EP4659297A1 - Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte, bipolarplatte und elektrochemische zelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte, bipolarplatte und elektrochemische zelle

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EP4659297A1
EP4659297A1 EP24702039.9A EP24702039A EP4659297A1 EP 4659297 A1 EP4659297 A1 EP 4659297A1 EP 24702039 A EP24702039 A EP 24702039A EP 4659297 A1 EP4659297 A1 EP 4659297A1
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EP
European Patent Office
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metal strip
sheet metal
individual plates
bipolar plate
polymer
Prior art date
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Pending
Application number
EP24702039.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Claus Schaeperkoetter
Julius Bockamp
Philipp Mayer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4659297A1 publication Critical patent/EP4659297A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a bipolar plate comprising two electrically conductive individual plates, each of which is made from a polymer-graphite composite material.
  • the invention further relates to a bipolar plate comprising two electrically conductive individual plates, each of which is made from a polymer-graphite composite material and is connected to one another in a fluid-tight and electrically conductive manner.
  • an electrochemical cell such as a polymer electrolyte fuel cell or an electrolyzer, comprising at least one such bipolar plate.
  • Bipolar plates of the type mentioned above and methods for their production are known. Two individual plates made of polymer-graphite composite material are joined in a fluid-tight and electrically conductive manner by laser welding or gluing.
  • WO 2016/033 147 A1 describes a method for sealing a multi-component bipolar plate.
  • the bipolar plate comprises a first component and a second component, which are connected by means of a seal arranged between them.
  • the seal is aligned with a region of the first component and/or second component which has projections.
  • the projections are pressed into the seal material and the seal is plastically deformed, forming a seal between the first and second components.
  • Spacers and adhesives can also be used between the first and second components.
  • Bonding has the disadvantage that the plates are arranged in an electrically insulated manner in the bonding gap.
  • the individual plates of a bipolar plate made of polymer-graphite composite material in an electrochemical cell are usually electrically contacted by the contact pressure in a non-bonded area, such as the active surface, in which electrochemical reactions take place.
  • a non-bonded area such as the active surface
  • an additional plasma removal process is necessary in these areas to increase the electrical conductivity of the plate surface, which in turn results in additional process costs.
  • the object is achieved for the method for producing a bipolar plate comprising two electrically conductive individual plates, each of which is formed from a polymer-graphite composite material, with the following steps:
  • the sheet metal strip forms a mechanically strong and resilient connection between the individual plates, creating a fluid-tight and electrically conductive connection.
  • the sheet metal strip forms a mechanical reinforcement of the bipolar plate formed, which has a positive effect on the handling and mechanical resilience of the bipolar plates in the stack during a stacking process when building electrochemical cell stacks.
  • the individual plates in particular have a system of flow channels which, in a manner known per se, enable distribution and guidance of incoming media in an electrochemical cell.
  • Each individual plate preferably has a plate thickness in the range of 0.2 to 1 mm, in particular 0.3 mm.
  • a suitable polymer-graphite composite material is preferably made of a thermoplastic, such as polypropylene (PP), filled with carbon particles in the form of graphite. It has proven to be useful to use graphite with a particle size of less than 150 pm. A small amount of carbon black can also be mixed into the polymer-graphite composite material.
  • PP polypropylene
  • a polymer-graphite composite material with a composition of about 20 wt.% polymer, about 73 wt.% graphite and about 7 wt.% carbon black has proven to be useful.
  • a suitable sheet metal strip preferably has a sheet metal strip thickness BD in the range of 0.05 to 0.15 mm, in particular 0.1 mm.
  • the sheet metal strip is preferably made of stainless steel, titanium or sheet steel, but other metals can also be used.
  • the ring shape of the sheet metal strip is preferably created by connecting the ends of the sheet metal strip by spot welding. However, other known joining methods for connecting the two ends of the sheet metal strip can also be used.
  • strip to form the annular sheet metal strip such as laser welding, soldering, gluing, crimping and the like, can be used.
  • a sheet metal strip is used for this purpose which, when viewed in cross-section in the direction of its longitudinal extension, has at least one bending area.
  • the sheet metal strip is angled in the bending area, with angles a in the range of 30 to 90° having proven to be advantageous. This creates a positive connection between the two individual plates and the sheet metal strip.
  • the individual plates are intimately connected to one another and pressed against one another due to the bent structure of the sheet metal strip.
  • the sheet metal strip In order to be able to bend the sheet metal strip along its longitudinal extent, the sheet metal strip preferably has a sheet metal strip width BB of 1 to 2 mm. Roll profiling of the sheet metal strip has proven to be a suitable method for producing at least one bend.
  • a perforated strip is understood to mean a sheet metal strip which has openings which are spaced apart from one another and enclosed by sheet metal and/or has openings arranged at an edge of the sheet metal strip which are spaced apart from one another and are in the form of recesses which locally reduce the sheet metal width.
  • Openings of at least one row of holes enclosed by sheet metal are closed when the sheet metal strip is melted with polymer-graphite composite material of an individual plate or, depending on the arrangement, both individual plates and the bond between the sheet metal strip and the polymer-graphite composite material is improved.
  • a positive connection is created between the sheet metal strip and the polymer-graphite composite material.
  • the sheet metal strip has a first
  • the sheet metal strip has a first row of holes and a second row of holes, whereby the first openings of the first row of holes are filled with polymer-graphite composite material from a first single plate of the two single plates when the sheet metal strip is melted, and the second openings of the second row of holes are filled with polymer-graphite composite material from a second single plate of the two single plates when the sheet metal strip is melted.
  • the interlocking of the polymer-graphite composite material and the sheet metal strip is even more intimate due to the openings and the bond is mechanically particularly durable and strong.
  • Openings in the form of recesses arranged at a distance from one another at the edge of the sheet metal strip serve in particular to form support feet, so that when the individual plates are fused to the sheet metal strip, the individual plate located below cannot be pierced in a ring shape by the sheet metal strip, but only a locally limited penetration of the lower individual plate can occur in the area of the support feet.
  • the sheet metal strip is completely covered by the polymer-graphite composite material of the individual plates, but can be visible locally on the top or bottom of the bipolar plate assembled from the individual plates.
  • the edges of such support feet of the sheet metal strip can be visible on one or both sides of the bipolar plate.
  • the sheet metal strip and/or at least one of the two individual plates is heated to a temperature above a softening temperature of the polymer-graphite composite material.
  • the temperature must be selected to be high enough that the surface of the sheet metal strip can be wetted and flowed around by the polymer-graphite composite material.
  • Heating is preferably carried out by inductive heating of the sheet metal strip or by heat radiation in the edge area of the individual plates.
  • the sheet metal strip could also be inserted into one of the individual plates during hot stamping of the polymer-graphite composite material to form a single plate and connected to it. To connect it to the second single plate, the sheet metal strip or the sheet metal strip together is then heated. with the single plate with which it already forms a unit and/or the second single plate.
  • the bipolar plate in particular formed according to the method according to the invention, comprising two electrically conductive individual plates, each of which is formed from a polymer-graphite composite material, in that the individual plates are connected to one another in a fluid-tight and electrically conductive manner by means of an annular sheet metal strip melted into both individual plates.
  • the individual plates are mechanically reinforced by the sheet metal strip, which provides advantages when stacking the bipolar plates to form a cell stack.
  • the sheet metal strip preferably has at least one bending area in the cross-section in the direction of its longitudinal extension.
  • the sheet metal strip has a bending area in the area of each individual plate and fused into it in the cross-section in the direction of its longitudinal extension. This enables a particularly good interlocking of the individual plates with the sheet metal strip and a firm connection of the individual plates to one another.
  • the sheet metal strip is designed as a perforated strip and has at least one row of holes.
  • the sheet metal strip has a first row of holes and a second row of holes, with first openings of the first row of holes being filled with polymer-graphite composite material of a first of the two individual plates when the sheet metal strip is melted and second openings of the second row of holes being filled with polymer-graphite composite material of a second of the two individual plates when the sheet metal strip is melted.
  • the object is achieved for the electrochemical cell comprising at least one bipolar plate according to the invention.
  • the electrochemical cell is preferably a polymer electrolyte fuel cell, in particular for using hydrogen as fuel, or an electrolyzer, in particular for decomposing water into hydrogen and oxygen.
  • the electrochemical cell can also be a redox flow cell or battery cell.
  • FIGS 1 to 11 are intended to illustrate the invention by way of example. They show:
  • Figure 2 shows the section A-A through the arrangement according to Figure 1 ,
  • FIG 3 shows the section A-A through the arrangement according to Figure 1 after
  • FIG. 4 shows the sheet metal strip used in Figures 1 to 3, on the left in the
  • Figures 5 to 9 show the cross-sections of various possible sheet metal strips seen in the direction of their longitudinal extension
  • Figure 10 a bipolar plate in three-dimensional view
  • Figure 11 schematically shows an electrochemical cell in three-dimensional
  • Figure 1 shows two individual plates 1a, 1b made of polymer-graphite composite material with an annular sheet metal strip 2 arranged between them in a three-dimensional view.
  • Each individual plate 1a, 1b has media flow openings 8, 9, which are arranged in alignment one above the other.
  • each individual plate 1a, 1b has an active field 7, to which in an electrochemical cell 10 (see Figure 11) an electrode of a polymer electrolyte membrane 11 is aligned congruently. Electrochemical reactions of the electrochemical cell 10 take place in the area of the active field 7.
  • the metal strip 2 is inserted in the edge area of the individual plates 1a, 1b between the two individual plates 1a, 1b.
  • the metal strip 2 is melted into the adjacent surfaces 3a, 3b of the individual plates 1a, 1b (see also Figure 2), with the two individual plates 1a, 1b being connected to one another in a fluid-tight and electrically conductive manner in the area of the metal strip 2 to form a bipolar plate 1 (see Figure 3).
  • FIG 2 shows the section A-A through the arrangement according to Figure 1.
  • the existing flow channels 6 are clearly visible.
  • the same reference numerals as in Figure 1 identify the same elements.
  • Figure 3 shows the section A-A through the arrangement according to Figure 1 after the sheet metal strip 2 has been melted to form the bipolar plate 1.
  • the same reference numerals as in Figure 1 identify the same elements.
  • the melting area E can be seen in an enlarged view.
  • the sheet metal strip 2 is melted into both individual plates 1a, 1b in a form-fitting manner and connects them to one another in a fluid-tight and electrically conductive manner.
  • Figure 4 shows the sheet metal strip 2 used in Figures 1 to 3, on the left in the picture in cross section BB seen in the direction of its longitudinal extension, on the right in the picture seen perpendicular to its longitudinal extension.
  • the sheet metal strip width BB is indicated in the picture on the right.
  • openings 5a are indicated, which can optionally be present and form an optional row of holes 4, 4a.
  • openings 5a are provided in the form of recesses on the edge of the sheet metal strip 2 (only one opening 5b is visible here), which optionally also form a row of holes 4, 4b.
  • the sheet metal strip 2 has, as can be seen on the left in the picture, a sheet metal strip thickness BD and two bending areas Ki, K2.
  • FIGS 5 to 9 show the cross sections of various possible sheet metal strips 2 seen in the direction of their longitudinal extension.
  • the same reference numerals as in Figure 3 identify the same elements.
  • Figure 5 shows the cross-section of a sheet metal strip 2, which has only one bending region K, in which the sheet metal strip 2 is angled centrally by 90°.
  • Figure 6 shows the cross-section of a sheet metal strip 2, which has two bending regions K1, K2, in which the sheet metal strip 2 is each angled by 90° in the same direction.
  • Figure 7 shows the cross-section of a sheet metal strip 2 which has two bending regions K1, K2 in which the sheet metal strip 2 is each bent at an acute angle in the same direction.
  • Figure 8 shows the cross-section of a sheet metal strip 2, which has two bending regions K1, K2, in which the sheet metal strip 2 is bent at an acute angle in different directions.
  • Figure 9 shows the cross-section of a sheet metal strip 2, which has openings 5a in the form of a first row of holes 4, 4a and openings 5c in the form of a further row of holes 4, 4c. Compare also Figure 4, row of holes 4a, whereby according to Figure 9 two parallel rows of holes 4a, 4c are provided.
  • the openings 5a, 5c in the sheet metal strip 2 are filled with polymer-graphite composite material and form a mechanically particularly intimate and strong connection between the individual plates 1a, 1b.
  • the sheet metal strip 2 according to Figure 9 can also have at least one bending area K, compare Figure 4.
  • FIG 10 shows a bipolar plate 1 in three-dimensional view.
  • the same reference numerals as in Figures 1 and 3 identify the same elements.
  • individual plates 1a, 1b according to Figure 1 In contrast to the individual plates 1a, 1b according to Figure 1, individual plates 1a, 1b with round media flow openings 8, 9 are present here.
  • the melting area E is in its position indicated, but not visible on the outer sides of the bipolar plate 1.
  • FIG 11 shows a schematic three-dimensional view of an electrochemical cell 10.
  • the electrochemical cell 10 comprises two bipolar plates 1, 1' and a polymer electrolyte membrane 11 arranged between them (shown only schematically).
  • the polymer electrolyte membrane 11 is shown as a representative of a membrane electrode unit which is formed comprising a plastic membrane on which an electrode, a catalyst layer and a gas diffusion layer are arranged on both sides.
  • Several electrochemical cells 10 can be stacked to form a cell stack 100.
  • the electrochemical cell 10 here is a polymer electrolyte fuel cell. However, it can also be an electrolyzer or another type of electrochemical cell.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) umfassend zwei elektrisch leitfähige Einzelplatten (1a, 1b), welche jeweils aus einem Polymer-Graphit-Kompositmaterial gebildet sind, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen der beiden Einzelplatten (1a, 1b), - Bereitstellen eines ringförmigen Blechstreifens (2), - Einlegen des Blechstreifens (2) im Randbereich der Einzelplatten (1a, 1b) zwischen die beiden Einzelplatten (1a, 1b), und - Einschmelzen des Blechstreifens (2) in angrenzende Oberflächen (3a, 3b) der Einzelplatten (1a, 1b), wobei die beiden Einzelplatten (1a, 1b) im Bereich des Blechstreifens (2) fluiddicht und elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte (1) und eine elektrochemische Zelle (10).

Description

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Bipolarplatte und elektrochemische Zelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte umfassend zwei elektrisch leitfähige Einzelplatten, welche jeweils aus einem Polymer-Graphit- Kompositmaterial gebildet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte umfassend zwei elektrisch leitfähige Einzelplatten, welche jeweils aus einem Polymer- Graphit-Kompositmaterial gebildet sind und fluiddicht und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft schließlich eine elektrochemische Zelle, wie eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, umfassen mindestens eine solche Bipolarplatte.
Bipolarplatten der eingangs genannten Art und Verfahren zu deren Herstellung sind bekannt. Dabei werden zwei Einzelplatten aus Polymer-Graphit-Kompositmaterial fluiddicht und elektrisch leitend gefügt, indem diese durch Laserschweißen oder Kleben verbunden werden.
Die DE 10 2007 058 743 A1 beschreibt eine Membran-Elektrodeneinheit für eine Brennstoffzelle. Dabei werden Bipolarplatten aufweisend ein System aus Strömungskanälen und gebildet aus einem elektrisch leitenden Material, unter anderem graphit- gefüllten Kunststoffen, hier „Graphitbipolarplatten“ genannt, beschrieben, die durch Schweißen oder Kleben verarbeitet und verändert werden können. Die Bipolarplatte umfasst dabei zwei aneinander gefügte Platten.
Die WO 2016 / 033 147 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abdichten einer Multikom- ponenten-Bipolarplatte. Dabei umfasst die Bipolarplatte eine erste Komponente und eine zweite Komponente, die mittels einer dazwischen angeordneten Dichtung verbunden werden. Die Dichtung wird zu einem Bereich der ersten Komponente und/oder zweiten Komponente ausgerichtet, welcher Vorsprünge aufweist. Die Vorsprünge werden in das Material der Dichtung gedrückt und die Dichtung plastisch verformt, wobei eine Abdichtung zwischen der ersten und zweiten Komponente ausgebildet wird. Dabei können zusätzlich Abstandhalter und Kleber zwischen der ersten und zweiten Komponente zum Einsatz kommen.
Ein Laserschweißen ist aufgrund geringer Prozessgeschwindigkeiten mit hohen Kosten verbunden und damit als nachteilig zu bewerten. Das Kleben hat den Nachteil, dass die Platten im Klebespalt zueinander elektrisch isoliert angeordnet werden. Die Einzelplatten einer Bipolarplatten aus Polymer-Graphit-Kompositmaterial in einer elektrochemischen Zelle erhalten meist durch den Anpressdruck im einem nicht verklebten Bereich, wie dem der Aktivfläche, in welchem elektrochemische Reaktionen stattfinden, eine elektrische Kontaktierung zueinander. Allerdings ist ein in diesen Bereichen ein zusätzlicher Plasma-Abtragprozess notwendig, um die elektrische Leitfähigkeit der Plattenoberfläche zu erhöhen, wodurch wiederum zusätzliche Prozesskosten entstehen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte umfassend zwei elektrisch leitfähige Einzelplatten, welche jeweils aus einem Polymer-Graphit-Kompositmaterial gebildet sind, bereitzustellen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine solche Bipolarplatte und eine elektrochemische Zelle mit einer solchen Bipolarplatte anzugeben.
Die Aufgabe wird für das Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte umfassend zwei elektrisch leitfähige Einzelplatten, welche jeweils aus einem Polymer-Graphit- Kompositmaterial gebildet sind, mit folgenden Schritten gelöst:
- Bereitstellen der beiden Einzelplatten,
- Bereitstellen eines ringförmigen Blechstreifen,
- Einlegen des Blechstreifens im Randbereich der Einzelplatten zwischen die beiden Einzelplatten, und - Einschmelzen des Blechstreifens in angrenzende Oberflächen der Einzelplatten, wobei die beiden Einzelplatten im Bereich des Blechstreifens fluiddicht und elektrisch leitend miteinander verbunden werden.
Der Blechstreifen bildet eine mechanisch feste und belastbare Verbindung zwischen den Einzelplatten aus, wobei eine fluiddichte und elektrisch leitfähige Verbindung geschaffen wird. Zudem bildet der Blechstreifen eine mechanische Verstärkung der gebildeten Bipolarplatte aus, die sich bei einem Stapelvorgang beim Aufbau elektrochemischer Zellstapel positiv auf die Handhabbarkeit und mechanische Belastbarkeit der Bipolarplatten im Stapel auswirkt.
Die Einzelplatten weisen insbesondere ein System aus Strömungskanälen auf, die in an sich bekannter Weise eine Verteilung und Leitung anströmender Medien in einer elektrochemischen Zelle ermöglichen. Jede Einzelplatte weist vorzugsweise eine Plattendicke im Bereich von 0,2 bis 1 mm, insbesondere von 0,3 mm, auf.
Ein geeignetes Polymer-Graphit-Kompositmaterial ist bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie beispielsweise Polypropylen (PP), gefüllt mit Kohlenstoffpartikeln in Form von Graphit gebildet. Dabei hat es sich bewährt, wenn Graphit mit einer Partikelgröße von kleiner als 150 pm zum Einsatz kommt. Weiterhin kann dem Polymer-Graphit-Kompositmaterial auch eine geringe Menge an Ruß zugemischt sein. Bewährt hat sich ein Polymer-Graphit-Kompositmaterial mit einer Zusammensetzung aus etwa 20 Gew.-% Polymer, etwa 73 Gew.-% Graphit und etwa 7 Gew.-% Ruß.
Ein geeigneter Blechstreifen weist bevorzugt eine Blechstreifendicke BD im Bereich von 0,05 bis 0,15 mm, insbesondere von 0,1 mm, auf. Der Blechstreifen wird bevorzugt aus Edelstahl, Titan oder Stahlblech gebildet, aber auch andere Metalle können zum Einsatz kommen. Die Ringform des Blechstreifens wird bevorzugt erzeugt, indem die Enden des Blechstreifens durch Punktschweißen verbunden sind. Aber auch andere bekannte Verbindungsverfahren zum Verbinden der beiden Enden des Blech- streifens unter Ausbildung des ringförmigen Blechstreifens, wie Laserschweißen, Löten, Kleben, Crimpen und dergleichen, sind verwendbar.
Vorzugsweise wird dazu ein Blechstreifen verwendet, der im Querschnitt in Richtung seiner Längserstreckung gesehen mindestens einen Knickbereich aufweist. In dem Knickbereich ist der Blechstreifen abgewinkelt, wobei Winkel a im Bereich von 30 bis 90° sich als vorteilhaft erwiesen haben. Dadurch wird eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Einzelplatten und dem Blechstreifen ausgebildet. Die Einzelplatten werden aufgrund der geknickten Struktur des Blechstreifens innig miteinander verbunden und aneinander gedrückt.
Um ein Knicken des Blechstreifens entlang seiner Längserstreckung vornehmen zu können, weist der Blechstreifen bevorzugt eine Blechstreifenbreite BB von 1 bis 2 mm auf. Als geeignetes Verfahren zur Erzeugung mindestens eines Knicks hat sich ein Walzprofilieren des Blechstreifens erwiesen.
Alternativ oder in Kombination dazu hat es sich bewährt, wenn ein Blechstreifen verwendet wird, der als ein Lochstreifen ausgebildet ist und mindestens eine Lochreihe aufweist.
Dabei wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter einem Lochstreifen ein Blechstreifen verstanden, der voneinander beabstandete, von Blech umschlossene Öffnungen aufweist und/oder an einem Rand des Blechstreifens angeordnete, voneinander beabstandete Öffnungen in Form von Aussparungen aufweist, die die Blechbreite lokal reduzieren.
Von Blech umschlossene Öffnungen mindestens einer Lochreihe werden beim Einschmelzen des Blechstreifens mit Polymer-Graphit-Kompositmaterial einer Einzelplatte oder, je nach Anordnung, auch beider Einzelplatten verfallt und der Verbund zwischen Blechstreifen und Polymer-Graphit-Kompositmaterial wird verbessert. Auch hier entsteht somit eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Blechstreifen und dem Polymer-Graphit-Kompositmaterial. Insbesondere weist der Blechstreifen eine erste Lochreihe und eine zweite Lochreihe auf, wobei erste Öffnungen der ersten Lochreihe beim Einschmelzen des Blechstreifens mit Polymer-Graphit-Kompositmaterial einer ersten Einzelplatte der beiden Einzelplatten verfüllt werden und zweite Öffnungen der zweiten Lochreihe beim Einschmelzen des Blechstreifens mit Polymer-Graphit- Kompositmaterial einer zweiten Einzelplatte der beiden Einzelplatten verfüllt werden. Die Verzahnung von Polymer-Graphit-Kompositmaterial und Blechstreifen wird aufgrund der Öffnungen noch inniger und der Verbund mechanisch besonders dauerhaft und fest.
Am Rand des Blechstreifens angeordnete, voneinander beabstandete Öffnungen in Form von Aussparungen dienen insbesondere zur Ausbildung von Stützfüßchen, so dass bei einem Verschmelzen der Einzelplatten mit dem Blechstreifen die unten liegende Einzelplatte nicht von dem Blechstreifen ringförmig durchstoßen werden kann, sondern lediglich im Bereich der Stützfüßchen eine lokal begrenzte Durchdringung der unteren Einzelplatte auftreten kann.
Der Blechstreifen ist insbesondere komplett von dem Polymer-Graphit- Kompositmaterial der Einzelplatten bedeckt, kann aber lokal, an einer Ober- oder Unterseite der aus den Einzelplatten gefügten Bipolarplatte, sichtbar sein. So können beispielsweise auf einer oder beiden Seiten der Bipolarplatte die Kanten solcher Stützfüßchen des Blechstreifens sichtbar sein.
Bevorzugt wird der Blechstreifen und/oder mindestens eine der beiden Einzelplatten auf eine Temperatur oberhalb einer Erweichungstemperatur des Polymer-Graphit- Kompositmaterials erwärmt. Die Temperatur muss so hoch gewählt sein, dass der Blechstreifen oberflächlich von dem Polymer-Graphit-Kompositmaterial benetzt und umflossen werden kann.
Die Erwärmung erfolgt bevorzugt durch induktive Erwärmung des Blechstreifens oder durch Wärmestrahlung im Randbereich der Einzelplatten.
Das Blechband könnte weiterhin bereits beim Heißprägen des Polymer-Graphit- Kompositmaterials unter Bildung einer Einzelplatte in eine der Einzelplatten eingebracht und mit dieser verbunden werden. Zum Verbinden mit der zweiten Einzelplatte erfolgt dann eine Erwärmung des Blechstreifens oder des Blechstreifens zusammen mit der Einzelplatte, mit welcher er bereits eine Einheit bildet, und/oder der zweiten Einzelplatte.
Die Aufgabe wird für die Bipolarplatte, insbesondere gebildet nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, umfassend zwei elektrisch leitfähige Einzelplatten, welche jeweils aus einem Polymer-Graphit-Kompositmaterial gebildet sind, gelöst, indem die Einzelplatten mittels eines, in beide Einzelplatten eingeschmolzenen ringförmigen Blechstreifens fluiddicht und elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Die Einzelplatten sind durch den Blechstreifen mechanisch verstärkt, wodurch Vorteile beim Aufstapeln der Bipolarplatten bei der Ausbildung eines Zellstapels entstehen.
Der Blechstreifen weist bevorzugt im Querschnitt in Richtung seiner Längserstreckung gesehen mindestens einen Knickbereich auf. Insbesondere weist der Blechstreifen im Querschnitt in Richtung seiner Längserstreckung gesehen im Bereich jeder Einzelplatte und in diese eingeschmolzen jeweils einen Knickbereich auf. Dies ermöglicht eine besonders gute Verzahnung der Einzelplatten mit dem Blechstreifen und eine feste Verbindung der Einzelplatten miteinander.
Alternativ oder zusätzlich ist der Blechstreifen als ein Lochstreifen ausgebildet und weist mindestens eine Lochreihe auf. Wie oben zum Verfahren bereits ausgeführt, können dabei von Blech umschlossene Öffnungen und/oder Aussparungen am Rand des Blechstreifens vorliegen. Die Öffnungen der mindestens einen Lochreihe werden- beim Einschmelzen des Blechstreifens mit Polymer-Graphit-Kompositmaterial einer Einzelplatte verfallt und der Verbund zwischen Blechstreifen und Polymer-Graphit- Kompositmaterial wird verbessert. Insbesondere weist der Blechstreifen eine erste Lochreihe und eine zweite Lochreihe auf, wobei erste Öffnungen der ersten Lochreihe beim Einschmelzen des Blechstreifens mit Polymer-Graphit-Kompositmaterial einer ersten Einzelplatte der beiden Einzelplatten gefüllt sind und zweite Öffnungen der zweiten Lochreihe beim Einschmelzen des Blechstreifens mit Polymer-Graphit- Kompositmaterial einer zweiten Einzelplatte der beiden Einzelplatten gefüllt sind. Die Aufgabe wird für die Elektrochemische Zelle umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte gelöst. Die elektrochemische Zelle ist bevorzugt eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, insbesondere zur Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff, oder ein Elektrolyseur, insbesondere zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Die elektrochemische Zelle kann aber auch eine Redox- Flusszelle oder Batteriezelle sein.
Die Figuren 1 bis 11 sollen die Erfindung beispielhaft erläutern. So zeigt:
Figur 1 zwei Einzelplatten mit dazwischen angeordnetem ringförmigem
Blechstreifen in dreidimensionaler Ansicht,
Figur 2 den Schnitt A-A durch die Anordnung gemäß Figur 1 ,
Figur 3 den Schnitt A-A durch die Anordnung gemäß Figur 1 nach dem
Einschmelzen des Blechstreifens mit vergrößerter Darstellung des Einschmelzbereichs,
Figur 4 den gemäß den Figuren 1 bis 3 verwendeten Blechstreifen, links im
Bild im Querschnitt in Richtung seiner Längserstreckung gesehen, rechts im Bild senkrecht zu seiner Längserstreckung gesehen,
Figuren 5 bis 9 die Querschnitte verschiedener möglicher Blechstreifen in Richtung ihrer Längserstreckung gesehen, und
Figur 10 eine Bipolarplatte in dreidimensionaler Ansicht, und
Figur 11 schematisch eine elektrochemische Zelle in dreidimensionaler
Ansicht.
Figur 1 zeigt zwei Einzelplatten 1a, 1 b aus Polymer-Graphit-Kompositmaterial mit dazwischen angeordnetem ringförmigem Blechstreifen 2 in einer dreidimensionalen Ansicht. Jede Einzelplatte 1a, 1 b weist Mediendurchströmöffnungen 8, 9 auf, die fluchtend übereinander angeordnet werden. Weiterhin weist jede Einzelplatte 1a, 1 b ein Aktivfeld 7 auf, zu welchem in einer elektrochemischen Zelle 10 (vergleiche Figur 11 ) eine Elektrode einer Polymerelektrolytmembrane 11 deckungsgleich ausgerichtet ist. Im Bereich des Aktivfeldes 7 finden elektrochemische Reaktionen der elektrochemischen Zelle 10 statt. Weiterhin erstrecken sich zwischen den Mediendurchströmöff- nungen 8, 9 eine Vielzahl an lediglich schematisch dargestellten Strömungskanälen 6, die den Transport von Fluiden, wie Kühlmittel, Brenngas und Oxidationsgas, entlang einer Längserstreckung der Einzelplatten 1a, 1 b ermöglichen. Der Blechstreifen 2 ist im Randbereich der Einzelplatten 1a, 1b zwischen die beiden Einzelplatten 1a, 1 b eingelegt. Es erfolgt ein Einschmelzen des Blechstreifens 2 in die angrenzenden Oberflächen 3a, 3b der Einzelplatten 1a, 1b (vergleiche auch Figur 2), wobei die beiden Einzelplatten 1a, 1 b im Bereich des Blechstreifens 2 fluiddicht und elektrisch leitend miteinander zu einer Bipolarplatte 1 (siehe Figur 3) verbunden werden.
Figur 2 zeigt den Schnitt A-A durch die Anordnung gemäß Figur 1. Hier sind deutlich die vorhandenen Strömungskanäle 6 erkennbar. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 kennzeichnen gleiche Elemente.
Figur 3 zeigt den Schnitt A-A durch die Anordnung gemäß Figur 1 nach dem Einschmelzen des Blechstreifens 2 unter Bildung der Bipolarplatte 1. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Der Einschmelzbereich E ist in einer vergrößerten Darstellung erkennbar. Der Blechstreifen 2 liegt formschlüssig in beide Einzelplatten 1a, 1 b eingeschmolzen vor und verbindet diese fluiddicht und elektrisch leitend miteinander.
Figur 4 zeigt den gemäß den Figuren 1 bis 3 verwendeten Blechstreifen 2, links im Bild im Querschnitt B-B in Richtung seiner Längserstreckung gesehen, rechts im Bild senkrecht zu seiner Längserstreckung gesehen. Im Bild rechts ist die Blechstreifenbreite BB angegeben. Weiterhin sind Öffnungen 5a angedeutet, die optional vorhanden sein können und eine optionale Lochreihe 4, 4a ausbilden. Weiterhin sind Öffnungen 5a in Form von Ausnehmungen am Rand des Blechstreifens 2 vorgesehen (hier lediglich eine Öffnung 5b sichtbar), die optional ebenfalls eine Lochreihe 4, 4b ausbil- den. Der Blechstreifen 2 weist, links im Bild zu erkennen, eine Blechstreifendicke BD und zwei Knickbereiche Ki, K2 auf.
Die Figuren 5 bis 9 zeigen die Querschnitte verschiedener möglicher Blechstreifen 2 in Richtung ihrer Längserstreckung gesehen. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 3 kennzeichnen gleiche Elemente.
Figur 5 zeigt den Querschnitt eines Blechstreifens 2, der lediglich einen Knickbereich K aufweist, in welchem der Blechstreifen 2 mittig um 90° abgewinkelt ist.
Figur 6 zeigt den Querschnitt eines Blechstreifens 2, der zwei Knickbereiche K1 , K2 aufweist, in welchen der Blechstreifen 2 jeweils um 90° in die gleiche Richtung abgewinkelt ist.
Figur 7 zeigt den Querschnitt eines Blechstreifens 2, der zwei Knickbereiche K1 , K2 aufweist, in welchen der Blechstreifen 2 jeweils in einem spitzen Winkel in die gleiche Richtung abgewinkelt ist.
Figur 8 zeigt den Querschnitt eines Blechstreifens 2, der zwei Knickbereiche K1 , K2 aufweist, in welchen der Blechstreifen 2 jeweils in einem spitzen Winkel in unterschiedliche Richtungen abgewinkelt ist.
Figur 9 zeigt den Querschnitt eines Blechstreifens 2, der Öffnungen 5a in Form einer ersten Lochreihe 4, 4a und Öffnungen 5c in Form einer weiteren Lochreihe 4, 4c aufweist. Vergleiche hier auch Figur 4, Lochreihe 4a, wobei gemäß Figur 9 zwei parallele Lochreihen 4a, 4c vorgesehen sind. Die Öffnungen 5a, 5c im Blechstreifen 2 sind mit Polymer-Graphit-Kompositmaterial gefüllt und bilden eine mechanisch besonders innige und feste Verbindung zwischen den Einzelplatten 1a, 1 b aus. Optional kann der Blechstreifen 2 gemäß Figur 9 auch mindestens eine Knickbereich K aufweisen, vergleiche Figur 4.
Figur 10 zeigt eine Bipolarplatte 1 in dreidimensionaler Ansicht. Gleiche Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 3 kennzeichnen gleiche Elemente. Im Unterschied zu den Einzelplatten 1a, 1 b gemäß Figur 1 sind hier Einzelplatten 1a, 1b mit runden Me- diendurchströmöffnungen 8, 9 vorhanden. Der Einschmelzbereich E ist in seiner Lage angedeutet, jedoch an den Außenseiten der Bipolarplatte 1 nicht sichtbar. Im Bereich des angedeuteten Einschmelzbereichs E befindet sich üblicherweise beidseitig der Bipolarplatte 1 eine nicht gesondert dargestellte Dichtungsstruktur zur Abdichtung der Bipolarplatte 1 gegenüber einer angrenzenden Polymerelektrolytmembrane 11 (ver- gleiche Figur 11 ).
Figur 11 zeigt schematisch eine elektrochemische Zelle 10 in dreidimensionaler Ansicht. Die elektrochemische Zelle 10 umfasst zwei Bipolarplatten 1 , 1 'und eine dazwischen angeordnete Polymerelektrolytmembrane 11 (lediglich schematisch dargestellt). Die Polymerelektrolytmembrane 11 ist stellvertretend für eine Membran- Elektrodeneinheit gezeigt, welche umfassend eine Kunststoffmembrane ausgebildet ist, auf der beidseitig jeweils eine Elektrode, eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht angeordnet ist. Mehrere elektrochemische Zellen 10 können zu einem Zellstapel 100 aufgestapelt werden. Bei der elektrochemischen Zelle 10 handelt es sich hier um eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle. Es kann sich aber auch um einen Elektrolyseur oder eine andere Art elektrochemischer Zelle handeln.
Bezuqszeichenliste
1 , r Bipolarplatte
1a, 1 b Einzelplatte
2 Blechstreifen
3a, 3b Oberfläche
4, 4a, 4b, 4c Lochreihe
5a, 5b, 5c Öffnungen
6 Strömungskanal
7 Aktivfeld
8 Mediendurchströmöffnung
9 Mediendurchströmöffnung
10 elektrochemische Zelle
11 , 11 ' Polymerelektrolytmembrane
100 Zellstapel
K, Ki, K2 Knickbereich
E Einschmelzbereich
BD Blechstreifendicke
BB Blechstreifenbreite

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1 ) umfassend zwei elektrisch leitfähige Einzelplatten (1 a, 1 b), welche jeweils aus einem Polymer-Graphit- Kompositmaterial gebildet sind, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen der beiden Einzelplatten (1 a, 1 b),
- Bereitstellen eines ringförmigen Blechstreifens (2),
- Einlegen des Blechstreifens (2) im Randbereich der Einzelplatten (1 a, 1 b) zwischen die beiden Einzelplatten (1 a, 1 b), und
- Einschmelzen des Blechstreifens (2) in angrenzende Oberflächen (3a, 3b) der Einzelplatten (1a, 1 b), wobei die beiden Einzelplatten (1 a, 1 b) im Bereich des Blechstreifens (2) fluiddicht und elektrisch leitend miteinander verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei ein Blechstreifen (2) verwendet wird, der im Querschnitt in Richtung seiner Längserstreckung gesehen mindestens einen Knickbereich (K) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Blechstreifen (2) verwendet wird, der als ein Lochstreifen ausgebildet ist und mindestens eine Lochreihe (4) aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Blechstreifen (2) eine erste Lochreihe (4a) und eine zweite Lochreihe (4b) aufweist, wobei erste Öffnungen (5a) der ersten Lochreihe (4a) beim Einschmelzen des Blechstreifens (2) mit Polymer-Graphit- Kompositmaterial einer ersten Einzelplatte (1 a) der beiden Einzelplatten (1 a, 1 b) verfällt werden und zweite Öffnungen (5b) der zweiten Lochreihe (4b) beim Einschmelzen des Blechstreifens '(2) mit Polymer-Graphit-Kompositmaterial einer zweiten Einzelplatte (1 b) der beiden Einzelplatten (1a, 1 b) verfüllt werden.
ERSATZBLATT (REGEL 26)
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Blechstreifen (2) und/oder mindestens eine der beiden Einzelplatten (1a, 1 b) auf eine Temperatur oberhalb einer Erweichungstemperatur des Polymer-Graphit-Kompositmaterials erwärmt wird.
6. Bipolarplatte, (1 ) umfassend zwei elektrisch leitfähige Einzelplatten (1a, 1 b), welche jeweils aus einem Polymer-Graphit-Kompositmaterial gebildet sind, wobei die Einzelplatten (1a, 1 b) mittels eines, in beide Einzelplatten (1a, 1 b) eingeschmolzenen ringförmigen Blechstreifens (2) fluiddicht und elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
7. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 6, wobei der Blechstreifen (2) im Querschnitt in Richtung seiner Längserstreckung gesehen mindestens einen Knickbereich (K) aufweist.
8. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 7, wobei der Blechstreifen (2) im Querschnitt in Richtung seiner Längserstreckung gesehen im Bereich jeder Einzelplatte (1a, 1 b) und in diese eingeschmolzen jeweils einen Knickbereich (Ki , K2) aufweist.
9. Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Blechstreifen (2) als ein Lochstreifen ausgebildet ist und mindestens eine Lochreihe (4, 4a, 4b) aufweist.
10. Elektrochemische Zelle (10), insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle oder Elektrolyseur, umfassend mindestens eine Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.
ERSATZBLATT (REGEL 26)
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