EP4728575A1 - Prägewalze, verfahren zu ihrer herstellung, platte für ein elektrochemisches system sowie verfahren zur herstellung einer derartigen platte - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prägewalze (210a, 210b) zum Prägen einer Platte (200) für ein elektrochemisches System sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Weiterhin betrifft sie eine Platte (200) für ein elektrochemisches System und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Description

Platte für ein elektrochemisches einer derartigen Platte

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prägewalze zum Prägen einer Platte für ein elektrochemisches System sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Weiterhin betrifft sie eine Platte für ein elektrochemisches System und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Platten für elektrochemische Systeme, wie beispielsweise Separatorplatten für eine Brennstoffzelle, für einen Elektrolyseur oder für eine Redox-Flow-Bat- terie weisen eine Lage auf, die ihrerseits eine Schar von in die Lage eingeprägten Flusskanälen für ein Medium aufweist. Ein derartiges Medium kann beispielsweise ein Reaktionsmedium oder auch eine Kühlflüssigkeit sein. Bei Elektrolyseuren wird als Reaktionsmedium Wasser zugeführt und Sauerstoff sowie Wasserstoff abgeführt. Bei Brennstoffzellen wird der Brennstoffzelle als Reaktionsmedium beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff oder Luft zugeführt und Wasser abgeführt. Separatorplatten für elektrochemische Systeme weisen daher unterschiedliche Bereiche mit Flusskanälen auf, insbesondere Zufuhrbereiche für Reaktionsmedien, Ableitungsbereiche für Reaktionsmedien sowie einen aktiven Fließbereich für diese Medien, in dem die jeweilige gewünschte elektrochemische Reaktion stattfindet. Die Kanäle in den jeweiligen Bereichen sollen jeweils möglichst gleichmäßig bzw. mit einer definierten Tiefe und Breite ausgebildet sein, um einen definierten Fluss des jeweiligen Mediums zu erzeugen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sämtliche Kanäle eines Fließbereichs eine einheitliche Tiefe und Breite aufweisen.

Separatorplatten aber auch Rahmenplatten für elektrochemische Systeme werden beispielsweise durch Rollprägen hergestellt. Hierzu wird eine Lage zwischen zwei Prägewalzen hindurchgeführt, wobei in die Lage die Flusskanäle sowie ggf. weitere Strukturen eingeprägt werden. Hierzu sind die beiden Prägewalzen, zwischen denen die Lage durchgeführt wird, mit geeigneten Prägestrukturen versehen, die in der Lage die entsprechenden Kanäle der Fließbereiche bzw. des Fließbereiches ausbilden. Analog können Dichtelemente wie sie z.B. aus der DE 101 58 772 Al und DE 10248 531 Al bekannt sind, eingeformt werden. Aufgrund der Prägelast beim Einformen der Strukturen kann es zu einem Durchbiegen der Prägewalzen und damit zu einer Abweichung der Drehachse von der ursprünglichen linearen Drehachse kommen. Sowohl für den Fall geprägter Flusskanäle als auch für den Fall geprägter Dichtelemente, stellt sich durch die Durchbiegung der Prägewalzen beim Herstellen der Platte mittels Rollprägens ohne weitere Maßnahmen nicht das gewünschte Prägeergebnis ein.

Herkömmliche Prägewalzen erzielen also kein gleichmäßiges Prägeergebnis über die gesamte Fläche oder Teile der Fläche der Platte, da die Prägewalzen beim Prägevorgang aufgrund des Prägedrucks sich zwischen ihren beiden Enden durchbiegen, so dass der Prägedruck der Walzen zur Mitte der Platten hin abnimmt. Dies führt dazu, dass trotz einheitlicher Prägestrukturen in den Prägewalzen die in der Lage der Separatorplatte oder Rahmenplatte ausgebildeten Kanäle und/oder Dichtelemente in der Mitte der Walzen eine geringere Prägetiefe, also auch eine geringere als geplante Kanaltiefe bzw. als geplante Höhe bzw. Tiefe des Dichtelements aufweisen.

Insbesondere führt dies dazu, dass der Fluss des Mediums durch die Schar von Kanälen in einem Bereich, der zwischen benachbarten Kanälen unbeabsichtigt unterschiedliche Kanaltiefen aufweist, nicht einheitlich ist. Ganz allgemein hat dies zur Konsequenz, dass der Fluss des Mediums durch die Schar von Kanälen zumindest in einem Teil der Kanäle mit einem geringeren Durchflussquerschnitt und damit meist mit einer geringeren Durchflussrate als gewünscht erfolgt. Weiterhin können Dichtelemente mit sich über ihren Verlauf ändernder Höhe zu einer unzureichenden Abdichtung des elektrochemischen Systems führen. Beides führt zu Beeinträchtigungen der Funktion der auf diese Weise geprägten Separator- oder Rahmenplatte.

Die vorliegende Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, eine Prägewalze, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Prägewalze, eine Platte für ein elektrochemisches System und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Platte zur Verfügung zu stellen, bei denen die oben dargestellten Probleme weitgehend oder vollständig gelöst sind.

Die vorliegende Erfindung, die die obigen Probleme löst, stellt eine Prägewalze, ein Verfahren zur Herstellung einer Prägewalze, eine Platte für ein elektrochemisches System und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Platte für ein elektrochemisches System gemäß einem der Ansprüche zur Verfügung.

Insbesondere löst die vorliegende Erfindung das Problem, dass das Prägeergebnis beim Rollprägen durch das Durchbiegen der Prägewalzen nicht dem gewünschten entspricht.

Hierzu wird eine Prägewalze zur Verfügung gestellt, mit der eine Platte für ein elektrochemisches System, insbesondere eine Separator- oder Rahmenplatte für eine Brennstoffzelle für einen Elektrolyseur oder für eine Redox-Flow-Bat- terie, geprägt werden kann. Diese Prägewalze weist eine im Wesentlichen zylindrische Oberfläche mit einer Drehachse als Zylinderlängsachse auf. Erfindungsgemäß ist die Einhüllende der Oberfläche der Prägewalze nun in zumindest einem Bereich derart ausgebildet, dass sie eine konvexe Wölbung in Drehachsenrichtung aufweist. Der derart konvex gewölbte Bereich (im Folgenden auch als bombierter Bereich oder balliger Bereich bezeichnet) muss sich dabei nicht vollständig über die gesamte Länge der Prägewalze erstrecken, es genügt, wenn er sich in Drehachsenrichtung über die Walze lediglich bereichsweise erstreckt. Es ist auch möglich, dass in Drehachsenrichtung benachbart mehrere Bereiche derart mit einer konvexen Wölbung versehen sind. Mit anderen Worten ist die Oberfläche der Prägewalze über mehrere Prägestrukturen hinweg oder über einen längeren Bereich einer Prägestruktur hinweg mit einer konvexen Wölbung der Einhüllenden dieser Prägestrukturen versehen.

Beispielsweise kann die konvexe Wölbung quer zur Drehachsenrichtung sich über eine Länge KU über zumindest einen Teil des Umfangs der Prägewalze, beispielsweise sich in Umfangsrichtung vollständig über den mit Prägestrukturen (217) zur Prägung der Platte versehenen Bereich (217a, 217b) der Prägewalze (210), oder über den gesamten Umfang der Prägewalze erstrecken, beispielsweise über eine Länge KU über zumindest einen Teil des Umfangs der Prägewalze mit dem Durchmesser PD der Prägewalze erstrecken, wobei KU > PD/50, vorteilhafterweise KU > PD/20, insbesondere KU > 4 mm, insbesondere KU > 5 mm.

Ein solcher balliger Bereich muss sich also nicht vollständig über den gesamten quer zur Drehachse verlaufenden Umfang erstrecken. Es genügt, wenn lediglich ein Abschnitt oder mehrere Abschnitte dieses Umfangs eine in Drehachsenrichtung konvexe Wölbung bzw. Balligkeit in Drehachsenrichtung aufweisen.

Eine solche Bombage kann auch nur über einen Teil der Walzenlänge oder einzelne Abschnitte der Walzenlänge erfolgen und muss auch in Drehrichtung nicht durchgängig ausgebildet sein.

Durch eine derartige Ausbildung einer Prägewalze zum Prägen einer Platte wird die natürliche Durchbiegung der Prägewalze in denjenigen Bereichen, in denen diese Durchbiegung zu einer unerwünschten ungleichmäßigen Ausgestaltung bzw. ungeplanten Ausgestaltung von Flusskanälen und/oder Dichtelementen führen würde, ausgeglichen. Die konvexe Wölbung der Prägewalze ist insbesondere im Mittenbereich der Walze in Drehachsenrichtung vorzusehen, da dort die Durchbiegung der Prägewalzen am ausgeprägtesten ist. Sofern der betroffene Bereich mit Flusskanälen bzw. Dichtelementen jedoch nicht in dieser Mitte der Prägewalze geprägt wird, kann der bombierte Bereich auch an anderen Abschnitten in Drehachsenrichtung der Prägewalze angeordnet sein.

Durch die erfindungsgemäße Prägewalze ist es möglich, ein gleichmäßiges Prägeergebnis in dem gewünschten Bereich zu erzielen, ohne den Prägekraftaufwand unnötig in die Höhe zu treiben.

Die Form der Balligkeit eines Bereiches kann einem Kreisbogenabschnitt, einem Ellipsenabschnitt oder einem Parabelabschnitt entsprechen, wobei die Oberfläche der Prägewalze in den konvex gewölbten Bereichen auch Mikrostrukturen aufweisen kann, die innerhalb der konvexen Wölbung der Einhüllenden der Oberfläche die Balligkeit individuell auf die Erfordernisse beispielsweise einzelner Kanalausbildungen und/oder einzelner Dichtelemente eingestellt sind.

Erfindungsgemäß hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die konvexe Wölbung eine Überhöhung zwischen 5 pm und 500 pm, vorteilhafterweise 15 pm bis 300 pm je ein- oder ausschließlich der Bereichsgrenzen aufweist. Die Überhöhung ist dabei als diejenige Höhe definiert, die sich zwischen der Stelle maximaler Überhöhung in der konvexen Wölbung und der Stelle minimaler Höhe der konvexen Wölbung, üblicherweise an den Enden der konvexen Wölbung, ergibt.

Wie bereits erwähnt, kann sich die konvexe Wölbung in Drehachsenrichtung über die gesamte Länge der Prägewalze erstrecken oder auch lediglich über einen kürzeren Abschnitt in Drehachsenrichtung, beispielsweise weniger oder gleich 90%, beispielsweise weniger oder gleich 80%, beispielsweise weniger oder gleich 3/4, beispielsweise weniger oder gleich 2/3, beispielsweise weniger oder gleich %, beispielsweise weniger oder gleich 1/3 der gesamten Länge der Prägewalze.

Die konvexe Wölbung kann sich in Drechachsenrichtung der Prägewalze auch lediglich über den gesamten mit Prägestrukturen zur Prägung einer Platte versehenen Bereich der Prägewalze erstrecken oder auch nur über einen Teil hiervon. Insbesondere ist es auch möglich, dass diese Bombage sich nicht über Bereiche mit Strukturen für Hilfsprägungen erstreckt. Hilfsprägungen sind Prägungen, die außerhalb der Bereiche angeordnet sind, die im weiteren Fertigungsprozess Teile der zu fertigenden Separatorplatte bilden. Beispiele hierfür sind Noppen in der Prägewalze, die einerseits dazu dienen können, in seitlichen Bereichen der Prägewalze Noppen in das zu prägende Metallblech einzubringen, die in weiteren Verfahrensschritten der Führung des Metallbleches, insbesondere Coils, an nachfolgenden Fertigungsstationen dienen. Andererseits können derartige Noppen in Randbereichen der Prägewalzen auch der unmittelbaren Führung des Metallblechs während des Rollprägens dienen.

Vorteilhafterweise weist die konvexe Wölbung in Drehachsenrichtung eine Mindesterstreckung auf, z.B. über eine Länge KL mit KL > 50 mm, vorteilhafterweise KL > 100 mm, vorteilhafterweise KL > 0,5 RL, KL > 2/3 RL, KL > 0,75 RL, KL > 0,9 RL oder KL = RL, wobei RL die gesamte Länge der Prägewalze ist.

Diese konvex gewölbten Bereiche müssen dabei in Drehachsenrichtung nicht mittig auf der Prägewalze angeordnet sein, sondern können auch außermittig an beliebigen Stellen in Drehachsenrichtung der Prägewalze, je nach Erfordernissen bzw. Positionierung des möglichst präzise zu prägenden Bereichs mit Flusskanälen, Dichtelementen etc. positioniert sein.

Die Stelle mit maximaler Auswölbung des konvex gewölbten Bereichs kann sich dabei innerhalb des konvex gewölbten Bereichs ebenfalls in der in Drehachsenrichtung bestimmten Mitte des konvex gewölbten Bereichs oder auch außermittig hierzu, jeweils in Drehachsenrichtung betrachtet, befinden. Es ist also auch eine asymmetrische Balligkeit möglich.

Die Position des konvex gewölbten Bereichs wird also im Wesentlichen durch die Durchbiegung der Prägewalze sowie die Positionierung des Bereichs, der eine besonders definierte Gestaltung von Flusskanälen und/oder Dichtelementen in der Separator- oder Rahmenplatte erfordert, vorgesehen werden.

Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung ist, dass die erfindungsgemäße Prägewalze zumindest eine wie oben beschriebene konvexe Wölbung aufweist. Weitere wie oben beschriebene konvexe Wölbungen sind möglich und häufig auch vorhanden. Die Zahl der erfindungsgemäß ausgebildeten konvexen Wölbungen auf einer erfindungsgemäßen Prägewalze ist also nicht prinzipiell begrenzt.

Umgekehrt ist es vorteilhaft, wenn eine wie oben beschriebene konvexe Wölbung sich in Drehachsenrichtung über mehr als eine Prägestruktur erstreckt, insbesondere über mindestens zehn oder mindestens zwanzig Prägestrukturen.

Eine derartige erfindungsgemäße Prägewalze kann mit dem erfindungsgemäßen Bereich mit konvexer Wölbung insbesondere mittels dreier verschiedener Verfahren hergestellt werden.

Zum einen kann eine zylindrische Prägewalze als Ausgangsmaterial zuerst mit Prägestrukturen zur Erzeugung der Flusskanäle für ein Medium in einer Platte und/oder Dichtelementen in einer Platte versehen werden, beispielsweise Nuten und Stege. Dies erfolgt beispielsweise mittels Erodieren, Lasern oder Fräsen. Anschließend kann die Oberfläche der Prägewalze derart bearbeitet werden, beispielsweise geschliffen werden, dass die Einhüllende der Oberfläche der Prägewalze zumindest in diesem Bereich zumindest abschnittsweise eine in Drehachsenrichtung konvexe Wölbung aufweist. Werden die zur Prägung der Kanäle und/oder Dichtelemente vorgesehenen Prägestrukturen, insbesondere Vertiefungen und dazwischen sich erstreckende Erhöhungen in der Prägewalze, in dem ersten Schritt mit einer einheitlichen Tiefe in die Prägewalze eingebracht, d.h. mit einem konstanten Abstand des Bodens der Nuten der Prägestruktur zur Mittelachse bzw. Drehachse der Prägewalze, so bewirkt die anschließende Bombierung der Oberfläche, dass diese Nuten in der einsatzbereiten Prägewalze eine variable Tiefe aufweisen, d.h. die Tiefe der Nuten am höchsten Punkt der Wölbung am größten und am tiefsten Punkt der Wölbung am geringsten ist. Der Einsatz derartiger geschliffen bombierter Prägewalzen ermöglicht es dennoch, in diesem Bereich einheitliche bzw. definierte Kanaltiefen bzw. durchgängig entlang ihres Verlaufs einheitliche oder definierte Dichtelemente in einer Separator- oder Rahmenplatte zu erzeugen.

Alternativ kann die Prägewalze hergestellt werden, indem die Oberfläche einer zylindrischen Prägewalze als Ausgangsmaterial derart bearbeitet wird (z.B. durch Schleifen), daß die Oberfläche der Prägewalze in zumindest einem Bereich, in den eine Prägestruktur eingebracht werden soll und der sich in Drehachsenrichtung zumindest bereichsweise und quer zu der Drehachse zumindest abschnittsweise erstreckt, eine in Drehachsenrichtung konvexe Wölbung aufweist. Anschließend werden in die Oberfläche der Prägewalze Prägestrukturen zur Erzeugung von mindestens einer Schar von Flusskanälen für ein Medium und/oder mindestens einem Dichtelement in einer Separatorplatte eingebracht, beispielsweise durch Erodieren, Lasern oder Fräsen.

In beiden Fällen kann das Herstellungsverfahren für die Prägewalze so ausgestaltet werden, dass sowohl einheitliche als auch unterschiedlich Tiefen der Prägestrukturen, insbesondere Prägestrukturen mit zumindest bereichsweisen einheitlichen Nuttiefen und/oder Prägestrukturen mit zumindest bereichsweise unterschiedlichen Nuttiefen, hergestellt werden.

Alternativ kann die Prägewalze hergestellt werden, indem bereits vor Erzeugung der Prägestrukturen in einer Prägewalze für einen konvex zu wölbenden Bereich die Gestaltung der Oberfläche der Prägewalze bestimmt wird einschließlich der Gestaltung der Prägestrukturen und der konvexen Wölbung und anschließend unmittelbar in die Oberfläche der Prägewalze die entsprechenden Prägestrukturen, die dann bereits die konvexe Wölbung der Einhüllenden ihrer Oberfläche aufweisen, eingebracht werden, beispielsweise mittels Erodieren, Laser oder Fräsen. Auch mit einer derart integriert bombierten Prägewalze ist es möglich, in diesen Bereichen einheitliche bzw. definierte Ka- nal-geometrien und/oder Dichtelemente in eine Separator- oder Rahmenplatte einzubringen. Bei diesem Verfahren können sämtliche Nuten der Prägestrukturen eine einheitliche Tiefe aufweisen, können also einen variablen Abstand ihres Nutbodens zur Mittelachse bzw. Drehachse der Prägewalze besitzen. Analoges gilt für Höhe bzw. Tiefe der Dichtelemente.

Entsprechend der Gestaltung der erfindungsgemäßen Prägewalze kann damit eine erfindungsgemäße Platte für ein elektrochemisches System, insbesondere für Separatorplatten einer Brennstoffzelle, für einen Elektrolyseur oder für eine Redox-Flow-Batterie hergestellt werden. Diese weist eine Lage mit mindestens einem Bereich mit mindestens je einer Schar von in die Lage geprägten Flusskanälen für ein Medium, beispielsweise Kühlmittel, Reaktionsmedien oder Reaktionsprodukte, auf. Alternativ oder ergänzend weist sie in mindestens einem Bereich in die Lage geprägte Dichtelemente, insbesondere Dichtsicken, auf. Die erfindungsgemäße Platte, insbesondere Separator- oder Rahmenplatte, weist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer oder beider Prägewalzen, zwischen denen die Lage hindurchgeführt wird, um Strukturen in die Lage einzuprägen, im Wesentlichen einheitliche bzw. definierte Flusskanäle und/oder Dichtelemente innerhalb des genannten mindestens einen Bereichs auf. Dies bedeutet, dass innerhalb dieses Bereichs die geprägten Flusskanäle und/oder Dichtelemente eine im Wesentlichen einheitliche oder zumindest wohldefinierte Tiefe aufweisen. Im Wesentlichen einheitliche Tiefe bedeutet hier, dass die Tiefe der Flusskanäle und/oder Dichtelemente innerhalb dieses Bereichs um maximal 10 %, vorteilhafterweise maximal 5 %, vorteilhafterweise maximal 1 % variiert.

Bei der Betrachtung der Tiefe der Kanäle kann jedoch der in einem derartigen Bereich angeordneten Schar von Flusskanälen einer oder mehrere der äußersten Kanäle und/oder auch eines oder beide Enden der Kanäle außer Betracht bleiben. Die Angabe, dass die Flusskanäle eine im Wesentlichen einheitliche Tiefe aufweisen, muss insbesondere lediglich auf maximal 90 % der Fläche des Bereichs, vorteilhafterweise maximal auf maximal 80 % der Fläche des Bereichs zutreffen. Die weiteren Anteile dieses Bereichs müssen die Bedingung einer im Wesentlichen einheitlichen Tiefe nicht unbedingt erfüllen. Die Angabe, dass die Flusskanäle eine im Wesentlichen einheitliche Tiefe aufweisen, muss insbesondere lediglich auf mindestens 50 % der Fläche des Bereichs, vorteilhafterweise auf mindestens 20 % der Fläche des Bereichs zutreffen.

Analoges gilt bei der Betrachtung der Höhe des mindestens einen Dichtelements. Hier soll die Angabe, dass das mindestens eine Dichtelement eine im Wesentlichen einheitliche Höhe bzw. Tiefe aufweist, auf maximal 90% seiner Länge, insbesondere auf maximal 80% seiner Länge zutreffen. Umgekehrt muss die Angabe, dass das mindestens eine Dichtelement eine im Wesentlichen einheitliche Höhe bzw. Tiefe aufweist, lediglich auf mindestens 50 % seiner Länge, insbesondere auf mindestens 20 % seiner Länge zutreffen.

In einer Separatorplatte weisen die Flusskanäle des erfindungsgemäß ausgestalteten Bereichs eine Tiefe KT auf, wobei die Tiefe KT maximal 40 pm, vorteil hafterweise maximal 10 pm, vorteilhafterweise maximal 5 pm von der über die Kanäle gemittelten mittleren Tiefe MKT abweicht. Typischerweise sind dabei für Separatorplatten eines Elektrolyseurs die Toleranzen größer als für Separatorplatten einer Brennstoffzelle. Analoge Toleranzen gelten für die Höhe bzw. Tiefe des mindestens einen Dichtelements.

Für den einzelnen Flusskanal kann dabei gelten, 0,92 MKT < KT < 1,08 MKT, vorteilhafterweise 0,95 MKT < KT < 1,05 MKT. Analoges gilt für die Höhe bzw. Tiefe des mindestens einen Dichtelements.

Die vorliegende Erfindung kann insbesondere für Separatorplatten oder auch Rahmenplatten eingesetzt werden. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Platten erfolgt dabei, indem die Lage der Platte vor dem Zuschnitt zwischen einer Prägewalze gemäß der vorliegenden Erfindung und einer zweiten Prägewalze, die ggf. ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist, hindurchgeführt und dabei die erfindungsgemäßen Prägestrukturen in die Lage eingebracht werden.

Die Lage der Separatorplatte kann als metallische Platte ausgebildet sein, insbesondere aus einem Edelstahlblech oder einem Blech aus einer Titanlegierung. Die Bleche können dabei abschnittsweise oder vollflächig beschichtet cider plattiert sein, beispielsweise mittels einer korrosionshemmenden und/oder die Leitfähigkeit erhöhenden Beschichtung. Typische Blechstärken liegen bei Separatorplatten für Brennstoffzellen im Bereich unter 200 pm, insbesondere zwischen 50 und 100 pm. Die Blechstärken bei Separatorplatten für Elektrolyseure betragen hingegen üblicherweise 200 bis 500 pm.

Alternativ kann die Lage der Separatorplatte aus graphitbasierendem Material gefertigt sein. Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten der Herstellung. Eine Mög- lichkeit besteht darin, Blähgraphit zu komprimieren und anschließend über einen Prägeprozess die Lage der Separatorplatte zu strukturieren. Um die Diffusion der Reaktionsmedien durch die Separatorplatte zu verhindern, ist noch eine Imprägnierung der Lage der Separatorplatte notwendig. Die zweite Möglichkeit ist die Herstellung der Lage der Separatorplatte aus hochgefülltem Polymer. Dabei wird eine Polymerverbindung mit bis zu 90% Kohlenstoff angereichert. Der Kohlenstoff ermöglicht die notwendige Leitfähigkeit und den Wärmetransport des Separators. Für die Herstellung der Separatorplatte wird das hochgefüllte Polymer in Platten- oder Bahnform gebracht und anschließend über einen Prägeprozess strukturiert.

Die Prägung der Platten, insbesondere Separatorplatten oder auch Rahmenplatten, kann nicht nur in einem einstufigen Prägeverfahren erfolgen, sondern auch in einem zweistufigen Verfahren. Der Vorprägeschritt der ersten Verfahrensstufe muss dabei nicht wie zuvor beschrieben erfolgen, sondern kann herkömmlich, z.B. mit einer nicht bombierten Walze bzw. einem Paar nicht bombierter Walzen erfolgen. Es genügt dann, wenn der zweite, insbesondere der letzte Prägeschritt erfindungsgemäß erfolgt.

Im Folgenden werden Beispiele erfindungsgemäßer Platten, erfindungsgemäßer Prägewalzen sowie erfindungsgemäßer Verfahren zur Herstellung derartiger Platten und Walzen gegeben. Dabei bezeichnen in sämtlichen Figuren gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente, so dass die Beschreibung einzelner Elemente ggf. nicht wiederholt wird.

Bei den nachfolgenden Beispielen wird eine Prägewalze, eine Platte, ein Verfahren zur Herstellung einer Prägewalze und ein Verfahren zur Herstellung einer Platte in einzelnen Beispielen dargestellt, wobei diese Beispiele zusätzliche optionale und/oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zeigen. Es ist möglich, einzelne dieser vorteilhaften, optionalen Weiterbildungen, die nicht in den unabhängigen Ansprüchen erwähnt sind, einzeln zur Weiterbildung der vorliegenden Erfindung einzusetzen oder auch in beliebiger Kombination einzelner derartiger optionaler vorteilhafter Merkmale in einzelnen Beispielen oder auch in verschiedenen Beispielen nach Belieben miteinander zu kombinieren.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Brennstoffzellenstapel;

Fig. 2 eine Einheitszelle eines Brennstoffzellsystems; Fig. 3 eine Explosionsansicht einer Einzelzelle eines Elektrolyseurs;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Rollprägens einer metallischen Lage;

Fig. 5 eine Ansicht der Vorrichtung zum Rollprägen in Fig. 4;

Fig. 6 eine Ansicht einer weiteren Vorrichtung zum Rollprägen;

Fig. 7 eine Ansicht einer weiteren Vorrichtung zum Rollprägen;

Fig. 8 eine Ansicht einer Prägewalze;

Fig. 9 in zwei Teilfiguren 9A und 9B eine Schrägansicht und einen Querschnitt einer weiteren Prägewalze;

Fig. 10 eine Ansicht einer weiteren Prägewalze;

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer integriert bombierten Oberfläche einer Prägewalze;

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer geschliffen bombierten Oberfläche einer Prägewalze;

Fig. 13 eine Ansicht einer weiteren Prägewalze; und

Fig 14 eine Ansicht einer weiteren Prägewalze.

Fig. 1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen Bipolarplatten 2. Die Bipolarplatten 2 sind als Anordnung in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 eines kartesischen Koordinatensystems mit z-Achse 7, x-Achse 8 und y-Achse 9 gestapelt. Die Bipolarplatten 2 des Stapels 6 sind zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Bipolarplatten 2 des Stapels begrenzen also eine elektrochemische Zelle, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels jeweils eine Membran-Elektroden-Anord- nung (MEA) angeordnet (siehe hierzu MEA 10 in Fig. 2). Die MEA beinhalten typischerweise jeweils eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein. Die Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatten 2 definieren in ihrer Berührebene jeweils eine Plattenebene E, die parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet ist (vgl. Figur 2). Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder ggf. Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.

Fig. 2 zeigt perspektivisch zwei aus dem Stand der Technik bekannte benachbarte Bipolarplatten 2 eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus Fig. 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Bipolarplatten 2 angeordnete, aus dem Stand der Technik bekannte Membran-Elektroden-An- ordnung (MEA) 10, wobei die MEA 10 in Fig. 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Bipolarplatte 2 verdeckt ist. Jede der Bipolarplatten 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorplatten 2a, 2b gebildet, von denen in Fig. 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorplatte 2a sichtbar ist, die die zweite Separatorplatte 2b verdeckt. Die MEA 10 weist längs ihres Außenrandes einen Verstärkungsrand auf, an dem die MEA zwischen den beiden Bipolarplatten 2 fluiddicht eingespannt wird.

Die Separatorplatten 2a, 2b weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen lla-c der Bipolarplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 2 bilden die Durchgangsöffnungen lla-c gemeinsam mit mit den Durchgangsöffnungen lla-c fluchtenden Durchgangsöffnungen in den Verstärkungsrändern der MEAs Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel (Bezugszeichen 6 in Fig. 1) erstrecken. Typischerweise ist jede der mit den Durchgangsöffnungen lla-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Ports 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die mit den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen kann z. B. Kühlmittel in den Stapel eingeleitet oder aus dem Stapel abgeleitet werden. Die mit den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen dagegen können zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel ausgebildet sein. Die medienführenden Durchgangsöffnungen lla-llc sind im Wesentlichen jeweils parallel zur Plattenebene ausgebildet. Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen lla-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Separatorplatten 2a jeweils Dichtanordnungen in Gestalt von Dichtsicken 12a-c auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen lla-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen lla-c jeweils vollständig umschließen. Die zweiten Separatorplatten 2b weisen an der vom Betrachter der Fig. 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatten 2 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen lla-c auf (nicht gezeigt).

In einem dem elektrochemisch aktiven Bereich der MEA gegenüberliegenden Bereich weisen die ersten Separatorplatten 2a an ihrer dem Betrachter der Fig. 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen (Kanälen und Stegen) zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Vorderseite der Separatorplatte 2a auf, d. h. einen Fließbereich mit Flußkanälen. Diese Strukturen sind in Fig. 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen gegeben. An der dem Betrachter der Fig. 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatten 2 weisen die ersten Separatorplatten 2a zudem jeweils mindestens einen Verteilbereich und einen Sammelbereich auf, die beide mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet sind. Der Verteil- oder Sammelbereich 20 umfasst Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den Verteil- oder Sammelbereich 20 eingeleitetes Medium über das Strömungsfeld 17 zu verteilen und/oder ein ausgehend vom Strömungsfeld 17 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln.

Die ersten Separatorplatten 2a weisen ferner jeweils eine weitere Dichtanordnung in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17, die Verteilbereiche und Sammelbereiche 20 und die Durchgangsöffnungen 11b und 11c umläuft und diese gegenüber der Durchgangsöffnung 11a, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet.

Bei einem Elektrolyseur wird einem Stapel ähnlich dem in Figur 1 gezeigten Wasser zu- und Sauerstoff sowie Wasserstoff abgeführt. Figur 3 zeigt eine Explosionsansicht einer Einzelzelle 100 eines Elektrolyseurs. Die Einzelzelle 100 umfasst zwei Separatorplatten 102a und 102b mit je einem Strömungsfeld 117a, 117b, zwei Zellrahmen 130 und 130', Dichtlagen 120, 140, 120' und 140' sowie eine Membran-Elektroden-Anordnung 110 mit Mediendiffusionsstrukturen 150 und 150'. Die Mediendiffusionsstruktur 150 umfasst beispielsweise Lagen aus Kohlenstoffvlies, während die Mediendiffusionsstruktur 150' Metall, bspw. poröses Titan umfasst. Die Separatorplatte 102b ist an der Katho- denseite der Einzelzelle 100 angeordnet. Die Separatorplatte 102a ist an der Anodenseite der Einzelzelle 100 angeordnet. Die einzelnen Lagen werden miteinander zu einer Einzelzelle verpresst. Die einzelnen Lagen weisen im gezeigten Ausschnitt jeweils fluchtend übereinander angeordnete Wasserports lld zum Hineinführen von Wasser, Wasserstoffports Ile zum Hinausführen von Wasserstoff sowie Positionierlöcher 11z auf. Durch eine Projektion der um sämtliche abzudichtenden Strukturen in der Lage 120' umlaufenden Dichtung 12f auf die Separatorplatte 102a wird ein Fließbereich der Separatorplatte 102a definiert. Durch eine Projektion der ebenfalls um sämtliche abzudichtenden Strukturen in der Lage 120 umlaufenden Dichtung 12e auf die Separatorplatte 102b wird ein Fließbereich der Separatorplatte 102b definiert. Der Zellrahmen 130' weist Verteilerkanäle 131' zum Verteilen des eingeführten Wassers auf. Bei Anlegen eines elektrischen Potentials an die Zelle 100 kann Wasserstoff und Sauerstoff aus zugeleitetem Wasser erzeugt werden.

Die Separatorplatten 2a, 2b, 102a, 102b ebenso wie die Zellrahmen 130, 130' und die Dichtlagen 120, 140, 120' und 140' können jeweils aus einem Metallblech gefertigt sein, z. B. aus einem Edelstahlblech oder einem Blech aus einer Titanlegierung. Die Bleche können dabei abschnittsweise oder vollflächig beschichtet oder plattiert sein, beispielsweise mittels einer korrosionshemmenden und/oder die Leitfähigkeit erhöhenden Beschichtung. Alternativ können die Separatorplatten aus graphitbasierendem Material gefertigt sein. Hierbei gibt es mindestens die folgenden zwei Möglichkeiten der Herstellung. Eine Möglichkeit besteht darin, Blähgraphit zu komprimieren und anschließend über einen Prägeprozess die Separatorplatte zu strukturieren. Um die Diffusion der Reaktionsmedien durch die Separatorplatte zu verhindern, ist noch eine Imprägnierung der Separatorplatte notwendig. Die zweite Möglichkeit ist die Herstellung der Separatorplatte aus hochgefülltem Polymer. Dabei wird eine Polymerverbindung mit bis zu 90% Kohlenstoff angereichert. Der Kohlenstoff ermöglicht die notwendige Leitfähigkeit und den Wärmetransport des Separators. Für die Herstellung der Separatorplatte wird das hochgefüllte Polymer in Platten- oder Bahnform gebracht und anschließend über einen Prägeprozess strukturiert.

Die Strukturen des Strömungsfelds 17, die Stege und Kanäle des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d bzw. die Strukturen des Strömungsfelds 117a, 117b, die Verteilerkanäle 131, 131' und die Dichtsicken 12e, 12f sind jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a, 2b, 102a, 102b bzw. dem Zellrahmen 130, 130' oder den Dichtlagen 120, 140, 120' und 140' ausgebildet und in diese(n) eingeformt, z. B. bei der vorliegenden Erfindung in einem Rollprägeprozess. Die Separatorplatten 2a und 2b bzw. 102a und 102b können miteinander z. B. stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verschweißt, verlötet oder verklebt sein, insbesondere durch Laserschweißverbindungen beispielsweise zu zweilagigen Bipolarplatten 2 verbunden sein. Bei Elektrolyseuren können neben aus zwei Separatorplatten 102a, 102b aufgebauten Bipolarplatten auch die einlagigen Separatorplatten 102a, 102b unmittelbar als Bipolarplatten Verwendung finden.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Prägen einer einlagigen Platte 200, beispielsweise einer Separatorplatte 2a, 2b, 102a, 102b, einer Rahmenplatte 130, 130' oder einer Dichtlage 120, 140, 120' und 140', mittels Rollprägens. Hierzu wird die in diesem Beispiel metallische Lage 200 der Platte in Vorschubrichtung 213 zwischen zwei Prägewalzen 210a und 210b hindurchgeführt. Die Walzen 210a und 210b drehen sich jeweils in die in der Figur dargestellten Drehrichtungen 212a bzw. 212b. Auf der Oberfläche 215a der Prägewalze 210a und auf der Oberfläche 215b der Walze 210b befinden sich in Fig.

4 nicht erkennbare Prägestrukturen (im Weiteren mit dem Bezugszeichen 217 bezeichnet). Diese Prägestrukturen bilden Patrize und Matrize einer Prägevorrichtung aus und prägen in die Lage 200 beim Durchlaufen der Prägewalzen 210a und 210b eingeprägte Prägestrukturen 201 aus. Diese Strukturen 201 können beispielsweise Kanäle zum Leiten eines Mediums oder auch Dichtsicken zur Abdichtung einzelner Bereiche der Platte 200 sein.

Fig. 5 zeigt ergänzend zu Fig. 4 in Seitenansicht, die in einer Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung 213 angeordnet ist, die Anordnung der beiden Prägewalzen 210a und 210b, die zwischen sich die Lage 200 der Separatorplatte einschließen. Beide Prägewalzen 210a und 210b haben eine zylindrische Außenoberfläche abgesehen von den Prägestrukturen, die in diese Oberfläche eingebracht sind. Diese nicht dargestellte Prägestrukturen prägen die Lage 200. Bei einer derartigen in Fig. 5 dargestellten herkömmlichen Anordnung von Prägewalzen biegen sich beim Prägevorgang die beiden Walzen 210a und 210b mit ihrer jeweiligen Mitte nach außen, so dass der Prägedruck auf die in Vorschubrichtung 213 betrachtete Mitte der Lage 200 relativ zu den hierzu in Fig. 5 links und rechts angeordneten Rändern abfällt. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Prägung der Prägestrukturen der Lage 200.

Fig. 6 zeigt eine Fig. 5 entsprechende Anordnung von Prägewalzen 210a und 210b, die eine Lage 200 einschließen. In Fig. 6 weisen die dargestellten Einhüllenden 218a und 218b der in Fig. 6 nicht zu erkennenden Prägestrukturen in den Walzen 210a und 210b eine konvexe Wölbung über die gesamte Länge der Prägewalzen 210a und 210b auf. In Fig. 6 sind diese konvexen Wölbungen schematisch und völlig überhöht dargestellt. Die tatsächliche Überhöhung KH durch die konvexe Wölbung der Bereiche 216a und 216b der Einhüllenden 218a bzw. 218b beträgt im Beispiel der Fig. 6 50 pm.

Ansonsten sind die Prägewalzen 210a und 210b wie im Stand der Technik, der in Fig. 5 gezeigt ist, ausgestaltet. Durch die konvexe Wölbung der Bereiche 216a bzw. 216b wird der in der Mitte der Prägewalzen 210a und 210b beim Prägevorgang auftretende verringerte Prägedruck aufgrund der Durchbiegung der Prägewalzen 210a und 210b kompensiert, so dass die Prägestrukturen 201 in definierter Weise, insbesondere bei Kanälen mit im Wesentlichen einheitlicher Tiefe, eingebracht werden können. Auch Dichtstrukturen können mit im Wesentlichen einheitlicher Tiefe bzw. einheitlicher Höhe hergestellt werden, indem der verringerte Prägedruck in der Mitte der Walzen 210a und 210b mittels der bombierten Bereiche 216a bzw. 216b kompensiert wird.

In Fig. 6 sind ebenso wie in den weiteren Figuren 7 bis 10 keine Prägestrukturen 217 in den Oberflächen 215a und 215b der Prägewalzen 210a und 210b dargestellt, da diese eine zu geringe Tiefe aufweisen, um im Zeichnungsblatt erkennbar zu sein.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel ähnlich demjenigen in Fig. 6 für eine Anordnung zweier Prägewalzen 210a und 210b. Im Unterschied zu Fig. 6 ist nun die Prägewalze 210a ohne konvexe Wölbung bzw. Bombage, während die Prägewalze 210b gleich wie die Prägewalze 210b in Fig. 6 ausgestaltet ist. Auch eine derartige einseitige Überwölbung einer Prägewalze und Verwendung einer zweiten herkömmlichen Prägewalze, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, kann erfindungsgemäß eingesetzt werden, um definierte Höhen bzw. Tiefen der geprägten Strukturen, insbesondere einheitliche Tiefen oder Höhen über einen bestimmten Bereich einer Lage 200 zu erzielen.

Fig. 8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Prägewalze 210, die ähnlich wie die Prägewalze 210a in Fig. 6 ausgebildet ist. Global weist die Walze 210 weiterhin eine konvexe Wölbung auf. Allerdings weisen nicht sämtliche Oberflächenabschnitte in Achsrichtung die konvexe Wölbung auf. Vielmehr ist sie nur in einzelnen Abschnitten 216a, 216b, 216c, 216d der Walze 210 ausgebildet. Beispielsweise weisen die endständigen Abschnitte 216a, 216d der Walze ebenso Wölbungen auf wie zwei zu diesen beabstandete dem zentralen Bereich unmittelbar benachbarte Abschnitte 216b, 216c, wobei sich insgesamt dennoch eine konvexe Wölbung ergibt. Die Gesamtlänge KL der gewölbten Abschnitte beträgt KL = KLi + KL2 + KL3 + KL4 und entspricht in diesem Beispiel ungefähr 70% der Gesamtlänge RL der Prägewalze. Zwischen den die Wölbung aufspannenden Abschnitten sind Abschnitte angeordnet, die zylindrisch ausgebildet sind. Die Walze 210 eignet sich dabei dafür, in einem entsprechenden Bereich einer Lage eine definierte bzw. einheitliche Prägung herzustellen. Auch in Fig. 8 sind keine Prägestrukturen 217 eingezeichnet, sondern lediglich die Einhüllende 218 der Oberfläche 215 der Prägewalze 210.

Fig. 9 zeigt in den Teilfiguren 9A und 9B ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Prägewalze 210, wobei in Fig. 9A eine Aufsicht auf die Prägewalze

210 in Schrägansicht und in Fig. 9B ein Querschnitt durch die Walze 210 längs der Linie 219 in Fig. 9A dargestellt ist.

Die Walze 210 in Fig. 9A ist ähnlich wie diejenige in Fig. 8 ausgestaltet, wobei jedoch der in Längsrichtung längs der Drehachse 211 der Walze 210 angeordnete konvex überhöhte Bereich 216 längs der Linie 219 längs des Umfanges der Prägewalze 210 nicht einheitlich gestaltet ist. Lediglich bestimmte Bereiche auf diesem Umfang sind Ihrerseits bombiert gestaltet. Insbesondere der Bereich 216', der auch im Querschnitt längs der Linie 219 in Fig. 9B dargestellt ist, ist als solcher nicht konvex überhöht, er liegt aber in Drehachsenrichtung

211 zwischen konvex überhöhten Bereichen. Der gestrichelte Kreis stellt in Fig. 9B den ursprünglichen zylindrischen Umfang der Walze 210 in der Schnittebene dar, von dem wiederum einzelne Oberflächenbereiche abgetragen wurden, um die Oberfläche topographisch anzupassen, beispielsweise um Rückfederungen beim Prägen auszugleichen. Hierdurch wird ein noch gleichmäßigeres bzw. dem gewünschten Prägemuster entsprechenderes Prägebild auf der zu prägenden Lage erhalten.

Fig. 10 zeigt eine weitere Prägewalze 210 gemäß der vorliegenden Erfindung, die ähnlich ausgestaltet ist wie diejenige in Fig. 8. Auch bei dieser Prägewalze 210 ist der bombierte Bereich 216 konvex überhöht gestaltet. Der Bereich 216 befindet sich jedoch im Gegensatz zu der Prägewalze in Fig. 8 nicht mittig in Längsrichtung längs der Drehachse 211 der Prägewalze 210, sondern zu ihrem in der Zeichnung linken Ende versetzt. Dieses Beispiel ist daher ein Beispiel, das zeigt, dass der bombierte Bereich 216 sich nicht über die gesamte Länge der Prägewalze 210 erstrecken muss und auch nicht mittig in der Prägewalze 210 angeordnet sein muss.

Figuren 11 und 12 zeigen schematisch zwei Herstellungsverfahren für einen bombierten Bereich 216 einer Prägewalze 210 gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 11 ist die Herstellung einer integriert bombierten Prägewalze 210 dargestellt, wobei lediglich der Bereich 216 mit konvexer Überhöhung im Ausschnitt und im Querschnitt dargestellt ist. Hierzu wird in einem ersten Schritt die in die Oberfläche 215 der Prägewalze einzubringende Prägestruktur 217 sowie die erforderliche Bombierung bestimmt. In eine Ausgangsprägewalze mit einer Ausgangsoberfläche 214, in die noch keinerlei Prägestruktur eingebracht ist und die eine zylindrische Prägewalzenoberfläche ist, wird dann unter Berücksichtigung sowohl der Prägestruktur 217 als auch der erforderlichen Bombierung unmittelbar die Prägestruktur 217 eingebracht, beispielsweise mittels Fräsens und/oder mittels Lasers und/oder mittels Erodieren und/oder mittels Ätzens. Im Ergebnis befinden sich dann in der fertigen Oberfläche 215 der Prägewalze 210 Prägestrukturen 217, die eine Einhüllende 218 aufweisen, die in einem Bereich 216 konvex gewölbt ist. Die Prägestrukturen 217 können dabei sämtlich ausgehend von der Oberfläche 215 mit einheitlicher Kanaltiefe KT gestaltet sein, so dass sie zwar einen unterschiedlichen Abstand zur Drehachse 211 der Prägewalze 210 aufweisen, jedoch zu einer einheitlichen Prägung der Lage einer Separatorplatte oder einer anderen Platte führen.

In Fig. 12 ist die Herstellung einer Prägewalze 210 als geschliffen bombierte Prägewalze 210 dargestellt, wobei ebenfalls lediglich der Bereich 216 mit konvexer Wölbung im Ausschnitt und im Querschnitt dargestellt ist. Bei diesem Verfahren wird zuerst in eine Ausgangsoberfläche 214 einer rein zylindrischen Prägewalze 210 die Prägestruktur 217 eingebracht, beispielsweise eingefräst, eingelasert, mittels Erodierens und/oder mittels Ätzens eingebracht. Beispielsweise können die Prägestrukturen 217, wie im vorliegenden Beispiel, nach diesem Schritt alle oder bereichsweise dieselbe Tiefe aufweisen. Anschließend wird die so erzeugte Prägestruktur geschliffen, um eine konvex überwölbte Einhüllende 218 der Prägestrukturen 217 in dem Bereich 215 zu erzeugen. Bei diesem Verfahren sind dann die Nuten der Prägestrukturen unterschiedlich tief, die Kanaltiefe KT ist also von Nut zu Nut verschieden. Die Nutböden der Prägestrukturen 217 sind weiterhin sämtlich gleich weit von der Drehachse 211 der Prägewalze 210 entfernt. Auch mit einer derart geschliffen bombierten Prägewalze 210 können in Platten, beispielsweise Separatorplatten oder Rahmenplatten, definierte Prägestrukturen, insbesondere in einem dem Bereich 216 entsprechenden Bereich auf der Lage der Platte korrespondierenden Bereich Strukturen mit definierter, insbesondere einheitlicher Tiefe oder Höhe erzeugt werden.

Sowohl in Fig. 11 als auch in Fig. 12 erstreckt sich die konvex überwölbte Einhüllende 218 über mehrere Prägestrukturen 217, wobei die dargestellte Anzahl nur symbolischen Charakter hat.

Fig. 13 zeigt eine weitere Prägewalze 210 gemäß der vorliegenden Erfindung, die ähnlich ausgestaltet ist wie diejenige in Fig. 10. Auch bei dieser Prägewalze 210 ist der, hier mittig angeordnete, bombierte Bereich 216 konvex überhöht gestaltet und erstreckt sich in Längsrichtung der Prägewalze 210 bzw. Drehachsenrichtung über den gesamten Bereich 217a der Prägewalze 210, der mit Prägestrukturen 217 zum Einbringen von Prägestrukturen in eine Separatorplatte, beispielsweise die Separatorplatte 2a in Fig. 2, versehen ist. Dargestellt ist dabei nur ein Abschnitt der Prägestrukturen in Umlaufrichtung. Jeweils an den Längsenden der Prägewalze 210 sind Bereiche vorgesehen, in denen keine Prägung der Separatorplatte erfolgt und in die sich daher die konvexe Wölbung 216 nicht erstreckt. In diesen seitlichen Bereichen, d.h. außerhalb eines von einem äußersten umlaufenden Prägeelement 22, das beispielsweise der Ausformung einer Dichtsicke 12d aus Fig. 2 oder einer Dichtsicke 12e, 12f aus Fig. 3 dient, umschlossenen Bereichs, sind über den Umfang der Prägewalze 210 verteilt Noppen 300 angeordnet, die zur Führung eines zu prägenden Metallbleches dienen. Die zu fertigende Separatorplatte wird anschließend derart aus diesem Blech ausgestanzt, dass die durch diese Noppen 300 erzeugten Prägungen nicht Bestandteil der Separatorplatte werden. Derartige Prägungen werden daher auch als Hilfsprägungen bezeichnet.

Fig. 14 zeigt eine weitere Prägewalze 210 gemäß der vorliegenden Erfindung, die ähnlich ausgestaltet ist wie diejenige in Fig. 10. Im Unterschied zu Fig. 10 ist nunmehr der konvexe Bereich 216 insgesamt gegenüber den an den Längsenden der Prägewalze 210 benachbarten Bereichen stark erhöht und abgesetzt. Damit erstreckt sich auch hier der konvex ausgebildete Bereich der Wölbung als einheitliche Wölbung über den gesamten Prägebereich 217 der Prägewalze 210.

Claims

Ansprüche

1. Prägewalze (210) zum Prägen einer Platte (2a, 2b, 102a, 102b, 120, 120', 130, 130', 140, 140', 200), insbesondere Separatorplatte oder Rahmenplatte für ein elektrochemisches System (1), insbesondere für eine Brennstoffzelle, für einen Elektrolyseur oder für eine Redox-Flow- Batterie, mit einer im Wesentlichen zylindrischen Oberfläche und der Zylinderlängsachse als Drehachse (211), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Einhüllende (218) der Oberfläche (215) der Prägewalze (210) zumindest in einem Bereich (216), der sich in Drehachsenrichtung zumindest bereichsweise und in diesem Bereich quer zu der Drehachse (211) zumindest abschnittsweise erstreckt, eine in Drehachsenrichtung konvexe Wölbung aufweist.

2. Prägewalze (210) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Wölbung in Drehachsenrichtung sich über zumindest einen Teil des mit Prägestrukturen (217) zur Prägung der Platte versehenen Bereiches (217a, 217b) der Prägewalze (210) cider sich vollständig über den mit Prägestrukturen (217) zur Prägung der Platte versehenen Bereich (217a, 217b) der Prägewalze (210) erstreckt.

3. Prägewalze (210) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Wölbung in Drehachsenrichtung sich über die gesamte Länge RL der Prägewalze (210) erstreckt oder lediglich über eine Länge KL mit KL < RL, vorteilhafterweise KL < 2/3 RL, vorteilhafterweise KL < 1/3 RL erstreckt.

4. Prägewalze (210) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Wölbung in Drehachsenrichtung sich über eine Länge KL erstreckt, wobei KL > 50 mm, insbesondere KL > 100 mm, insbesondere KL > 0,5 RL, KL > 2/3 RL, KL > 0,75 RL, KL > 0,9 RL oder KL = RL, wobei RL die gesamte Länge der Prägewalze (210) ist.

5. Prägewalze (210) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Wölbung in Drehachsenrichtung sich über eine Länge KL erstreckt, wobei die konvexe Wölbung sich bezüglich der Zylinderlängsachse auf der Prägewalze mittig oder außermittig erstreckt.

6. Prägewalze (210) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Wölbung eine Überhöhung KH mit 5 pm < KH < 500 pm, vorteilhafterweise 15 pm < KH < 300 pm aufweist.

7. Prägewalze (210) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Wölbung quer zur Drehachsenrichtung sich über eine Länge KU über zumindest einen Teil des Umfangs der Prägewalze (210) oder über den gesamten Umfang der Prägewalze (210) erstreckt.

8. Prägewalze (210) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Wölbung quer zur Drehachsenrichtung sich über eine Länge KU über zumindest einen Teil des Umfangs der Prägewalze (210) mit dem maximalen Durchmesser PD der Prägewalze (210) erstreckt, wobei KU > PD/50, vorteilhafterweise KU > PD/20, insbesondere KU > 4 mm, insbesondere KU > 5 mm.

9. Prägewalze (210) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägewalze (210) zur Erzeugung der konvexen Wölbung geschliffen bombiert und/oder integriert bombiert ist.

10. Prägewalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägewalze (210) abschnittsweise kreisförmig und/oder parabelförmig bombiert ist.

11. Verfahren zur Herstellung einer Prägewalze (210) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) in die Oberfläche (214) einer zylindrischen Prägewalze (210) Prägestrukturen (217) zur Erzeugung von mindestens einer Schar von Flusskanälen für ein Medium und/oder mindestens einem Dichtelement in einer Separatorplatte eingebracht werden und anschließend die Oberfläche der Prägewalze derart bearbeitet wird, daß die Einhüllende (218) der Oberfläche (215) der Prägewalze (210) zumindest in einem Bereich (216) mit Prägestrukturen, der sich in Drehachsenrichtung zumindest bereichsweise und in diesem Bereich quer zu der Drehachse (211) zumindest abschnittsweise erstreckt, eine in Drehachsenrichtung konvexe Wölbung aufweist; oder b) die Oberfläche einer zylindrischen Prägewalze derart bearbeitet wird, daß die Oberfläche (215) der Prägewalze (210) in zumindest einem Bereich (216), in den eine Prägestruktur eingebracht werden soll, der sich in Drehachsenrichtung zumindest bereichsweise und quer zu der Drehachse (211) zumindest abschnittsweise erstreckt, eine in Drehachsenrichtung konvexe Wölbung aufweist, und anschließend in die Oberfläche der Prägewalze (210) Prägestrukturen (217) zur Erzeugung von mindestens einer Schar von Flusskanälen für ein Medium und/oder mindestens einem Dichtelement in einer Separatorplatte eingebracht werden; oder c) in die Oberfläche (214) einer zylindrischen Prägewalze (210) Prägestrukturen (217) zur Erzeugung von mindestens einer Schar von Flusskanälen für ein Medium und/oder mindestens einem Dichtelement in einer Separatorplatte derart eingebracht werden, dass in zumindest in einem Bereich (216), der sich in Drehachsenrichtung zumindest bereichsweise und in diesem Bereich quer zu der Drehachse (211) zumindest abschnittsweise erstreckt, die Einhüllende (218) der Prägestrukturen (217) eine in Drehachsenrichtung konvexe Wölbung aufweist.

12. Platte (2a, 2b, 102a, 102b, 120, 120', 130, 130', 140, 140', 200) für ein elektrochemisches System (1), insbesondere für eine Brennstoffzelle, für einen Elektrolyseur oder für eine Redox-Flow-Batterie, mit einer Lage, insbesondere einer metallischen Lage, einer graphitische Lage cider einer Lage aus einem Graphitkomposit, wobei die Lage aufweist mindestens einen Bereich mit mindestens je einer Schar von in die Lage geprägten Flusskanälen für ein Medium , wobei die Flusskanäle einen Kanalgrund und zu dem Kanalgrund zu beiden Seiten angeordnete Kanalwände aufweisen und zwischen benachbarten Kanalwänden benachbarter Flusskanäle Stege angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s für einen, mehrere oder alle Bereiche die Flusskanäle innerhalb von < 90% der Fläche des Bereichs eine im Wesentlichen einheitliche Tiefe aufweisen.

13. Platte nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle Bereiche die Flusskanäle mit Ausnahme eines oder mehrerer Kanalenden und/oder eines oder mehrerer der äußersten Kanäle eine im Wesentlichen einheitliche Tiefe aufweisen.

14. Platte nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass einer, mehrere oder alle Bereiche Teil eines aktiven Bereichs, eines Zuleitungsbereichs für Medien oder eines Ableitungsbereichs für Medien ist/sind.

15. Platte nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Flusskanäle eine Tiefe KT aufweist und sämtliche Flusskanäle gemeinsam eine mittlere Tiefe MKT aufweisen, wobei für jeden der Flusskanäle die Tiefe KT maximal 40 pm, vorteilhafterweise maximal 10 pm, vorteilhafterweise maximal 5pm von MKT abweicht.

16. Platte nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Flusskanäle eine Tiefe KT aufweist und sämtliche Flusskanäle gemeinsam eine mittlere Tiefe MKT aufweisen mit 0,92 MKT < KT < 1,08 MKT, vorzugsweise 0,95 MKT < KT < 1,05 MKT.

17. Platte nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusskanäle in die Lage mittels Rollprägens, insbesondere mittels einer Prägewalze gemäß einem der Ansprüche 1-6, eingeprägt wurden.

18. Platte (2a, 2b, 102a, 102b, 120, 120', 130, 130', 140, 140', 200) für ein elektrochemisches System (1), insbesondere für eine Brennstoffzelle, für einen Elektrolyseur oder für eine Redox-Flow-Batterie, mit einer Lage, wobei die Lage mindestens einen Bereich mit mindestens einem in die Lage geprägten Dichtelement aufweist und das mindestens eine Dichtelement ein gerades oder gewölbtes Dach und zu dem Dach zu beiden Seiten angeordnete Flanken aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für einen, mehrere oder alle Bereiche das Dichtelement innerhalb von < 90% der Fläche des Bereichs eine im Wesentlichen einheitliche Höhe seines Daches aufweist.

19. Platte nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Platte eine Separatorplatte oder eine Rahmenplatte ist.

20. Verfahren zur Herstellung einer Platte (2a, 2b, 102a, 102b, 120, 120', 130, 130', 140, 140', 200) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Platte (2a, 2b, 102a, 102b, 120, 120', 130, 130', 140, 140', 200) vor dem Zuschnitt zwischen einer ersten Prägewalze (210a) und einerzweiten Prägewalze (210b) durchgeführt wird.

21. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Prägewalze eine Prägewalze nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Prägewalze und/oder die zweite Prägewalze eine konvexen Wölbung aufweist über eine Länge in der Drehachsenrichtung der Prägewalze, die der Breite mindestens eines der Bereiche der Platte quer zur Vorschubrichtung des Rollprägens entspricht oder größer oder kleiner als diese Breite ist.