WO2020078961A1 - Verfahren zur herstellung einer separatorplatte - Google Patents

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WO2020078961A1
WO2020078961A1 PCT/EP2019/077902 EP2019077902W WO2020078961A1 WO 2020078961 A1 WO2020078961 A1 WO 2020078961A1 EP 2019077902 W EP2019077902 W EP 2019077902W WO 2020078961 A1 WO2020078961 A1 WO 2020078961A1
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electrically conductive
fillers
conductive fillers
mixture
separator plate
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PCT/EP2019/077902
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Fritz Wazula
Helge Warta
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Karl Wörwag Lack- Und Farbenfabrik Gmbh & Co. Kg
Daimler Ag
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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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 separator plate according to the kind defined in the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a separator plate obtainable by the method according to the invention.
  • Separator plates which are also designed as bipolar plates, and which are used in the manufacture of fuel cells in these, are so far known from the prior art. They must have a certain electrical conductivity, which is why they are made of graphite or metal, for example.
  • a method for producing such a separator plate is known, for example, from DE 10 2016 015318 Al. In the process, a plastic matrix is applied to a film and provided with the desired shape. The material is then cured. Electrically conductive particles of graphite or carbon black are present in the material, so that the structure as a whole is produced with a largely homogeneous electrical conductivity.
  • EP 1 331 685 B1 a polymer matrix is used, which is provided with electrically conductive fillers.
  • parts of the polymer matrix are destroyed by pyrolysis in order to achieve a direct connection of the electrically conductive particles.
  • the pyrolysis can be achieved in particular by the action of electromagnetic radiation, for example microwaves.
  • the disadvantage here is the relatively complex process, in which the separator plate which has already been produced has to be worked on via electromagnetic radiation and pyrolysis.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a separator plate and a separator plate obtainable by the method, which enables a higher electrical conductivity with undiminished mechanical material properties and an reduced size.
  • the method according to the invention for producing a separator plate for a fuel cell uses, for example, like the prior art mentioned at the beginning in the form of DE 10 2016 015318 A1, a curable material which is provided with electrically conductive fillers.
  • This mixture can be processed accordingly, for example by applying it to a carrier film as in the cited DE document, and by forming a flow field with raised and lowered areas or the like.
  • this is only to be understood as an example and is not essential for the method according to the invention.
  • the electrically conductive fillers are aligned via an electrical and / or magnetic field, and that the material is then hardened with the electrically conductive fillers in the aligned orientation.
  • the entire material mixture thus remains non-destructive and in the desired manner, so that the desired mechanical workpiece properties can be achieved without additional material and / or volume.
  • An electromagnetic field or an electric field or a magnetic field is used to align at least some of the electrically conductive fillers in the material as long as it is still liquid or viscous. This alignment of the electrically conductive fillers in the material creates a higher electrical conductivity, since these are oriented, for example, along the field lines and converge there center.
  • the curing then takes place, for example, by preheating the material to make it highly viscous, so that reorientation of the electrically conductive fillers is prevented before they continue to be in the electromagnetic field the desired orientation remains cured with the material who, for example by exposure to heat, by UV light or the like, as is already known in particular from the aforementioned DE 10 2016 015318 Al.
  • a very advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the electrically conductive fillers are in the form of metallic fillers.
  • the metallic fillers can, in particular, show silver, which ensures high electrical conductivity with sufficient material stability.
  • a particularly favorable embodiment of the idea also provides for the electrically conductive fillers to be in powder form or in the form of nanoparticles, nanotubes or nanowires.
  • the fillers are highly mobile in the still liquid or viscous material of the later plastic matrix, so that a particularly simple alignment of the electrically conductive fillers in the electromagnetic Field is possible, which is a decisive advantage with regard to the high conductivity to be achieved of the separator plate produced by the method according to the invention.
  • the fillers are in the form of silver nanowires or at least have them.
  • Such silver nanowires have a diameter of 30 to 50 nm and a length of 10 to 40 pm.
  • they are provided in stabilized dispersions which can be ideally mixed with the still liquid matrix material, for example before it is applied to a carrier film, in order to use the preferred but not absolutely necessary method of DE 10 2016 015381 which has already been mentioned several times above Al stay.
  • These silver nanowires have sufficient mobility in the still liquid material and ensure very good electrical conductivity after alignment, without adversely affecting the mechanical material properties of the separator plate in the areas in which they are appropriately concentrated and aligned.
  • the electrical and / or magnetic field is designed such that areas with electrical conductivity and areas with electrical insulation are formed.
  • the electrically conductive fillers in particular the nanowires made of silver, are concentrated and aligned there. This can be the case in particular along the field lines of the field. In between there are areas with a low orientation and a low concentration of electrically conductive fillers, so that electrical insulation is possible in these areas, or at least a very low electrical conductivity compared to the neighboring areas.
  • a separator plate obtainable by the method according to the invention in one of the above-described embodiments can now be used as a separator plate or bipolar plate in a fuel cell stack, for example to form a light, compact and inexpensive PEM fuel cell stack which can be used to provide electrical power, for example can be used in a motor vehicle.
  • Figure 1 is a schematic representation of a manufacturing system for producing separator plates for fuel cells.
  • Fig. 2 is an enlarged view of a separator plate made in plan view.
  • a manufacturing system 10 shown schematically in FIG. 1 serves to freeze separator plates, wherein a bipolar separator plate in the form of a bipolar plate 12 is shown in FIG. 2 in a plan view, which can be manufactured in the manufacturing system 10.
  • the bipolar plates 12 are provided for fuel cells of a fuel cell stack, such as can be used in a motor vehicle.
  • a carrier material is first provided in the form of a carrier film 14.
  • the carrier film 14 can be wound on a roll 16.
  • a heat-stabilized plastic film can be used as the carrier film 14.
  • the carrier film 14 is unwound from the roll 16 and subsequently fed to further processing stations of the production system 10.
  • a mixture 28 is applied to the carrier film 14, which comprises an electrically conductive material 20, wherein the mixture 28 can be cured.
  • the carrier film 14 can be supplied with the mixture 28 via a slot nozzle 22 or the like application device, which comprises a polymer resin, for example an epoxy resin and / or acrylic resin, at least one solvent, photoinitiators and electrically conductive fillers.
  • the mixture 28 can also have other fillers.
  • the conductive fillers are in the form of metallic, electrically conductive fillers. These can preferably have silver and are particularly preferably in the form of a powder or in the form of nanoparticles.
  • the nanoparticles can comprise nanoparticles, nanotubes, or in particular nanowires. It is particularly favorable if the metallic fillers are designed in the form of silver nanowires to achieve the electrical conductivity, which have diameters of the order of 30 to 50 nm and a length of 10 to 40 pm. On the one hand, these ensure good electrical conductivity and, on the other hand, can largely move freely in the mixture 28 if it is still liquid or relatively viscous.
  • Electromagnetic field 23 can be designed in the form of a single or also in the form of a plurality of electromagnetic fields arranged one behind the other or in the production direction 10 one behind the other.
  • two active elements 25 are shown purely by way of example, with field lines 27 formed between them, which act accordingly on the mixture with the metallic fillers on the carrier film 14.
  • regions can be insulated from one another or electrical conductivity can only be provided in regions which later face the adjacent cell of the fuel cell stack and therefore need this electrical conductivity, while those in A flow field facing away from the surface of the adjacent cell areas do not require electrical conductivity and can accordingly be formed without them.
  • the two opposite surfaces of the bipolar plate 12 can also be electrically insulated from one another or at least electrically separated from one another by a region of low electrical conductivity, which is a further advantage.
  • the solvent is vented from the mixture 28.
  • the consistency and viscosity of the mixture 28 change.
  • the mixture 28 is then predried, which is applied to the carrier film 14.
  • the application of heat to the mixture 28 on the heating device 26 in the present case leads to gelling or gelling of the mixture 28.
  • the mixture 28 can additionally be partially cured or pre-cured, with the orientation given via the electromagnetic field the metallic fillers is retained.
  • the mixture 28 can be exposed to light, in particular radiation, such as UV light, at the processing station 30.
  • Structures are then introduced into the fused or partially hardened mixture 28, for example in the form of channels 32 (see FIG. 2), which form a flow field 34 in the finished bipolar plate 12.
  • desired surface structures 20 can be formed in the pre-dried or gelled and / or partially cured by UV light at the processing station 30.
  • a, in particular two-part, embossing tool can be used as the tool 36, for example. Additionally or alternatively, this structuring can be carried out using a tool 36 suitable for roll forming or roll profiling.
  • the channels 32 or groove structures can be formed in the mixture 28 in this way.
  • the flow field 34 formed by means of the corresponding tool 36 enables a reactant to be applied to a membrane-electrode arrangement (not shown) of the fuel cell, for example with hydrogen as fuel or with oxygen or air as oxidizing agent.
  • Structural elements can also be provided on surface structures by means of the tool 36, which are provided in the bipolar plate 12 in a respective transition region 40 between the flow field 34 and corresponding inlets or outlets for the reactants involved in the fuel cell reaction (see FIG. 2).
  • the mixture 28 can be fully cured in a subsequent processing step.
  • a corresponding light source 38 in particular UV light source, is provided at a further processing station. After the material 20 has hardened, for example by means of the UV light emitted by the light source 38, the corresponding structures are permanently formed in the mixture 28.
  • a plurality of passages 44 can be formed, for example, by punching 42 (see FIG. 2).
  • Such passages 44 usually provide a fuel inlet and a fuel outlet, an oxidant inlet and an oxidant outlet, and a coolant inlet and a coolant outlet.
  • these passages 44 form corresponding channels for supplying and removing the reactants or the coolant.
  • the addition of metallic fillers increases the cooling capacity of the bipolar plate due to its higher thermal conductivity.
  • an outer contour 56 of the bipolar plate 12 can be made as desired in a subsequent processing step or at a subsequent processing station.
  • a laser or the like can be used in particular for the cutting 46.
  • 28 areas can be removed from the hardened mixture by means of a laser in order to form desired structures in the bipolar plate 12.
  • the hardened mixture 28 can moreover be connected to a further part formed from the mixture 28 as described above by a suitable joining method, in particular by gluing. Accordingly, a first partial plate of the bipolar plate 12 can be provided, which can be connected to a second partial plate of the bipolar plate 12 by joining 48. In this way, a flow field for a coolant can be provided in a cavity or intermediate space 50 between two such partial plates (see FIG. 2).
  • a thickness 52 of the hardened mixture 28 (compare FIG. 2) is preferably very small. In particular, the thickness 52 is preferably significantly less than a depth 54 of the grooves or channels 32, which are formed in the region of the flow field 34 for the reactants or in the region of the flow field for the coolant.
  • the hardened mixture 28 is tight against air or oxygen and against hydrogen. In addition, it has sufficient mechanical strength and structural integrity for the provision of the bipolar plates 12, which are to be used in the fuel cells of the fuel cell stack.
  • the carrier film 14 provided with the hardened mixture 28 can also initially be provided as an intermediate product or semi-finished product, before corresponding final processing steps such as stamping 42, cutting 46 or joining 48 give the bipolar plate 12 its final shape.
  • the intermediate product can in particular be wound up into a roll.
  • the bipolar plate 12 with the desired outer contour 56 can then be formed by cutting 46 and joining 48 after detaching the hardened mixture 28 from the carrier film 14.
  • the intermediate product can first be cut and, after the material 20 has been detached from the carrier film 14, the bipolar plate 12 can be formed by joining the partial plates thus obtained.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte (12) für eine Brennstoffzelle, wozu zumindest ein mit elektrisch leitenden Füllstoffen versehenes aushärtbares Material (28) verwendet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt vor dem Aushärten des Materials (28) die elektrisch leitenden Füllstoffe über ein elektrisches und/oder magnetisches Feld (23) ausgerichtet werden, und dann das Material (28) mit den elektrisch leitenden Füllstoffen in der ausgerichteten Orientierung ausgehärtet wird.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine nach dem erfindungsge mäßen Verfahren erhältliche Separatorplatte.
Separatorplatten, welche auch als Bipolarplatten ausgeführt werden, und welche bei der Herstel lung von Brennstoffzellen in diesen eingesetzt werden, sind soweit aus dem Stand der Technik be kannt. Sie müssen eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweisen, weshalb sie beispielsweise aus Graphit oder Metall hergestellt werden. Außerdem ist es prinzipiell bekannt, derartige Separator platten aus einem Kunststoff herzustellen, welcher über elektrisch leitfähige Partikel wie beispiels weise Ruß oder Graphit als Füllstoffe mit einer elektrischen Leitfähigkeit versehen wird. Ein Verfah ren zur Herstellung einer solchen Separatorplatte ist beispielsweise aus der DE 10 2016 015318 Al bekannt. Bei dem Verfahren wird eine Kunststoff matrix auf eine Folie aufgebracht und mit der ge wünschten Formgebung versehen. Das Material wird dann ausgehärtet. In dem Material sind elektrisch leitfähige Partikel aus Graphit oder Ruß vorhanden, so dass der Aufbau insgesamt mit ei ner weitgehend homogenen elektrischen Leitfähigkeit hergestellt wird.
In der Praxis hat sich nun gezeigt, dass eine höhere elektrische Leitfähigkeit durchaus wünschens wert wäre. Diese ließe sich beispielsweise durch einen höheren Anteil der elektrisch leitfähigen Füll stoffe erreichen, was jedoch die mechanischen Werkstoffeigenschaften bei gleichen Abmessungen nachteilig beeinflusst oder größere Abmessungen notwendig macht, was hinsichtlich der Leistungs dichte bzw. des Leistungsvolumens von Brennstoffzellen höchst unerwünscht ist.
In diesem Zusammenhang kann ferner auf die EP 1 331 685 Bl hingewiesen werden. Auch hier wird eine Polymermatrix genutzt, welche mit elektrisch leitenden Füllstoffen versehen ist. Um die elekt rische Leitfähigkeit der Separatorplatte bei verhältnismäßig geringem Füllgrad signifikant zu erhö hen, wird in dem EP-Patent vorgeschlagen, dass Teile der Polymermatrix durch Pyrolyse zerstört werden, um eine direkte Verbindung der elektrisch leitfähigen Partikel zu erzielen. Die Pyrolyse kann dabei insbesondere durch die Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Mik rowellenstrahlung, erreicht werden. Der Nachteil ist hier das relativ aufwändige Verfahren, bei dem die bereits fertige Separatorplatte über die elektromagnetische Strahlung und die Pyrolyse nachbe arbeitet werden muss. Außerdem ist es relativ aufwändig, die Pyrolyse auf die gewünschten Berei che zu beschränken, und so eine gezielte Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zu erreichen. Fer- ner ist es so, dass durch die Pyrolyse Matrixmaterial verlorengeht, so dass, ähnlich wie bei der Erhö hung des Füllgrades, bei der Fertigung bereits zusätzliches Matrixmaterial vorgesehen werden muss, um die mechanischen Werkstoffeigenschaften zu garantieren. Dies geht typischerweise mit einer Vergrößerung des Volumens der Separatorplatte einher. Hinsichtlich des Leistungsvolumens einer mit solchen Separatorplatten aufgebauten Brennstoffzelle stellt dies einen Nachteil dar.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte sowie eine nach den Verfahren erhältliche Separatorplatte anzugeben, welche eine höhere elektrische Leitfähigkeit bei unverminderten mechanischen Werkstoffeigenschaften und un verminderter Baugröße ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine entspre chende Separatorplatte ist im Anspruch 8 angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte für eine Brennstoffzelle nutzt, beispielsweise wie der eingangs genannte Stand der Technik in Form der DE 10 2016 015318 Al, ein aushärtbares Material, welches mit elektrisch leitenden Füllstoffen versehen wird. Dieses Ge misch kann entsprechend bearbeitet werden, beispielsweise indem es wie in der genannten DE- Schrift auf eine Trägerfolie aufgetragen wird, und indem ein Strömungsfeld mit erhöhten und abge senkten Bereichen ausgebildet wird oder dergleichen. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen und für das erfindungsgemäße Verfahren nicht zwingend.
Erfindungsgemäß ist es nun so, dass in einem Verfahrensschritt vordem Aushärten des Materials die elektrisch leitfähigen Füllstoffe über ein elektrisches und/oder magnetisches Feld ausgerichtet wer den, und dass dann das Material mit den elektrisch leitenden Füllstoffen in der ausgerichteten Ori entierung ausgehärtet wird. Das gesamte Materialgemisch bleibt somit zerstörungsfrei und in der gewünschten Art erhalten, so dass die gewünschten mechanischen Werkstückeigenschaften ohne zusätzliches Material und/oderVolumen erzielt werden können. Über ein elektromagnetisches Feld bzw. ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld werden nun zumindest einige der elektrisch leitenden Füllstoffe in dem Material, solange dieses noch flüssig oder viskos ist, ausgerichtet. Durch diese Ausrichtung der elektrisch leitenden Füllstoffe in dem Material entsteht eine höhere elektri sche Leitfähigkeit, da diese sich beispielsweise entlang der Feldlinien orientieren und sich dort kon- zentrieren. In diesem Zustand der Orientierung der Füllstoffe erfolgt dann die Aushärtung, beispiels weise indem das Material durch ein Vorheizen hochviskos wird, so dass eine Re-Orientierung der elektrisch leitfähigen Füllstoffe verhindert wird, bevor diese, ohne weiterhin in dem elektromagne tischen Feld zu sein, in der gewünschten Orientierung bleibend mit dem Material ausgehärtet wer den, beispielsweise durch Wärmeeinwirkung, durch UV-Licht oder dergleichen, wie es insbesondere aus der eingangs genannten DE 10 2016 015318 Al bereits bekannt ist.
Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei vor, dass die elektrisch leitenden Füllstoffe in Form von metallischen Füllstoffen ausgebildet sind. Die metalli schen Füllstoffe können dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee insbesondere Sil ber ausweisen, welches eine hohe elektrischeLeitfä higkeit bei ausreichender Werkstoffstabilität ge währleistet.
Eine besonders günstige Ausgestaltung der Idee sieht es dabei ferner vor, dass die elektrisch leiten den Füllstoffe in Pulverform oder in Form von Nanopartikeln, Nanotubes oder Nanodrähten ausge bildet sind. Durch den Verzicht auf faserförmige Füllstoffe bzw. den Einsatz von Nanopartikeln, Na notubes oder Nanodrähten als Füllstoffe wird eine hohe Beweglichkeit der Füllstoffe in dem noch flüssigen oder viskosen Material der späteren Kunststoff matrix erzielt, so dass eine besonders ein fache Ausrichtungderelektrisch leitenden Füllstoffe in dem elektromagnetischen Feld möglich wird, was ein entscheidender Vorteil hinsichtlich der zu erzielenden hohen Leitfähigkeit der nach dem er findungsgemäßen Verfahren hergestellten Separatorplatte ist.
Eine außerordentlich günstige Weiterbildung dieser Idee sieht es dabei vor, dass die Füllstoffe in Form von Silber-Nanodrähten ausgebildet sind oder zumindest solche aufweisen. Solche Silber-Na- nodrähte haben dabei einen Durchmesser von 30 bis 50 nm und eine Länge von 10 bis 40 pm. Typi scherweise werden sie in stabilisierten Dispersionen bereitgestellt, welche sich mit dem noch flüssi gen Matrixmaterial ideal mischen lassen, beispielsweise bevor dieses auf eine Trägerfolie aufgetra gen wird, um bei dem bevorzugten aber nicht zwingend notwendigen oben bereits mehrfach ge nannten Verfahren der DE 10 2016 015381 Al zu bleiben. Diese Silber-Nanodrähte haben dabei eine ausreichende Beweglichkeit in dem noch flüssigen Material und stellen eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit nach dem Ausrichten sicher, ohne in den Bereichen, in denen sie entsprechend kon zentriert und ausgerichtet sind, die mechanischen Werkstoffeigenschaften der Separatorplatte nachteilig zu beeinflussen. Eine außerordentlich günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es ferner vor, dass das elektrische und/oder magnetische Feld so ausgebildet ist, dass Bereiche mit elektrischer Leitfähigkeit und Bereiche mit elektrischer Isolierung ausgebildet werden. Durch ein entsprechen des Feld lässt sich so also erreichen, dass gezielt einzelne Bereiche der Separatorplatte eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, weil sich die elektrisch leitenden Füllstoffe, insbesondere die Nanodrähte aus Silber, dort konzentrieren und ausrichten. Dies kann insbesondere entlang der Feld linien des Feldes der Fall sein. Dazwischen ergeben sich Bereiche mit geringer Ausrichtung und ge ringer Konzentration an elektrisch leitenden Füllstoffen, so dass in diesen Bereichen eine elektrische Isolierung möglich ist, oder zumindest eine im Vergleich zu den Nachbarbereichen sehr stark verrin- gerte elektrische Leitfähigkeit. Dies kann für das Design einer entsprechenden Separatorplatte ein entscheidender Vorteil sein, da so individuell an die jeweiligen Anforderungen und an das jeweilige Strömungsfeld passende elektrische Leitfähigkeiten bereitgestellt werden können. Bei der Verwen dung als Bipolarplatte lassen sich beispielsweise die beiden den jeweiligen Zellen der Brennstoff zelle zugewandten Oberflächen ohne zusätzlichen Mehraufwand und ohne zusätzliche Bauteile und Bauraum elektrisch gegeneinander abgrenzen, insbesondere isolieren.
Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen er hältliche Separatorplatte kann nun als Separatorplatte oder Bipolarplatte in einem Brennstoffzel lenstapel entsprechend eingesetzt werden, beispielsweise um einen leichten, kompakten und kos tengünstig herzustellenden PEM-Brennstoffzellenstapel auszubilden, welcher zur Bereitstellung von elektrischer Leistung beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, wel ches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fertigungsanlage zum Herstellen von Separatorplatten für Brennstoffzellen; und
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung auf eine hergestellte Separatorplatte in der Draufsicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand des aus der DE 10 2016 015 318 Al be kannten Verfahrens erläutert. Es muss nicht zwingend mit allen Schritten gemäß diesem Verfahren durchgeführt werden, da lediglich der Schritt einer elektromagnetischen Ausrichtung der elektrisch leitfähigen Füllstoffe die Erfindung darstellt. Es kann jedoch in einem derartigen Verfahren einge setzt werden und ist anhand eines derartigen Verfahrens nachfolgend rein beispielhaft beschrieben.
Eine in Figur 1 schematisch gezeigte Fertigungsanlage 10 dient der Fierstellung von Separatorplat ten, wobei eine bipolare Separatorplatte in Form einer Bipolarplatte 12 in Figur 2 in einer Draufsicht gezeigt ist, welche in der Fertigungsanlage 10 hergestellt werden kann. Die Bipolarplatten 12 sind für Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels vorgesehen, wie er etwa in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann.
Bei der Fertigung der Bipolarplatten 12 wird zunächst ein Trägermaterial vorliegend in Form einer T rägerfolie 14 bereitgestellt. Hierbei kann die T rägerfolie 14 auf einer Rolle 16 aufgewickelt vorlie gen. Als Trägerfolie 14 kann insbesondere eine wärmestabilisierte Kunststofffolie zum Einsatz kom men.
Von der Rolle 16 wird die Trägerfolie 14 abgewickelt und nachfolgend weiteren Bearbeitungsstatio nen der Fertigungsanlage 10 zugeführt. An einer ersten Bearbeitungsstation 18 wird auf die Träger folie 14 ein Gemisch 28 aufgebracht, welches ein elektrisch leitfähiges Material 20 umfasst, wobei das Gemisch 28 ausgehärtet werden kann. Beispielsweise kann die Trägerfolie 14 über eine Schlitz düse 22 oder dergleichen Aufbringungsvorrichtung mit dem Gemisch 28 beaufschlagt werden, wel ches ein Polymerharz, beispielsweise ein Epoxidharz und/oder Acrylharz, wenigstens ein Lösemittel, Photoinitiatoren und elektrisch leitfähige Füllstoffe umfasst. Darüber hinaus kann das Gemisch 28 auch weitere Füllstoffe aufweisen. Die leitfähigen Füllstoffe sind in Form von metallischen elektrisch leitenden Füllstoffen ausgebildet. Diese können vorzugsweise Silber aufweisen und sind besonders bevorzugt in Form eines Pulvers oder in Form von Nanoteilchen ausgebildet. Die Nanoteilchen kön nen dabei Nanopartikel, Nanotubes, oder insbesondere Nanodrähte umfassen. Besonders günstig ist es, wenn die metallischen Füllstoffe zum Erreichen der elektrischen Leitfähigkeit in Form von Sil- ber-Nanodrähten ausgebildet sind, welche Durchmesser in der Größenordnung von 30 bis 50 nm und eine Länge vom 10 bis 40 pm aufweisen. Diese stellen einerseits eine gute elektrische Leitfähig keit sicher und lassen sich andererseits in dem Gemisch 28, sofern dieses noch flüssig oder relativ stark viskos ist, weitgehend frei bewegen.
Dazu erfolgt nach dem Aufträgen des noch flüssigen oder relativ stark viskosen Gemischs 28 auf die Trägerfolie 14 nun in einer ersten Bearbeitungsstation 21 die Einwirkung eines elektromagnetischen Feldes 23 auf das Gemisch 28 mit den darin noch frei beweglichen metallischen Füllstoffen. Das elektromagnetische Feld 23 kann in Form eines einzigen oder auch in Form von mehreren miteinan der überlagerten elektromagnetischen Feldern oder auch in Fertigungsrichtung 10 hintereinander angeordneten elektromagnetischen Feldern ausgebildet sein. In der Darstellung der Figur 1 sind rein beispielhaft zwei Aktivelemente 25 mit dazwischen ausgebildeten Feldlinien 27 dargestellt, welche auf das auf der Trägerfolie 14 befindliche Gemisch mit den metallischen Füllstoffen entsprechend einwirken.
Durch die entsprechende Ausgestaltung des elektromagnetischen Feldes 23 bzw. der überlagerten oder nacheinander wirkenden elektromagnetischen Felder 23 in der Bearbeitungsstation 21 kommt es nun zu einem gezielten Ausrichten der metallischen Füllstoffe entlang der Feldlinien 27 der elekt romagnetischen Felder23. Flierdurch lässtsich die elektrische Leitfähigkeit des Aufbaus weitgehend frei designen, so dass Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit entstehen, in denen sich die me tallischen Füllstoffe konzentrieren und entsprechend ausrichten. Gleichzeitig lassen sich Bereiche mit einer niedrigen Konzentration und einer weitgehend homogenen Verteilung der restlichen me tallischen Füllstoffe erreichen, so dass hier eine niedrige elektrische Leitfähigkeit oder im Idealfall sogar eine elektrisch isolierende Eigenschaft vorliegt. Dies eröffnet völlig neue Wege beim Design von Separatorplatten, insbesondere Bipolarplatten 12. Beispielsweise können Bereiche gegenei nander isoliert oder elektrische Leitfähigkeit nur in Bereichen bereitgestellt werden, welche später der jeweils benachbarten Zelle des Brennstoffzellenstapels zugewandt sind und daher diese elektri sche Leitfähigkeit benötigen, während die in einem Strömungsfeld von der Oberfläche der benach barten Zelle abgewandten Bereiche die elektrische Leitfähigkeit nicht benötigen und dementspre chend ohne diese ausgebildet werden können. Insbesondere lassen sich auch die beiden gegen überliegenden Oberflächen der Bipolarplatte 12 elektrisch gegeneinander isolieren oder zumindest durch einen Bereich geringer elektrischer Leitfähigkeit elektrisch voneinander trennen, was ein wei terer Vorteil ist.
An einer nachfolgenden Bearbeitungsstation 24 erfolgt ein Ablüften des Lösungsmittels aus dem Ge misch 28. Dadurch verändert sich die Konsistenz und Viskosität des Gemisches 28. Beispielsweise mittels einer Heizeinrichtung 26 wird anschließend das Gemisch 28 vorgetrocknet, welches auf die T rägerfolie 14 aufgebracht ist. Das Beaufschlagen des Gemisches 28 mit Wärme an der Heizeinrich tung 26 führt vorliegend zu einem Gelieren oder Angelieren des Gemisches 28. An einer nachfolgen den, optionalen Bearbeitungsstation 30 kann zusätzlich das Gemisch 28 teilausgehärtet beziehungs weise vorgehärtet werden, wobei die über das elektromagnetische Feld vorgegebenen Orientierung der metallischen Füllstoffe erhalten bleibt. Hierfür kann an der Bearbeitungsstation 30 das Gemisch 28 mit Licht, insbesondere mit Strahlung, wie z.B. UV-Licht, beaufschlagt werden.
Anschließend werden in das angelierte beziehungsweise tei lausgehärtete Gemisch 28 Strukturen eingebracht, etwa in Form von Kanälen 32 (vergleiche Figur 2), welche in der fertigen Bipolarplatte 12 ein Strömungsfeld 34 bilden. Durch eine entsprechende Einstellung des Anteils des Lösemittels und der Festkörper an dem Gemisch 28 kann erreicht werden, dass sich in dem vorgetrockneten beziehungsweise angelierten und/oder durch UV-Licht an der Bearbeitungsstation 30 teilausgehär- teten Material 20 gewünschte Oberflächenstrukturen ausbilden lassen.
Zum Ausbilden der das Strömungsfeld 34 umfassenden Oberflächenstrukturen der Bipolarplatte 12 kann als Werkzeug 36 beispielsweise ein, insbesondere zweiteiliges, Prägewerkzeug zum Einsatz kommen. Zusätzlich oder alternativ kann dieses Strukturieren durch ein zum Rollformen oder Roll profilieren geeignetes Werkzeug 36 vorgenommen werden. Insbesondere können auf diese Weise die Kanäle 32 beziehungsweise Nutstrukturen in dem Gemisch 28 ausgebildet werden.
Das mittels des entsprechenden Werkzeugs 36 ausgebildete Strömungsfeld 34 (vergleiche Figur 2) ermöglicht das Beaufschlagen einer (nicht gezeigten) Membran-Elektroden-Anordnung der Brenn stoffzelle mit einem Reaktanden, beispielsweise mit Wasserstoff als Brennstoff beziehungsweise mit Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel.
An Oberflächenstrukturen lassen sich mittels des Werkzeugs 36 des Weiteren Strukturelemente be reitstellen, welche in der Bipolarplatte 12 in einem jeweiligen Übergangsbereich 40 zwischen dem Strömungsfeld 34 und entsprechenden Einlässen beziehungsweise Auslässen für die an der Brenn stoffzellenreaktion beteiligten Reaktanden vorgesehen sind (vergleiche Figur 2).
Aufgrund des Vorsehens der Photoinitiatoren in dem Gemisch 28 kann in einem nachfolgenden Be arbeitungsschritt das Gemisch 28 vollständig ausgehärtet werden. Hierfür ist an einer weiteren Be arbeitungsstation eine entsprechende Lichtquelle 38, insbesondere UV-Lichtquelle, vorgesehen. Nach dem Aushärten des Materials 20 etwa mittels des von der Lichtquelle 38 abgegebenen UV- Lichts sind die entsprechenden Strukturen dauerhaft in dem Gemisch 28 ausgebildet.
In einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt kann beispielsweise durch Stanzen 42 eine Mehrzahl von Durchlässen 44 ausgebildet werden (vergleiche Figur 2). Durch derartige Durchlässe 44 sind üb licherweise ein Brennstoffeinlass und ein Brennstoffauslass, ein Oxidationsmitteleinlass und ein Oxidationsmittelauslass sowie ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass bereitgestellt. In den aufeinander gestapelten Brennstoffzellen bilden diese Durchlässe 44 entsprechende Kanäle zum Zuführen und Abführen der Reaktanden beziehungsweise des Kühlmittels. Durch das Zugeben von metallischen Füllstoffen erhöht sich, aufgrund ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit, die Kühlleistung der Bipolarplatte.
Durch Zuschneiden 46 kann in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt beziehungsweise an einer nachfolgenden Bearbeitungsstation eine Außen kontur 56 der Bipolarplatte 12 wie gewünscht her gestellt werden. Für das Zuschneiden 46 kann insbesondere ein Laser oder dergleichen zum Einsatz kommen. Des Weiteren können mittels eines Lasers aus dem ausgehärteten Gemisch 28 Bereiche abgetragen werden, um gewünschte Strukturen in der Bipolarplatte 12 auszubilden.
Das ausgehärtete Gemisch 28 ist im Übrigen durch ein geeignetes Fügeverfahren, insbesondere durch Kleben, mit einem weiteren wie vorstehend beschrieben aus dem Gemisch 28 gebildeten Teil verbindbar. Dementsprechend kann eine erste Teilplatte der Bipolarplatte 12 bereitgestellt werden, welche durch Fügen 48 mit einer zweiten Teilplatte der Bipolarplatte 12 verbunden werden kann. Auf diese Weise lässt sich in einem Hohlraum oder Zwischenraum 50 zwischen zwei solchen Teilplat ten (vergleiche Figur 2) ein Strömungsfeld für ein Kühlmittel bereitstellen. Vorzugsweise ist eine Di cke 52 des ausgehärteten Gemischs 28 (vergleiche Figur 2) sehr gering. Insbesondere ist die Dicke 52 bevorzugt deutlich geringer als eine Tiefe 54 der Nuten beziehungsweise Kanäle 32, welche in dem Bereich des Strömungsfelds 34 für den Reaktanden beziehungsweise indem Bereich des Strömungs felds für das Kühlmittel ausgebildet sind.
Des Weiteren ist das ausgehärtete Gemisch 28 dicht gegenüber Luft beziehungsweise Sauerstoff und gegenüber Wasserstoff. Darüber hinaus weist es eine ausreichende mechanische Festigkeit und Strukturintegrität für die Bereitstellung der Bipolarplatten 12 auf, welche in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels zum Einsatz kommen sollen.
Die mit dem ausgehärteten Gemisch 28 versehene Trägerfolie 14 kann auch zunächst als Zwischen produkt beziehungsweise Halbzeug bereitgestellt werden, bevor durch entsprechende weitere Be arbeitungsschritte wie etwa das Stanzen 42, das Zuschneiden 46 beziehungsweise das Fügen 48 der Bipolarplatte 12 ihre endgültige Gestalt verliehen wird. Das Zwischenprodukt kann insbesondere zu einer Rolle aufgewickelt werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass aus der mit dem ausgehärteten Gemisch 28 versehenen T rägerfolie 14 Bereiche wie etwa die Durchlässe 44 herausgetrennt werden, und so ein die T rägerfo- lie 14 mit dem ausgehärteten Gemisch 28 umfassendes Zwischenprodukt beziehungsweise Halb zeug bereitgestellt und insbesondere zu einer Rolle aufgewickelt wird. Aus einem solchen Zwischen produkt kann dann durch das Zuschneiden 46 und das Fügen 48 nach einem Ablösen des ausgehär teten Gemischs 28 von der Trägerfolie 14 die Bipolarplatte 12 mit der gewünschten Außenkontur 56 gebildet werden. Insbesondere kann zunächst das Zwischenprodukt zugeschnitten und nach dem Ablösen des Materials 20 von der Trägerfolie 14 durch Fügen der so erhaltenen Teilplatten die Bipo larplatte 12 ausgebildet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte (12) für eine Brennstoffzelle, wozu zumin dest ein mit elektrisch leitenden Füllstoffen versehenes aushärtbares Material (28) verwen det wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt vor dem Aushärten des Materials (28) die elektrisch leitenden Füllstoffe über ein elektrisches und/oder magneti sches Feld (23) ausgerichtet werden, und dann das Material (28) mit den elektrisch leitenden Füllstoffen in der ausgerichteten Orientierung ausgehärtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitende Füllstoffe metallische Füllstoffe verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Füllstoffe Silber aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Füllstoffe in Pulverform verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Füllstoffe in Form von Nanopartikeln, Nanotubes oder Nanodrähten verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Füllstoffe in Form von Silber-Nanodrähten verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische und/oder magnetische Feld (23) so ausgebildet ist, dass in dem noch flüssigen Gemisch (28) Bereiche mit elektrischer Leitfähigkeit und Bereiche ohne elektrische Leitfähigkeit ausgebil det werden.
8. Separatorplatte (12) erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
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