterdrucks zur flächigen Anlage an die entsprechend der vorgesehenen Form des Endproduktes dreidimensional strukturierten Oberflächen der Werkzeugteile zu bringen. Gemäß einer weiterentwickelten Verfahrensvariante wird zusätzlich Druckluft zwischen die Folienabschnitte, das heißt in den auszuformenden Hohlraum, eingeleitet. Um die Erhitzung der Folien- abschnitte im Werkzeug zu unterstützen, kann es sich hierbei um temperierte, das heißt auf ein erhöhtes Temperaturniveau gebrachte Druckluft handeln. Um das spätere Festwerden der aus den Folienabschnitten gebildeten Bipolarplatte zu unterstützen, nachdem diese ihre endgültige Form angenommen hat, kann statt der erhitzten Druckluft zu gegebener Zeit Kühlluft zwischen die Folienabschnitte eingeleitet werden. Die Folienabschnitte werden im Werkzeug somit zunächst heißer Luft und in einem späteren Verfahrensstadium gekühlter Luft ausgesetzt. In allen Fällen können zum Auswerfen der fertigen, aus den Folienabschnitten gebildeten Bipolarplatte aus dem Werkzeug dieselben Anschlüsse verwendet werden, welche zunächst zum Anlegen eines Unterdrucks verwendet werden.

Ein wesentlicher Vorteil des anmeldungsgemäßen Bipolarplatten-Herstellungs- verfahrens gegenüber Verfahren, die ein einzelnes Umformen von plattenförmigen Elementen vorsehen, liegt darin, dass durch die gleichzeitige Bearbeitung beider Folienabschnitte im Präge- und Hohlformwerkzeug jegliches Ausrichten der Folienabschnitte nach deren Formgebung entfällt. Optional schließt sich an die Herstellung der Bipolarplatte aus den Folienabschnitten eine Dichtheitsprüfung an. Als Anschlüsse für die Dichtheitsprüfung können dieselben, an bestimmten Stellen zwischen den Folienabschnitten gebildeten Öffnungen genutzt werden, die bereits zum Einleiten von Druckluft bei der Formung der Bipolarplatte verwendet wurden. Darüber hinaus sind dieselben Öffnungen nutzbar, um innerhalb des späteren Stapels elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellenstapels, welcher eine Vielzahl an Bipolarplatten der beschriebenen Art umfasst, Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, durch die Bipolarplatten durchzuleiten.

Eine Bipolarplatte, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, weist mindestens eine, insbesondere kanalförmige, Hohlstruktur zur Fluiddurchleitung durch die Bipolarplatte auf.

Eine elektrochemische Zelle, insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolysezelle oder Re- dox-Fluss-Zelle, umfasst mindestens eine solche erfindungsgemäße Bipolarplatte. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildete Bipolarplatte eignet sich demnach für den Einsatz in elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen mit Polymerelektrolytmembran, Elektrolysezellen zur Elektrolyse von Wasser mit Polymerelektrolytmembran oder Redox-Fluss-Zellen mit polymerer lonenaustauschmemb- ran.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert. Hierin zeigen, teilweise grob schematisiert:

Fig. 1 eine Fertigungsanlage zur Veranschaulichung eines Bipolarplatten- Herstellungsverfahrens,

Fig. 2 die Anordnung nach Figur 1 in teils detaillierterer Darstellung,

Fig. 3 eine modifizierte Anlage zur Veranschaulichung eines Bipolarplatten- Herstellungsverfahrens in einer Darstellung analog Figur 2,

Fig. 4 eine Bipolarplatte in dreidimensionaler Ansicht, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle und eines Ze II stacks.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Eine Fertigungsanlage 1 nutzt Folienabschnitte 2, 3 aus einem elektrisch leitfähigen polymer-graphitischen Material zur Herstellung von Bipolarplatten 4 für elektrochemische Zellen, insbesondere PEM-Brennstoffzellen. Innerhalb eines fertiggestellten Stapels elektrochemischer Zellen trennt jede Bipolarplatte 4 eine Halbzelle einer ersten elektrochemischen Zelle von einer Halbzelle einer weiteren, gleichartig aufgebauten elektrochemischen Zelle. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion ge- stapelter elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.

Die Folienabschnitte 2, 3 werden in nicht näher dargestellter Weise gefördert und in einer Vorwärmeinrichtung 5 auf die für die weitere Verarbeitung erforderliche Temperatur gebracht. In übereinander liegender Anordnung werden die Folienabschnitte 2, 3 in ein, hier und nachfolgend im Schnitt dargestellten, Präge- und Hohlformwerkzeug 6 eingelegt, welches ein unteres Werkzeugteil 7 und ein oberes Werkzeugteil 8 umfasst.

Anschließend wird das Präge- und Hohlformwerkzeug 6 geschlossen, was einen Prägevorgang bedeutet, bei welchem die beiden Folienabschnitte 2, 3 an den Kontaktstellen stoffschlüssig miteinander verbunden werden und bereits teilweise eine Geometrieübertragung von den Werkzeugteilen 7, 8 auf die Folienabschnitte 2, 3, welche sich in der Weiterverarbeitung zur Bipolarplatte 4 befinden, erfolgt. Die Folienabschnitte 2, 3 kontaktieren hierbei insbesondere Abdichtbereiche 9, 10 der Werkzeugteile 7, 8.

Im weiteren Herstellungsverfahren wird in nachstehend noch näher erläuterter Weise durch Einwirkung von Unterdrück und/oder Überdruck die Form der Folienabschnitte 2, 3 der Form von Oberflächenstrukturen 11 , 12 der Werkzeugteile 7, 8 angepasst. Bezogen auf die symbolisierte Darstellung nach Figur 1 , findet dieser Umformschritt noch in der oberen Zeile der das Herstellungsverfahren veranschaulichenden Figur statt. Im Anschluss, in Figur 1 links in der unteren Zeile, wird die fertiggestellte, aus den Folienabschnitten 2, 3 gebildete Bipolarplatte 4 innerhalb des noch geschlossenen Präge- und Hohlformwerkzeugs 6 gekühlt. Den letzten Schritt stellt das Freistellen und Entformen der Bipolarplatte 4 dar. Die entformte Bipolarplatte 4 ist in den Figuren 1 , 2 und 3 im Schnittbild dargestellt, so dass die zwischen den verbundenen Folienabschnitten 3, 2 gebildete, hier kanalförmige, Hohlstruktur 40 erkennbar sind, die einer Fluiddurchleitung durch die Bipolarplatte 4 dient. Üblicherweise wird ein Kühlmittel, wie Kühlwasser, durch die Hohlstruktur 40 geleitet. In den Werkzeugteilen 7, 8 sind jeweils Kanäle 13, 14 ausgebildet, welche bedarfsweise zum Heizen oder zum Kühlen zu verwenden sind. Alternativ können gesonderte Heizkanäle einerseits und Kühlkanäle andererseits vorgesehen sein. Auch die Integration elektrischer Heizelemente in die Werkzeugteile 7, 8 ist möglich. Mit solchen Heizelementen kann insbesondere das stoffschlüssige Verbinden der Folienabschnitte 2, 3 bewirkt oder unterstützt werden. Ferner sind in den Werkzeugteilen 7, 8 Druckluftkanäle 15, 16 ausgebildet, welche jeweils von einer Sammelleitung 17, 18 bis zur Werkzeugoberfläche, welche die Oberflächenstruktur 11 , 12 aufweist, reichen. Der Begriff „Druckluftkanal“ wird im vorliegenden Fall unabhängig davon verwendet, wie hoch der absolute Druck des in den betreffenden Kanal befindlichen Gases ist. Insbesondere kann der absolute Druck geringer als der Umgebungsluftdruck sein.

Wie aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht, ist an jede Sammelleitung 17, 18 eine Vakuumpumpe 19 angeschlossen. Mit Hilfe der Vakuumpumpen 19 wird ein Unterdrück erzeugt, welcher die Folienabschnitte 2, 3 an die Oberflächenstrukturen 11 , 12 der Werkzeugteile 7, 8 saugt. In der Variante nach Figur 3 wird zusätzlich mit Hilfe eines Kompressors 20 ein zwischen den Folienabschnitten 2, 3 wirkender Innendruck pi erzeugt, der mittels eines Manometers 21 überwachbar ist. Sowohl in der Variante nach den Figuren 1 und 2 als auch in der Variante nach Figur 3 wird das Entformen der Bipolarplatte 4 dadurch unterstützt, dass über die Druckluftkanäle 15, 16 Druckluft auf die Außenoberflächen der Bipolarplatte 4 aufgegeben wird.

Druckluft, welche zwischen die Folienabschnitte 2, 3 einzuleiten ist, wird je nach Verfahrensstadium temperiert. Durch erwärmte Druckluft können nicht nur die Folienabschnitte 2, 3, sondern auch die Innenseiten der Werkzeugteile 7, 8 rasch erhitzt werden. Analoges gilt bei der Entformung der Bipolarplatte 4. Bei der Verwendung thermoplastischer Materialien werden die Temperaturniveaus der Druckluft der Umformtemperatur beziehungsweise der Entformungstemperatur des Materials angepasst. Im Fall duroplastischer Materialien wird durch Festsetzung geeigneter Temperaturni- veaus zunächst die Viskosität für das Umformen verringert. Die weitere Temperatur- führung richtet sich nach der Aktivierungstemperatur des im Material der Folienabschnitte 2, 3 enthaltenen Härters. Durch Beschleunigung der temperaturabhängigen Vernetzungsreaktionen wird das Erstarren der Bipolarplatte 4 nach der Formgebung unterstützt und damit die Taktzeit verringert.

Nach dem Abtrennen von eventuellen Materialüberstand ist die Bipolarplatte 4 unabhängig von den verwendeten Materialien ohne weitere Bearbeitung für die Montage in einer elektrochemischen Zelle oder einem damit ausgebildeten Zellenstapel verwendbar.

Figur 4 zeigt eine Bipolarplatte 4 in dreidimensionaler Ansicht. Diese weist auf ihren, der hier nicht sichtbaren Hohlstruktur 40 (vergleiche Figuren 1 bis 3) abgewandten Seiten jeweils ein Aktivfeld 41 auf, in dessen Bereich in einer elektrochemischen Zelle 70 (vergleiche Figur 5) elektrochemische Reaktionen stattfinden. Die rechteckige Bipolarplatte 4 weist an ihren kurzen Seiten jeweils drei Fluiddurchtrittsöffnungen auf. Die mittleren Fluiddurchtrittsöffnungen dienen als Kühlmittel-Zuführöffnung 50 und Kühlmittel-Abführöffnung 51 . Diese sind mit der Hohlstruktur 40 innerhalb der Bipolarplatte 4 fluidtechnisch verbunden und ermöglichen eine Zuführung von Kühlmittel zur Hohlstruktur 40, welches die Hohlstruktur 40 durchströmt, und eine Abführung des Kühlmittels nach Verlassen der Hohlstruktur 40.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle 70 in einem Zellstack 100 umfassend mehrere solche elektrochemische Zellen 70. Die elektrochemische Zelle 70 umfasst dabei zwei Bipolarplatten 4 und eine dazwischen angeordnete Polymerelektrolytmembrane 60, wobei aneinander angrenzende elektrochemische Zellen 70 dabei eine Bipolarplatte 4 teilen. Bezuqszeichenliste

1 Fertigungsanlage

2 Folienabschnitt

3 Folienabschnitt

4 Bipolarplatte

5 Vorwärmeinrichtung

6 Präge- und Hohlformwerkzeug

7 unteres Werkzeugteil

8 oberes Werkzeugteil

9 Abdichtbereich des oberen Werkzeugteils

10 Abdichtbereich des unteren Werkzeugteils

11 Oberflächenstruktur des oberen Werkzeugteils

12 Oberflächenstruktur des unteren Werkzeugteils

13 Kanal für Temperierungsfluid im oberen Werkzeugteil

14 Kanal für Temperierungsfluid im unteren Werkzeugteil

15 Druckluftkanal im oberen Werkzeugteil

16 Druckluftkanal im unteren Werkzeugteil

17 Sammelleitung im oberen Werkzeugteil

18 Sammelleitung im unteren Werkzeugteil

19 Vakuumpumpe

20 Kompressor

21 Manometer

40 Hohlstruktur

41 Aktivfeld

50 Kühlmittel-Zufuhröffnung

51 Kü h I m itte I-Abf üh röff n u ng

60 Polymerelektrolytmembrane

70 elektrochemische Zelle

100 Zellstapel

Pi Innendruck

Claims

Patentansprüche

1. Bipolarplatten-Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (4), insbesondere für eine elektrochemische Zelle, mit folgenden Schritten:

- Bereitstellung von zwei Folienabschnitten (2, 3) aus einem polymergraphitischen Werkstoff umfassend mindestens ein Polymer und mindestens 75 Gew.-% eines elektrisch leitenden Füllstoffs umfassend überwiegend Graphit und weiterhin Ruß,

- Einlegen der beiden Folienabschnitte (2, 3) in ein Präge- und Hohlformwerkzeug (6),

- Schließen des Werkzeugs (6), wobei die Folienabschnitte (2, 3) geprägt und an ihren Rändern dicht miteinander verbunden werden,

- Ausformen einer Hohlstruktur (40) zwischen den Folienabschnitten (2, 3) durch Gasdruckunterschiede an den Folienoberflächen, wobei sich die Folienabschnitte (2, 3) an Oberflächenstrukturen (11 , 12) einander zugewandter Werkzeugoberflächen des Präge- und Hohlformwerkzeugs (6) anlegen,

- Entnahme der aus den Folienabschnitten (2, 3) gebildeten Bipolarplatte (4) aus dem Präge- und Hohlformwerkzeug (6) nach dem Festwerden der Folienabschnitte (6).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Folienabschnitte (2, 3) mit einer Foliendicke von maximal 0,5 mm und einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 20 S/cm (bei 20 bis 24°C) verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienabschnitte (2, 3) vor dem Einlegen in das Werkzeug (6) erwärmt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienabschnitte (2, 3) durch Unterdrück an die Oberflächenstrukturen (11 , 12) der Werkzeugoberflächen angesaugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugen der Folienabschnitte (2, 3) durch zwischen die Folienabschnitte (2, 3) eingeleitete, temperierte Druckluft unterstützt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Festwerden der Bipolarplatte (4) durch Kühlluft, welche zwischen die Folienabschnitte (2, 3) eingeleitet wird, zumindest mit bewirkt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienabschnitte (2, 3) unmittelbar beim Schließen des Präge- und Hohlformwerkzeugs (6) stoffschlüssig miteinander verbunden werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienabschnitte (2, 3) erst nach deren mit Hilfe von im Werkzeug (6) wirkenden Gasdruckunterschieden erfolgter endgültiger Formgebung durch partielle Erhitzung des Werkzeugs (6) stoffschlüssig miteinander verbunden werden.

9. Bipolarplatte (4), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend mindestens eine, insbesondere kanalförmige, Hohlstruktur (40) zur Fluiddurchleitung durch die Bipolarplatte (4).

10. Elektrochemische Zelle (70), insbesondere Brennstoffzelle, Elektrolysezelle oder Redox-Fluss-Zelle, umfassend mindestens eine Bipolarplatte (4) nach Anspruch 9.