DE102019209776A1 - Bipolar plate for a fuel cell, method for manufacturing a bipolar plate for a fuel cell and fuel cell - Google Patents

Bipolar plate for a fuel cell, method for manufacturing a bipolar plate for a fuel cell and fuel cell Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (150) für eine Brennstoffzelle (200), wobei die Bipolarplatte (150) ein Komposit (100) umfasst. Das Komposit (100) weist ein polymeres Grundmaterial (102) und ein graphit-basiertes, elektrisch und thermisch leitfähiges Füllmaterial (110) auf, wobei das graphit-basierte Füllmaterial (110) zumindest bereichsweise hochgefüllt ausgestaltet ist und das graphit-basierte Füllmaterial (110) zumindest einen graphit-basierten thermoplastisches Materialbereich (112) und/oder einen graphit-basierten härtbaren Materialbereich (114) aufweist, wobei das Komposit (100) wenigstens bereichsweise Peroxide umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte (150) sowie eine Brennstoffzelle (200).The invention relates to a bipolar plate (150) for a fuel cell (200), the bipolar plate (150) comprising a composite (100). The composite (100) has a polymeric base material (102) and a graphite-based, electrically and thermally conductive filler material (110), the graphite-based filler material (110) being at least partially highly filled and the graphite-based filler material (110) ) has at least one graphite-based thermoplastic material area (112) and / or a graphite-based hardenable material area (114), the composite (100) comprising peroxides at least in some areas. The invention also relates to a method for producing the bipolar plate (150) and a fuel cell (200).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle nach dem unabhängigen Anspruch 7 sowie eine Brennstoffzelle nach dem unabhängigen Anspruch 10.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell according to the preamble of independent claim 1, a method for producing a bipolar plate for a fuel cell according to independent claim 7 and a fuel cell according to independent claim 10.

Stand der TechnikState of the art

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche chemische Energie eines Brennstoffes durch eine elektrochemische Reaktion in Elektrizität wandelt. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen. Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton-Exchange-Membran, PEM-Brennstoffzelle). In diesen Brennstoffzellentypen sind neben Membranen, Elektroden und einem Katalyt auch sogenannte Bipolarplatten vorgesehen. Diese elektrisch leitenden Platten dienen dazu, den elektrischen Strom als Elektroden zu leiten und außerdem ein Fluid durch entsprechend angeordnete Strömungskanäle zu führen. Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel sind aus abwechselnd übereinander angeordneten Membranelektrodeneinheiten und Bipolarplatten aufgebaut. Hierbei dienen die Bipolarplatten zur Versorgung der Elektroden mit Edukten und zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Bipolarplatten bringen zur Aufrechterhaltung der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel die anodenseitig gebildeten Elektroden vorteilhaft unter möglichst geringem elektrischen Widerstand auf die Kathodenseite der benachbarten Zelle. Das bedeutet, dass neben einer guten Bulkleitfähigkeit insbesondere auch die Kontaktübergangswiderstände so gering wie möglich sein sollten. Letztere sind abhängig von der Oberflächenqualität der Platten, dem angrenzenden Kontaktmedium und der applizierten Anpresskraft. Darüber hinaus muss eine hohe Medien-Dichtigkeit, Korrosionsbeständigkeit, sowie eine gute Wärmeableitung und ausreichende mechanische Stabilität sichergestellt werden. Insbesondere für die mechanische Festigkeit der Bipolarplatten ist eine vorteilhafte Materialwahl ausschlaggebend, da die Bipolarplatten als äußere Bauteile einer Brennstoffzelle für gewöhnlich den Anpressdruck in den Zellstapel überleiten.A fuel cell is an electrochemical cell that converts the chemical energy of a fuel into electricity through an electrochemical reaction. There are different types of fuel cells. A special type of fuel cell is the proton exchange membrane fuel cell (proton exchange membrane, PEM fuel cell). In addition to membranes, electrodes and a catalytic converter, so-called bipolar plates are also provided in these fuel cell types. These electrically conductive plates serve to conduct the electrical current as electrodes and also to guide a fluid through appropriately arranged flow channels. Fuel cells or fuel cell stacks are constructed from membrane electrode units and bipolar plates arranged alternately one above the other. The bipolar plates serve to supply the electrodes with educts and to cool the fuel cell stack. To maintain the electrochemical reaction in the fuel cell stack, bipolar plates bring the electrodes formed on the anode side, advantageously with the lowest possible electrical resistance, onto the cathode side of the adjacent cell. This means that in addition to good bulk conductivity, the contact resistance should also be as low as possible. The latter depend on the surface quality of the plates, the adjacent contact medium and the applied pressure. In addition, a high level of media tightness, corrosion resistance, as well as good heat dissipation and sufficient mechanical stability must be ensured. For the mechanical strength of the bipolar plates in particular, an advantageous choice of material is crucial, since the bipolar plates, as external components of a fuel cell, usually transfer the contact pressure into the cell stack.

Für die Materialwahl und Ausgestaltung der Bipolarplatten können neben dünnen, strukturgeprägten Metallfolien, die in der Regel einen Korrosionsschutz benötigen und reinen Graphitplatten, die zwar eine hohe chemische Resistenz und gute Kontaktübergangswiderstände zeigen, dafür aber aufwändig zu bearbeiten sind, auch Platten aus hochgefüllten Graphit-basierten thermoplastischen oder härtbaren Kompositen zum Einsatz kommen, welche die guten Funktionseigenschaften von Graphit mit einer einfacheren und kostengünstigeren Formgebung kombinieren.For the choice of material and design of the bipolar plates, in addition to thin, structured metal foils, which usually require corrosion protection, and pure graphite plates, which show high chemical resistance and good contact resistance, but are complex to process, plates made of highly filled graphite-based plates can also be used Thermoplastic or curable composites are used, which combine the good functional properties of graphite with a simpler and more cost-effective shape.

Aus den Druckschriften DE 10 2017 201 703 A1 und WO 2008/049099 A1 gehen Materialvorschläge sowie Ausgestaltungsmöglichkeiten für Bipolarplatten hervor, wobei die in der WO 2008/049099 A1 vorgeschlagenen Polyhydroxyalkanoate sich in deionisiertem Wasser zersetzen können, insbesondere unter Wärmeeinfluss.From the pamphlets DE 10 2017 201 703 A1 and WO 2008/049099 A1 material proposals and design options for bipolar plates emerge, with the in WO 2008/049099 A1 proposed polyhydroxyalkanoates can decompose in deionized water, especially under the influence of heat.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung zeigt eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie eine Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10.The present invention shows a bipolar plate for a fuel cell according to the features of claim 1, a method for producing a bipolar plate according to the features of claim 7 and a fuel cell according to the features of claim 10.

Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the bipolar plate according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell according to the invention and the method according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is or can always be made to each other.

Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die Bipolarplatte umfassend ein Komposit, das Komposit aufweisend ein polymeres Grundmaterial und ein graphit-basiertes, elektrisch und thermisch leitfähiges Füllmaterial, wobei das graphit-basierte Füllmaterial zumindest bereichsweise hochgefüllt ausgestaltet ist und das graphit-basierte Füllmaterial zumindest einen graphit-basierten thermoplastisches Materialbereich und/oder einen graphit-basierten härtbaren Materialbereich aufweist. Ferner umfasst das Komposit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte wenigstens bereichsweise Peroxide.According to a first aspect, the present invention shows a bipolar plate for a fuel cell, the bipolar plate comprising a composite, the composite comprising a polymeric base material and a graphite-based, electrically and thermally conductive filler material, the graphite-based filler material being at least partially highly filled and the graphite-based filler material has at least one graphite-based thermoplastic material area and / or a graphite-based hardenable material area. Furthermore, the composite of the bipolar plate according to the invention comprises peroxides at least in some areas.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle wird aus einem erfindungsgemäßen Komposit hergestellt. Das Komposit weist ein polymeres Grundmaterial, insbesondere in Form einer polymeren Matrix, auf. Innerhalb und um das Grundmaterial weist das Komposit Füllmaterial auf. Als Füllmaterial werden graphit-basierte Füllmaterialien verwendet, wobei die Füllmaterialien innerhalb und um das polymere Grundmaterial zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, hochgefüllt ausgestaltet sind. Die hochgefüllte Ausgestaltung bedeutet, dass die Füllmaterialien, insbesondere das graphit-basierte Füllmaterial, mit einer hohen Dichte innerhalb und/oder um das polymere Grundmaterial verdichtet angeordnet sind. Detailliertere Betrachtungen zu den Gewichts- und Volumenverteilungen des Komposits werden in einem späteren Abschnitt der Beschreibung dieser Erfindung beschrieben. Das graphit-basierte Füllmaterial kann thermoplastisch und/oder härtbar, insbesondere duroplastisch, ausgestaltet sein. Besonders vorteilhaft sind die elektrisch und thermisch leitfähigen Eigenschaften einer derart ausgestalteten Bipolarplatte, maßgeblich, insbesondere ausschließlich, aufgrund der graphit-basierten Füllmaterialien. Eine Bearbeitung des erfindungsgemäßen Komposits zu einer Bipolarplatte und weiterführend zu einer Brennstoffzelle wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren detailliert beschrieben. Aufgrund der hochgefüllten Füllmaterialien kann ein Komposit zur Sprödigkeit neigen. Dies bedeutet, dass aufgrund der dichten Füllung des Füllmaterials eine mögliche Verformung des Komposits, beispielsweise für die weitere Bearbeitung, verringert und/oder eingeschränkt ist. Durch die wenigstens bereichsweise angeordneten Peroxide des Komposits wird eine verbesserte Fließfähigkeit und/oder eine Haftung des Komposits mit einfachen und kostengünstigen Mitteln ermöglicht. Somit wird eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit verringerter Dicke und/oder Produktionskosten ermöglicht.The bipolar plate according to the invention for a fuel cell is produced from a composite according to the invention. The composite has a polymeric base material, in particular in the form of a polymeric matrix. The composite has filler material inside and around the base material. Graphite-based filler materials are used as filler material, the filler materials within and around the polymeric base material being at least partially, preferably completely, highly filled. The highly filled configuration means that the filling materials, in particular the graphite-based filling material, have a high density within and / or around the polymer Base material are arranged compacted. More detailed considerations on the weight and volume distributions of the composite are described in a later section of the description of this invention. The graphite-based filler material can be thermoplastic and / or hardenable, in particular thermoset. The electrically and thermally conductive properties of a bipolar plate configured in this way are particularly advantageous, decisive, in particular exclusively, due to the graphite-based filling materials. A processing of the composite according to the invention into a bipolar plate and further into a fuel cell is described in detail in the method according to the invention. Due to the highly filled filling materials, a composite can tend to be brittle. This means that due to the dense filling of the filling material, possible deformation of the composite, for example for further processing, is reduced and / or restricted. The at least regionally arranged peroxides of the composite enable improved flowability and / or adhesion of the composite with simple and inexpensive means. This enables a bipolar plate according to the invention with reduced thickness and / or production costs.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist vorgesehen, dass das Komposit wenigstens eines der folgenden Zusatzmaterialien umfasst:

  • - Titanate,
  • - Zirkonate,
  • - Polymerweichmacher, insbesondere PP-Wachse.
According to a preferred embodiment of the bipolar plate according to the invention it is provided that the composite comprises at least one of the following additional materials:
  • - titanates,
  • - zirconates,
  • - Polymer plasticizers, especially PP waxes.

Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Komposit um wenigstens eines der Zusatzmaterialien ergänzt werden, um eine Fließfähigkeit und/oder eine Haftung des Komposits zusätzlich zu verbessern. Durch die Ergänzung von wenigstens einem der genannten Zusatzmaterialien kann die Fließfähigkeit, sprich die mögliche Verformung, des Komposits weiter vergrößert und/oder vereinfacht und damit verbessert werden. Ergänzend zu einer besseren Umformbarkeit ermöglicht die Ergänzung des erfindungsgemäßen Komposits um wenigstens eines der genannten Zusatzmaterialien eine verbesserte Haftung des Komposits an einer später noch detailliert beschriebenen metallischen Folie und/oder weiteren konstruktiven Bestandteilen der Bipolarplatte und/oder der Brennstoffzelle. Insbesondere die Titanate und die Zirkonate können eine Haftkleberfunktion in dem Komposit zu weiteren Elementen der Bipolarplatte und/oder der Brennstoffzelle ermöglichen. Für die später detailliert beschriebenen Umformungsschritte des Komposits zu einer Bipolarplatte ist eine erhöhte Fließfähigkeit des Komposits besonders vorteilhaft. Eine Ergänzung des Komposits um wenigstens eines der genannten Zusatzmaterialien ermöglicht eine dünnere Folienherstellung sowie eine verbesserte Verstreckmöglichkeit aufgrund der verbesserten Schmelze-Fließfähigkeit des Komposits für die Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle. Ein erfindungsgemäßes Komposit mit wenigstens einem Zusatzmaterial kann beispielsweise auf der folgenden chemischen Struktur basieren: (RO-)-nTi-(-O X R' Y)4-n The composite according to the invention can advantageously be supplemented by at least one of the additional materials in order to additionally improve flowability and / or adhesion of the composite. By adding at least one of the additional materials mentioned, the flowability, that is to say the possible deformation, of the composite can be further increased and / or simplified and thus improved. In addition to better formability, the addition of at least one of the additional materials mentioned to the composite according to the invention enables improved adhesion of the composite to a metallic foil and / or other structural components of the bipolar plate and / or the fuel cell, which will be described in detail later. In particular, the titanates and the zirconates can enable a pressure-sensitive adhesive function in the composite for other elements of the bipolar plate and / or the fuel cell. For the reshaping steps of the composite to a bipolar plate, which will be described in detail later, an increased flowability of the composite is particularly advantageous. Supplementing the composite with at least one of the mentioned additional materials enables thinner film production and an improved possibility of stretching due to the improved melt flowability of the composite for the production of a bipolar plate of a fuel cell. A composite according to the invention with at least one additional material can be based, for example, on the following chemical structure: (RO -) - nTi - (- OXR 'Y) 4-n

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist vorgesehen, dass das polymere Grundmaterial polymere Ketten aufweist, wobei die polymeren Ketten, insbesondere durch Kettenaufbaureaktionen, Verzweigungen mit den Peroxiden und/oder mit wenigstens einem der Zusatzmaterialien aufweisen. Mittels Verzweigungen der polymeren Ketten des polymeren Grundmaterials mit wenigstens einem der zuvor beschriebenen Zusatzmaterialien und/oder den Peroxiden wird vorteilhaft eine höhere Stabilität innerhalb des Komposits selbst und/oder eine verbesserte Stabilität von dem Komposit zu weiteren Bauteilen der Bipolarplatte und/oder der Brennstoffzelle ermöglicht.According to an advantageous embodiment of the bipolar plate according to the invention it is provided that the polymeric base material has polymeric chains, the polymeric chains having branches with the peroxides and / or with at least one of the additional materials, in particular through chain building reactions. By branching the polymeric chains of the polymeric base material with at least one of the previously described additional materials and / or the peroxides, higher stability within the composite itself and / or improved stability from the composite to other components of the bipolar plate and / or the fuel cell is advantageously made possible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist vorgesehen, dass das graphit-basierte Füllmaterial Kohlenstofffasern, Graphite, Graphen und/oder Ruße umfasst. Die Ausgestaltung des graphit-basierten Füllmaterials mit Kohlenstofffasern, Graphiten, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und/oder Rußen ermöglicht eine besonders vorteilhafte elektrische und thermische Leitfähigkeit des Füllmaterials. Ebenfalls ermöglicht ein derartig ausgestaltetes Komposit eine einfache und kostengünstige Umformung zu einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, beispielsweise unter Einwirkung von Kraft und Wärme, wie im erfindungsgemäße Verfahren noch detailliert beschrieben.According to an advantageous embodiment of the bipolar plate according to the invention it is provided that the graphite-based filler material comprises carbon fibers, graphite, graphene and / or carbon black. The configuration of the graphite-based filler material with carbon fibers, graphites, graphene, carbon nanotubes and / or carbon black enables a particularly advantageous electrical and thermal conductivity of the filler material. A composite configured in this way also enables a simple and inexpensive reshaping to form a bipolar plate according to the invention, for example under the action of force and heat, as described in detail in the method according to the invention.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist vorgesehen, dass zumindest eine metallische Folie in und/oder an dem Komposit angeordnet und/oder befestigt ist. Durch die Ergänzung des Komposits und/oder der Bipolarplatte mit einer metallischen Folie kann beispielsweise ein Mehrschichtkomposit mit vorteilhaften Eigenschaften erzeugt werden. Eine metallische Folie ermöglicht eine einfachere Herstellung einer möglichst dünnen Verbundfolie, welche zu einer Bipolarplatte, insbesondere einer möglichst dünnen Bipolarplatte, weiterverarbeitet werden kann.According to an advantageous embodiment of the bipolar plate according to the invention, it is provided that at least one metallic foil is arranged and / or fastened in and / or on the composite. By adding a metallic foil to the composite and / or the bipolar plate, a multilayer composite with advantageous properties can be produced, for example. A metallic foil enables a simpler production of a composite foil which is as thin as possible and which can be further processed into a bipolar plate, in particular a bipolar plate which is as thin as possible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist vorgesehen, dass das Komposit zu 80 bis 95 Gew.-% aus dem graphit-basierten Füllmaterial besteht. Das hochgefüllte Komposit der Bipolarplatte kann bevorzugt einen Gewichtsprozentanteil von 80 bis 95 Gew.-% für das graphit-basierten Füllmaterial aufweisen. Eine derart ausgestaltete Bipolarplatte ermöglicht eine vorteilhafte hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit mit geringem Kosten- und Zeitaufwand für die Produktion.According to an advantageous embodiment of the bipolar plate according to the invention, it is provided that the composite consists of 80 to 95% by weight of the graphite-based filler material. The highly filled composite of the bipolar plate can preferably have a weight percentage of 80 to 95% by weight for the Have graphite-based filler material. A bipolar plate designed in this way enables an advantageously high electrical and thermal conductivity with low cost and time expenditure for production.

Gemäß einem zweiten Aspekt offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die Bipolarplatte umfassend ein Komposit, das Komposit aufweisend ein polymeres Grundmaterial und ein graphit-basiertes, elektrisch und thermisch leitfähiges Füllmaterial, wobei die Bipolarplatte nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgestaltet ist, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:

  • - Erzeugung einer Preform aus dem Komposit,
  • - Prägen, Pressen, Kalandrieren und/oder Tiefziehen der Preform aus dem Komposit zu einer Bipolarplatte.
According to a second aspect, the present invention discloses a method for producing the bipolar plate for a fuel cell, the bipolar plate comprising a composite, the composite comprising a polymeric base material and a graphite-based, electrically and thermally conductive filling material, wherein the bipolar plate according to one of the preceding claims is configured, the method comprising the following steps:
  • - production of a preform from the composite,
  • - Embossing, pressing, calendering and / or deep drawing of the preform from the composite to form a bipolar plate.

Als erfindungsgemäße Preform kann ein extrudiertes Profil, eine Platte, eine Folie oder ein anderweitig ausgestaltete grobe Formgebung des Komposits vor der Verarbeitung der Preform zu einer Bipolarplatte verstanden werden. Die Preform kann mittels verschiedener Umform-, Schneid- und/oder Spantechniken aus dem Komposit erzeugt werden. Die erzeugte Preform wird mittels Prägen, Pressen, Tiefziehen und/oder weiteren Umformtechniken und/oder spanender Nachbearbeitung zu einer Bipolarplatte geformt und/oder bearbeitet. Vorteilhaft ist ein derart ausgestaltetes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle aufgrund der vorteilhaft möglichen dünnen Ausgestaltung der Bipolarplatten durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie die guten Fließ- und Umformeigenschaften des Komposits. Das Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Bipolarplatte gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.An extruded profile, a plate, a film or some other rough shaping of the composite prior to processing the preform into a bipolar plate can be understood as a preform according to the invention. The preform can be produced from the composite by means of various forming, cutting and / or machining techniques. The preform produced is shaped and / or machined into a bipolar plate by means of embossing, pressing, deep drawing and / or further shaping techniques and / or post-machining. A method designed in this way for producing a bipolar plate for a fuel cell is advantageous due to the advantageously possible thin configuration of the bipolar plates by the method according to the invention and the good flow and deformation properties of the composite. The method for producing the bipolar plate for a fuel cell according to the second aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the bipolar plate according to the first aspect of the invention.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst:

  • - Anordnung und/oder Befestigung einer metallischen Folie an der
According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the method further comprises the following step:
  • - Arrangement and / or attachment of a metallic foil to the

Preform und/oder an einem aus der Preform erzeugten Halbzeug.
Durch die Ergänzung des Komposits, der Preform und/oder der Bipolarplatte mit einer metallischen Folie kann beispielsweise ein Mehrschichtkomposit mit vorteilhaften Eigenschaften erzeugt werden. Eine metallische Folie ermöglicht eine einfachere Herstellung einer möglichst dünnen Preform, beispielsweise in Form einer Verbundfolie, welche zu einer Bipolarplatte, insbesondere einer möglichst dünnen Bipolarplatte, weiterverarbeitet werden kann. Eine Anordnung und/oder Befestigung der metallischen Folie kann vorzugsweise als eine Haftung der metallischen Folie an dem Komposit, der Preform und/oder der Bipolarplatte verstanden werden. Eine derartige Haftung wird durch die zuvor beschriebenen Zusatzmaterialien verbessert und/oder verstärkt.Preform and / or on a semi-finished product produced from the preform.
By adding a metallic foil to the composite, the preform and / or the bipolar plate, it is possible, for example, to produce a multilayer composite with advantageous properties. A metallic foil enables a simpler production of a preform that is as thin as possible, for example in the form of a composite foil, which can be further processed into a bipolar plate, in particular a bipolar plate that is as thin as possible. An arrangement and / or fastening of the metallic foil can preferably be understood as an adhesion of the metallic foil to the composite, the preform and / or the bipolar plate. Such adhesion is improved and / or reinforced by the additional materials described above.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Erzeugung einer Preform aus dem Komposit ein Kalandrieren des Komposits zu einem Halbzeug und/oder zu einer Verbundfolie umfasst. Die Erzeugung einer Preform aus dem erfindungsgemäßen Komposit kann beispielsweise die Verfahrensschritte des Kalandrierens umfassen. Ein derartiges Verfahren ermöglicht eine besonders dünne, gleichmäßige und einfach herzustellende Preform in Form eines Halbzeugs und/oder einer Verbundfolie. Das Kalandrieren des Komposits ist mit dem geringen Aufwand für Zeit und Kosten verbunden und folglich vorteilhaft für eine Serienfertigung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte geeignet. Alternativ oder zusätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren die Erzeugung einer Preform aus dem Komposit mittels Extrudieren oder anderen Umformtechniken erzeugen.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the production of a preform from the composite comprises calendering the composite to form a semi-finished product and / or to form a composite film. The production of a preform from the composite according to the invention can include, for example, the process steps of calendering. Such a method enables a particularly thin, uniform and simple to manufacture preform in the form of a semi-finished product and / or a composite film. The calendering of the composite is associated with little expenditure in terms of time and costs and is therefore advantageously suitable for series production of the bipolar plate according to the invention. Alternatively or additionally, the method according to the invention can produce a preform from the composite by means of extrusion or other shaping techniques.

Gemäß einem dritten Aspekt offenbart die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle mit einem Elektrolyten, zwei Elektroden, zwei Gasdiffusionsschichten und zwei Bipolarplatten. Die Bipolarplatten sind nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ausgestaltet. Die Brennstoffzelle gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bzw. der Bipolarplatte gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. According to a third aspect, the present invention discloses a fuel cell with an electrolyte, two electrodes, two gas diffusion layers and two bipolar plates. The bipolar plates are designed according to the first aspect of the present invention. The fuel cell according to the third aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the method according to the second aspect of the invention or the bipolar plate according to the first aspect of the invention.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.Further measures improving the invention emerge from the following description of some exemplary embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All of the features and / or advantages arising from the claims, the description or the drawings, including structural details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention both individually and in the various combinations. It should be noted that the figures are only of a descriptive character and are not intended to restrict the invention in any way.

Es zeigen jeweils schematisch:

  • 1 eine Detaildarstellung einer Materialzusammensetzung eines Komposits mit einem polymeren Grundmaterial und einem graphit-basierten, elektrisch und thermisch leitfähigen Füllmaterial, wobei das graphit-basierte, elektrisch und thermisch leitfähige Füllmaterial bereichsweise als graphit-basierter thermoplastischer Materialbereich und bereichsweise als graphit-basierter härtbarer Materialbereich ausgestaltet ist,
  • 2 eine Detaildarstellung einer Materialzusammensetzung eines Komposits mit einem polymeren Grundmaterial und einem graphit-basierten, elektrisch und thermisch leitfähigen Füllmaterial, wobei das graphit-basierte, elektrisch und thermisch leitfähige Füllmaterial bereichsweise als graphit-basierter thermoplastischer Materialbereich und bereichsweise als graphit-basierter härtbarer Materialbereich ausgestaltet ist, und einem Zusatzmaterial sowie einer metallischen Folie,
  • 3 einen Verfahrensschritt zur Herstellung eines Halbzeugs aus einer Preform aus einem Komposit,
  • 4 eine Brennstoffzelle mit einem Elektrolyten, zwei Elektroden, zwei Gasdiffusionsschichten und zwei Bipolarplatten.
They each show schematically:
  • 1 a detailed representation of a material composition of a composite with a polymeric base material and a graphite-based, electrically and thermally conductive Filler material, the graphite-based, electrically and thermally conductive filler material being designed in regions as a graphite-based thermoplastic material region and in regions as a graphite-based hardenable material region,
  • 2 a detailed representation of a material composition of a composite with a polymeric base material and a graphite-based, electrically and thermally conductive filler material, wherein the graphite-based, electrically and thermally conductive filler material is partially designed as a graphite-based thermoplastic material area and partially as a graphite-based hardenable material area , and an additional material and a metallic foil,
  • 3 a process step for the production of a semi-finished product from a preform made of a composite,
  • 4th a fuel cell with an electrolyte, two electrodes, two gas diffusion layers and two bipolar plates.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.In the following figures, identical reference symbols are used for the same technical features from different exemplary embodiments.

In 1 ist eine schematische Detaildarstellung einer Materialzusammensetzung eines Komposits 100 einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Bipolarplatte 150 (nicht gezeigt) mit einem polymeren Grundmaterial 102 und einem graphit-basierten, elektrisch und thermisch leitfähigen Füllmaterial 110 gezeigt, wobei das graphit-basierte, elektrisch und thermisch leitfähige Füllmaterial 110 bereichsweise als graphit-basierter thermoplastischer Materialbereich 112 und bereichsweise als graphit-basierter härtbarer Materialbereich 114 ausgestaltet ist. Das Komposit 100 weist ein polymeres Grundmaterial 102, beispielhaft in Form einer polymeren Matrix, auf. Innerhalb und um das polymere Grundmaterial 102 weist das Komposit 100 Füllmaterial 110 auf. Als Füllmaterial 110 werden graphit-basierte Füllmaterialien 110 verwendet, wobei die Füllmaterialien 110 innerhalb und um das polymere Grundmaterial 102 zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, hochgefüllt ausgestaltet sind. Dies bedeutet, dass die Füllmaterialien 110 mit einer hohen Dichte innerhalb und um das polymere Grundmaterial 102 verdichtet angeordnet sind. Die weitestgehend homogene und/oder symmetrische Anordnung der Materialien 102, 110 innerhalb des Komposits 100 ist beispielhaft gewählt und kann vorteilhafte homogene Stoffeigenschaften des Komposits 100 ermöglichen.In 1 is a schematic detailed representation of a material composition of a composite 100 an embodiment of a bipolar plate according to the invention 150 (not shown) with a polymeric base material 102 and a graphite-based, electrically and thermally conductive filler material 110 shown, the graphite-based, electrically and thermally conductive filler material 110 in some areas as a graphite-based thermoplastic material area 112 and in some areas as a graphite-based hardenable material area 114 is designed. The composite 100 has a polymer base material 102 , for example in the form of a polymer matrix. Inside and around the polymer base material 102 shows the composite 100 filling material 110 on. As a filler material 110 are graphite-based filling materials 110 used, the filling materials 110 inside and around the polymer base material 102 are at least partially, preferably completely, highly filled. This means that the filling materials 110 with a high density within and around the polymer base material 102 are arranged compacted. The largely homogeneous and / or symmetrical arrangement of the materials 102 , 110 within the composite 100 is chosen as an example and can have advantageous homogeneous material properties of the composite 100 enable.

In 2 ist eine schematische Detaildarstellung einer Materialzusammensetzung eines Komposits 100 einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Bipolarplatte 150 (nicht gezeigt) mit einem polymeren Grundmaterial 102 und einem graphit-basierten, elektrisch und thermisch leitfähigen Füllmaterial 110, wobei das graphit-basierte, elektrisch und thermisch leitfähige Füllmaterial 110 bereichsweise als graphit-basierter thermoplastischer Materialbereich 112 und bereichsweise als graphit-basierter härtbarer Materialbereich 114 ausgestaltet ist, gezeigt. Über die Ausführungen zu der Materialzusammensetzung des Komposits 100 in 1 weist die Materialzusammensetzung des Komposits 100 in 2 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wenigstens eine Zusatzmaterial 116, um eine Fließfähigkeit und/oder eine Haftung des Komposits 100 zu verbessern. Aufgrund der hochgefüllten Füllmaterialien 110 kann ein Komposit 100 zur Sprödigkeit neigen. Dies bedeutet, dass aufgrund der dichten Füllung des Füllmaterials 110 eine mögliche Verformung des Komposits 100, beispielsweise für die weitere Bearbeitung, verringert und/oder eingeschränkt ist. Durch die Ergänzung von wenigstens einem der genannten Zusatzmaterialien 116 kann die Fließfähigkeit, sprich die mögliche Verformung, des Komposits 100 vergrößert und/oder vereinfacht und damit verbessert werden. Ergänzend zu einer besseren Umformbarkeit ermöglicht die Ergänzung des erfindungsgemäßen Komposits 100 um wenigstens eines der genannten Zusatzmaterialien 116 eine verbesserte Haftung des Komposits 100 an einer metallischen Folie 120. Eine Ergänzung des Komposits 100 um wenigstens eines der genannten Zusatzmaterialien 116 ermöglicht eine dünnere Folienherstellung sowie eine verbesserte Verstreckmöglichkeit aufgrund der verbesserten Schmelze-Fließfähigkeit des Komposits 100 für die Herstellung einer Bipolarplatte 150 (nicht gezeigt) einer Brennstoffzelle 200 (nicht gezeigt).In 2 is a schematic detailed representation of a material composition of a composite 100 an embodiment of a bipolar plate according to the invention 150 (not shown) with a polymeric base material 102 and a graphite-based, electrically and thermally conductive filler material 110 , the graphite-based, electrically and thermally conductive filler material 110 in some areas as a graphite-based thermoplastic material area 112 and in some areas as a graphite-based hardenable material area 114 is designed, shown. About the statements on the material composition of the composite 100 in 1 indicates the material composition of the composite 100 in 2 according to one embodiment of the invention, at least one additional material 116 to ensure flowability and / or adhesion of the composite 100 to improve. Due to the highly filled filling materials 110 can be a composite 100 tend to be brittle. This means that due to the dense filling of the filling material 110 possible deformation of the composite 100 , for example for further processing, is reduced and / or restricted. By adding at least one of the additional materials mentioned 116 can affect the flowability, i.e. the possible deformation, of the composite 100 enlarged and / or simplified and thus improved. In addition to a better formability, the addition of the composite according to the invention makes it possible 100 at least one of the additional materials mentioned 116 improved adhesion of the composite 100 on a metallic foil 120 . A complement to the composite 100 at least one of the additional materials mentioned 116 enables a thinner film production as well as an improved possibility of stretching due to the improved melt flowability of the composite 100 for the production of a bipolar plate 150 (not shown) a fuel cell 200 (Not shown).

In 3 ist ein Verfahrensschritt zur Herstellung eines Halbzeugs 140 für eine Bipolarplatte 150 (nicht gezeigt) aus einer Preform 130 aus einem Komposit 100 gezeigt. Beispielhaft wird in 3 ein erfindungsgemäßes Komposit 100 mittels Kalandrierens zu einem erfindungsgemäßen Halbzeug 140 bearbeitet. Dabei wird beispielhaft mittels Walzenpaaren mit abnehmendem Abstand eine Preform 130 aus Komposit 100 zu beispielsweise einer möglichst dünnen Verbundfolie als Halbzeug 140 für die Herstellung einer Bipolarplatte 150 (nicht gezeigt) einer Brennstoffzelle 200 (nicht gezeigt) bearbeitet. Das erfindungsgemäße Komposit 100 ist durch die wenigstens bereichsweise angeordneten Peroxide, insbesondere durch die Ergänzung von wenigstens einem Zusatzmaterial 116, und die daraus resultierenden vorteilhaften Eigenschaften des Komposits 100 besonders vorteilhaft für den Verfahrensschritt, das Verfahren im gesamten und die Herstellung von Bipolarplatte 150 (nicht gezeigt) einer Brennstoffzelle 200 (nicht gezeigt) geeignet.In 3 is a process step for the production of a semi-finished product 140 for a bipolar plate 150 (not shown) from a preform 130 from a composite 100 shown. In 3 a composite according to the invention 100 by means of calendering to form a semi-finished product according to the invention 140 processed. For example, a preform is created by means of roller pairs with decreasing spacing 130 made of composite 100 for example, a composite film that is as thin as possible as a semi-finished product 140 for the production of a bipolar plate 150 (not shown) a fuel cell 200 (not shown) machined. The composite according to the invention 100 is through the at least regionally arranged peroxides, in particular through the addition of at least one additional material 116 , and the resulting beneficial properties of the composite 100 particularly advantageous for the process step, the process as a whole and the production of the bipolar plate 150 (not shown) a fuel cell 200 (not shown) suitable.

In 4 ist eine Brennstoffzelle 200 mit einem Elektrolyten 202, zwei Elektroden 206, zwei Gasdiffusionsschichten 204 und zwei Bipolarplatten 150 gezeigt. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 150 lässt sich durch die Materialzusammensetzung eines erfindungsgemäßen Komposits 100 mit verbesserten Eigenschaften und geringem Aufwand für Kosten und Zeit ermöglichen. Die Brennstoffzelle 200 gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bzw. der Bipolarplatte 150 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.In 4th is a fuel cell 200 with an electrolyte 202 , two electrodes 206 , two gas diffusion layers 204 and two bipolar plates 150 shown. The bipolar plate according to the invention 150 can be determined by the material composition of a composite according to the invention 100 with improved properties and little effort in terms of cost and time. The fuel cell 200 according to the third aspect of the invention has the same advantages as already for the method according to the second aspect of the invention or the bipolar plate 150 have been described in accordance with the first aspect of the invention.

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  • WO 2008/049099 A1 [0004]WO 2008/049099 A1 [0004]

Claims (10)

Bipolarplatte (150) für eine Brennstoffzelle (200), die Bipolarplatte (150) umfassend ein Komposit (100), das Komposit (100) aufweisend ein polymeres Grundmaterial (102) und ein graphit-basiertes, elektrisch und thermisch leitfähiges Füllmaterial (110), wobei das graphit-basierte Füllmaterial (110) zumindest bereichsweise hochgefüllt ausgestaltet ist und das graphit-basierte Füllmaterial (110) zumindest einen graphit-basierten thermoplastischen Materialbereich (112) und/oder einen graphit-basierten gehärteten Materialbereich (114) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Komposit (100) wenigstens bereichsweise Peroxide umfasst.Bipolar plate (150) for a fuel cell (200), the bipolar plate (150) comprising a composite (100), the composite (100) comprising a polymeric base material (102) and a graphite-based, electrically and thermally conductive filling material (110), wherein the graphite-based filler material (110) is at least partially highly filled and the graphite-based filler material (110) has at least one graphite-based thermoplastic material region (112) and / or a graphite-based hardened material region (114), characterized in that, that the composite (100) comprises peroxides at least in some areas. Bipolarplatte (150) für eine Brennstoffzelle (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Komposit (100) wenigstens eines der folgenden Zusatzmaterialien (116) umfasst: - Titanate, - Zirkonate, - Polymerweichmacher, insbesondere PP-Wachse.Bipolar plate (150) for a fuel cell (200) according to Claim 1 , characterized in that the composite (100) comprises at least one of the following additional materials (116): - titanates, - zirconates, - polymer plasticizers, in particular PP waxes. Bipolarplatte (150) für eine Brennstoffzelle (200) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Grundmaterial (102) polymere Ketten aufweist, wobei die polymeren Ketten, insbesondere durch Kettenaufbaureaktionen, Verzweigungen mit den Peroxiden und/oder mit wenigstens einem der Zusatzmaterialien (116) aufweisen.Bipolar plate (150) for a fuel cell (200) according to any one of the preceding claims, characterized in that the polymeric base material (102) has polymeric chains, the polymeric chains, in particular through chain-building reactions, branching with the peroxides and / or with at least one of the Have additional materials (116). Bipolarplatte (150) für eine Brennstoffzelle (200) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das graphit-basierte Füllmaterial (110) Kohlenstofffasern, Graphite, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und/oder Ruße umfasst.Bipolar plate (150) for a fuel cell (200) according to one of the preceding claims, characterized in that the graphite-based filler material (110) comprises carbon fibers, graphite, graphene, carbon nanotubes and / or carbon black. Bipolarplatte (150) für eine Brennstoffzelle (200) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine metallische Folie (120) in und/oder an dem Komposit (100) angeordnet und/oder befestigt ist.Bipolar plate (150) for a fuel cell (200) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one metallic foil (120) is arranged and / or fastened in and / or on the composite (100). Bipolarplatte (150) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Komposit (100) zu 80 bis 95 Gew.-% aus dem graphit-basierten Füllmaterial (110) besteht.Bipolar plate (150) according to one of the preceding claims, characterized in that the composite (100) consists of 80 to 95% by weight of the graphite-based filling material (110). Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (150) für eine Brennstoffzelle (200), wobei die Bipolarplatte (150) nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgestaltet ist, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: - Erzeugung einer Preform (130) aus dem Komposit (100), - Prägen, Pressen, Kalandrieren und/oder Tiefziehen der Preform (130) zu der Bipolarplatte (150).Method for producing a bipolar plate (150) for a fuel cell (200), wherein the bipolar plate (150) is designed according to one of the preceding claims, the method comprising the following steps: - Production of a preform (130) from the composite (100), - Embossing, pressing, calendering and / or deep drawing of the preform (130) to form the bipolar plate (150). Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend den folgenden Schritt: - Anordnung und/oder Befestigung einer metallischen Folie an der Preform (130) und/oder an einem aus der Preform erzeugten Halbzeug (140) .Procedure according to Claim 7 , further comprising the following step: arranging and / or fastening a metallic foil on the preform (130) and / or on a semi-finished product (140) produced from the preform. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 7 oder 8, wobei die Erzeugung der Preform (130) ein Kalandrieren des Komposits (100) zu einem Halbzeug und/oder zu einer Verbundfolie umfasst.Method according to one of the preceding Claims 7 or 8th wherein the production of the preform (130) comprises calendering the composite (100) to form a semi-finished product and / or to form a composite film. Brennstoffzelle (200), aufweisend einen Elektrolyten (202), zwei Elektroden (206), zwei Gasdiffusionsschichten (204) und zwei Bipolarplatten (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Fuel cell (200), comprising an electrolyte (202), two electrodes (206), two gas diffusion layers (204) and two bipolar plates (150) according to one of the Claims 1 to 6th .
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