DE202021104874U1

DE202021104874U1 - Platte für ein elektrochemisches, medienführendes System, Kontaktelement und Übertragungseinrichtung

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Publication number: DE202021104874U1
Application number: DE202021104874.3U
Authority: DE
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2022-12-12
Anticipated expiration: 2031-09-10
Also published as: CN115799550A; DE102022122728A1; US20230071597A1

Abstract

Platte (2a, 2b, 200, 201, 300) für ein elektrochemisches, medienführendes System (1), insbesondere eine Separatorplatte (2a, 2b, 200, 201) oder eine Stromabnehmerplatte (300), umfassend mindestens eine als Spannungsabnahmestelle und/oder eine als Stromabnahmestelle ausgestaltete Kontaktstelle (37, 38, 39), wobei die Kontaktstelle (37, 38, 39) einen laseroberflächenbehandelten Bereich (41) aufweist und in einem nicht-medienführenden Bereich (22) der Platte angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Platte für ein elektrochemisches, medienführendes System sowie ein Kontaktelement zum elektrischen und mechanischen Kontaktieren einer derartigen Platte und eine Übertragungseinrichtung enthaltend ein derartiges Kontaktelement.
Die Platte kann beispielsweise für ein Brennstoffzellensystem verwendet werden, bei dem aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie gewonnen wird.
Einerseits umfassen Platten für ein elektrochemisches System üblicherweise Bipolarplatten mit zwei metallischen Separatorplatten, wobei jeweils zwei dieser Bipolarplatten eine elektrochemische Zelle, also beispielsweise eine Brennstoffzelle, begrenzen. Dabei zählt eine Separatorplatte im engeren Sinne zu einer Zelle und die andere Separatorplatte der Bipolarplatte bereits zur nächsten Zelle. In einem elektrochemischen System wird dabei meist eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen, beispielsweise bis zu 400, in Serie zu einem Stapel oder Stack aufgestapelt. Die Zellen selbst umfassen neben jeweils zwei halben Bipolarplatten üblicherweise eine MembranElektrodeneinheit, auch als MEA (membrane electrode assembly) bezeichnet, die zwischen den halben Bipolarplatten angeordnet ist, sowie jeweils eine Gasdiffusionslage (GDL), die z.B. aus elektrisch leitfähigem Kohlenstoffvlies besteht, auf beiden Seiten der MEA. Der gesamte Stapel wird zwischen zwei Endplatten über ein Verspannsystem zusammengehalten und mit einer vorbestimmten Pressung versehen.
Den Bipolarplatten kommen in einem elektrochemischen System neben der Begrenzung der elektrochemischen Zellen mehrere weitere Funktionen zu, dies ist einerseits die elektrische Kontaktierung der Elektroden der verschiedenen elektrochemischen Zellen sowie die Weiterleitung des Stroms zurjeweils benachbarten Zelle, andererseits die Versorgung der Zellen mit den Reaktionsmedien und die Entsorgung der Reaktionsprodukte, weiter die Kühlung der elektrochemischen Zellen und die Weiterleitung der Abwärme, sowie das Abdichten der Kompartimente der beiden unterschiedlichen Reaktionsmedien und des Kühlmittels gegeneinander sowie nach außen.
In den beiden metallischen Separatorplatten der Bipolarplatte sind entsprechend zur Versorgung der elektrochemischen Zellen Durchgangsöffnungen für Reaktionsmedien, üblicherweise also einerseits insbesondere Wasserstoff oder Methanol und andererseits insbesondere Luft oder Sauerstoff, sowie Kühlmittel, meist Mischungen aus demineralisiertem Wasser und Frostschutzmitteln, ausgebildet. Weiter ist in jeder der beiden metallischen Separatorplatten eine Verteilungsstruktur eingeformt, wobei sich dabei auf beiden Oberflächen der beiden Separatorplatten Kanäle ausbilden. Auf jeder der nach außen weisenden Oberflächen der Bipolarplatte wird jeweils ein Reaktionsmedium und im Zwischenraum zwischen den beiden metallischen Separatorplatten das Kühlmittel geführt. Der Bereich, der in einer Orthogonalprojektion in eine gemeinsame Ebene mit der MEA mit der eigentlichen Membran und nicht mit deren Randbereich oder ihrer Abdichtstruktur zusammenfällt, wird auch als elektrochemisch aktiver Bereich der Platte bezeichnet. In diesem elektrochemisch aktiven Bereich der Platte wird auf der der MEA zugewandten Oberfläche der Platte ein Reaktionsmedium in einer Kanalstruktur geführt. Üblicherweise schließt sich zu zwei Seiten des elektrochemisch aktiven Bereichs ein Verteilbereich mit ebenfalls kanalartigen Verteilungsstrukturen an. Jede der Verteilungsstrukturen kommuniziert mit mindestens zwei der Durchgangsöffnungen, nämlich mindestens einem Einlass und mindestens einem Auslass für das jeweilige Fluid. Zur Abdichtung nach außen ist in jeder der metallischen Separatorplatten, zumindest geschlossen umlaufend um den elektrochemisch aktiven Bereich der Platte herum sowie gegebenenfalls um zumindest einen Teil der Durchgangsöffnungen herum jeweils ein Dichtelement angeordnet, die zu dem elektrochemisch aktiven Bereich bzw. der betreffenden Kante der Durchgangsöffnung beabstandet ist. Darüber hinaus können einzelne Durchgangsöffnungen zur Abdichtung gegeneinander auch von einem in sich geschlossen um die jeweilige Durchgangsöffnung umlaufenden Dichtelement abgedichtet sein.
Die für die Platten eingesetzten Metalle werden dabei auf die in den medienführenden Bereichen des elektrochemischen Systems herrschenden aggressiven Bedingungen ausgelegt. Dies bringt es jedoch mit sich, dass die unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten in Frage kommenden, für die aggressiven Bedingungen geeigneten Metalle zu Passivierung neigen. So bildet beispielsweise Edelstahl eine Passivierungsschicht aus Chromoxid, wodurch sich erst eine Korrosionsbeständigkeit, insbesondere für die medienführenden Bereiche, ergibt.
Um zu überprüfen, ob die elektrochemischen Zellen eine ausreichende Zellspannung (Einzelzellspannungsmessung = englisch cell voltage measurement, CVM) liefern, werden die einzelnen Zellen am Rand der Separatorplatten, außerhalb des medienführenden Bereichs, im Bereich einer Kontaktstelle von einem Kontaktelement elektrisch und mechanisch kontaktiert. Oftmals ist jedoch der Kontaktwiderstand zwischen Kontaktstelle und Kontaktelement sehr hoch, beispielsweise weil sich zwischen Kontaktstelle und Kontaktelement nur eine unzureichend große Kontaktfläche ausbildet oder weil zumindest die Oberfläche der Kontaktstelle oder des Kontaktelements aufgrund der vorgenannten Passivierungsschicht einen unzulässig hohen Kontaktwiderstand aufweisen. Dem wird teilweise entgegengewirkt, indem die Kontaktstelle und/oder das Kontaktelement mit einer leitfähigen Beschichtung versehen wird, beispielsweise einer Goldbeschichtung, dies ist für die hohe Anzahl Kontaktflächen eines elektrochemischen Systems aber mit hohen Kosten verbunden.
Andererseits umfassen Platten für ein elektrochemisches System üblicherweise auch benachbart zu jeder der Endplatten eine Stromabnehmerplatte sowie zu jeder dieser Stromabnehmerplatten benachbart und von der Endplatte abgewandt jeweils eine als Unipolarplatte ausgebildete Separatorplatte, wobei die Stromabnehmerplatte dem Übertragen des im elektrochemischen System erzeugten Stroms zu einem Verbraucher oder dem Einleiten des im elektrochemischen System benötigten Stroms dient. Eine Unipolarplatte kann dabei ähnlich einer Separatorplatte einer Bipolarplatte ausgebildet sein. Bei der Stromabnehmerplatte handelt es sich üblicherweise um eine zumindest über große Abschnitte flache Platte, die beispielsweise an ihrem Seitenrand oder zur Endplatte hin Auskragungen oder sonstige Fortsätze aufweisen kann, die der Weiterleitung des Stroms dienen. Die Stromabnehmerplatte liegt dabei üblicherweise abschnittsweise flächig auf der Unipolarplatte auf. Auch in diesem Zwischenraum kann eine Kontaktlage mit einem einer Gasdiffusionslage vergleichbaren Aufbau angeordnet sein. Der verbleibende Zwischenraum zwischen Unipolarplatte und Stromabnehmerplatte ist hierbei üblicherweise nicht mediendurchströmt, wohl aber die von der Endplatte wegweisende Oberfläche der Unipolarplatte. Auch hier ist ein geringer Kontaktwiderstand an der Kontaktfläche von Stromabnehmerplatte und Unipolarplatte wesentlich für einen dauerhaft effizienten Betrieb des elektrochemischen Systems.
Eine Passivierungsschicht führt also zu einem erheblich erhöhten elektrischen Kontaktwiderstand an den vorgenannten Kontaktflächen, reduziert die Stromleitung zwischen Unipolarplatte und Stromabnehmerplatte und/oder reduziert die Spannungsübertragung im Bereich der Einzelzellspannungsmessung.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Platte für ein elektrochemisches, medienführendes System anzugeben, die zumindest eines der genannten Probleme löst. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktelement zum elektrischen und mechanischen Kontaktieren einer derartigen Platte, eine Übertragungseinrichtung enthaltend ein derartiges Kontaktelement und ein elektrochemisches System anzugeben, die ebenfalls mindestens eines der vorgenannten Probleme lösen.
Diese Aufgabe wird durch die Platte gemäß dem Hauptanspruch sowie das Kontaktelement, die Übertragungseinrichtung und das elektrochemische System gemäß den Nebenansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche und der nachstehenden Beschreibung.
Dementsprechend wird einerseits eine Platte für ein elektrochemisches, medienführendes System bereitgestellt. Die Platte kann dabei als Separatorplatte einer Bipolarplatte, Unipolarplatte oder als Stromabnehmerplatte ausgebildet sein. Die Platte umfasst dabei mindestens eine als Spannungsabnahmestelle und/oder eine als Stromabnahmestelle ausgestaltete Kontaktstelle, die einen laseroberflächenbehandelten Bereich aufweist. Die Kontaktstelle ist dabei in einem nicht medienführenden Bereich der Platte angeordnet.
Andererseits wird ein Kontaktelement zum elektrischen und mechanischen Verbinden mit einer Kontaktstelle eines elektrochemischen Systems zur Verfügung gestellt, wobei das Kontaktelement einen laseroberflächenbehandelten Bereich aufweist. Die Verbindung zwischen dem erfindungsgemäßen Kontaktelement und einer Kontaktstelle erfolgt dabei insbesondere kraftschlüssig und/oder formschlüssig. Die Kontaktstelle kann dabei wie vorgenannt ausgestaltet sein, eine Laseroberflächenbehandlung ist hierbei möglich, aber nicht notwendig.
Die Laserbehandlung der genannten Bereiche der Oberfläche der Platte und/oder des Kontaktelements führt dabei vorzugsweise zu einer Strukturierung der entsprechenden Bereiche. Insbesondere kann der mindestens eine laseroberflächenbehandelte Bereich periodische Oberflächenstrukturen aufweisen. Die mittels Laserbehandlung erzeugten Oberflächenstrukturen können zu einer Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstandes bzw. zu einer Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit führen. Die Platte und/oder das Kontaktelement kann/können somit im Bereich der periodischen Oberflächenstrukturen eine größere elektrische Leitfähigkeit bzw. einen niedrigeren elektrischen Widerstand aufweisen als außerhalb der periodischen Oberflächenstrukturen.
Üblicherweise sind die Oberflächenstrukturen zumindest in einer Raumrichtung periodisch zueinander angeordnet. Die Oberflächenstrukturen können auch in zwei Raumrichtungen periodisch zueinander angeordnet sein. Gemäß manchen Ausführungsformen sind die Oberflächenstrukturen zumindest abschnittsweise parallel nebeneinander und/oder parallel hintereinander angeordnet. Die Ausrichtung kann dabei über größere oder kleinere Bereiche gegeben sein. Vorzugsweise verlaufen zumindest innerhalb eines von einer Korngrenze umschlossenen Bereichs die Oberflächenstrukturen parallel zueinander. Es können auch verschiedene Bereiche mit parallelen Oberflächenstrukturen, in denen aber eine unterschiedliche Orientierung verglichen mit einem anderen Bereich gegeben ist, aneinander grenzen, beispielsweise an Korngrenzen.
Somit wiederholt sich die Form der Strukturen auf der Oberfläche in zumindest einer Raumrichtung. Die räumliche Periode bezeichnet hierbei typischerweise den maximalen Abstand zwischen zwei benachbarten, formgleichen oder formähnlichen Oberflächenstrukturen. Herstellungsbedingt sind die Oberflächenstrukturen in der Regel nicht komplett identisch zueinander. Vielmehr kann die Periode entlang der Oberfläche Schwankungen unterliegen. Daher wird eine mittlere räumliche Periode angegeben, die kleiner als 10 µm ist. Es kann auch vorkommen, dass die räumliche Periode der Oberflächenstrukturen in jedem Fall kleiner als 10 µmist.
Derartige periodische Oberflächenstrukturen werden typischerweise mittels Laserstrahlung eines Ultrakurzpulslasers erzeugt (s. unten) und sind in der Literatur auch als „Laser-induced Periodic Surface Structures“ (LIPSS) bekannt. Für ausführliche Erklärungen, Details und Definitionen zum Thema LIPSS wird auf die folgende Veröffentlichung verwiesen:

„Dynamik der Erzeugung und Mechanismen der Entstehung von periodischen Oberflächenstrukturen im Nanometerbereich (LIPSS) durch die Bestrahlung von Festkörpern mit Femtosekunden-Laserpulsen“, Dissertation von Sandra Höhm, Berlin, 2014 (nachstehend: Höhm 2014),

Die Erfinder haben festgestellt, dass sich die genannten Oberflächenstrukturen für eine Nutzung auf Oberflächenabschnitten von Platten, Kontaktelementen und/oder Übertragungseinheiten eines elektrochemischen Systems besonders gut eignen. Durch die periodischen Oberflächenstrukturen können nämlich Oberflächeneigenschaften mindestens einer Platte, eines Kontaktelementes und/oder einer Übertragungseinheit gezielt geändert werden. Beispielsweise können durch die Oberflächenstrukturen chemische und/oder elektrische Eigenschaften der Oberfläche beeinflusst und/oder verbessert werden.
Zur sprachlichen Vereinfachung wird in der Folge der Begriff „Gegenstand“ als Sammelbegriff für mindestens eine Platte, ein Kontaktelement und/oder eine Übertragungseinheit verwendet.
Die Oberflächenstrukturen eines solchen Gegenstands können sich entlang ihrer Längsrichtung zum Beispiel wellenförmig oder linienförmig erstrecken. In einer Ausgestaltung können die Oberflächenstrukturen Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweisen. Die Vertiefungen können zwischen den Erhebungen verlaufen und sind üblicherweise durch diese begrenzt und/oder gebildet. Die Vertiefungen bzw. Erhebungen können zumindest abschnittsweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen (z.B. parallel nebeneinander oder hintereinander). Oftmals bilden die Oberflächenstrukturen zumindest lokal eine Grabenstruktur mit einer Vielzahl von länglichen Vertiefungen, welche im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Anzahl der Oberflächenstrukturen, Vertiefungen bzw. Erhebungen kann hierbei nach Bedarf variiert werden. So kann die Anzahl der Vertiefungen von der Größe der Fläche abhängen, die die Oberflächenstrukturen aufweisen soll. Typischerweise sind in einem Bereich mit gleichartigen oder gleichen Oberflächenstrukturen mindestens 10 oder mindestens 20 Grabenstrukturen, beispielsweise Vertiefungen, die zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen, vorhanden. Ebenso ist es möglich, in unterschiedlichen Bereichen in mindestens einer Raumrichtung auf der Oberfläche eine unterschiedliche Anzahl Perioden auf eine bestimmte Länge vorzusehen.
Die Abmessungen der Vertiefungen, insbesondere die Periode, hängen in der Regel zumindest von der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung ab. Beispielsweise haben die Vertiefungen eine Tiefe von minimal 8 nm, bevorzugt minimal 20 nm, zum Beispiel minimal 50 nm und/oder maximal 3 µm, bevorzugt maximal 1 µm, insbesondere maximal 500 nm, bevorzugt maximal 300 nm, in der Regel maximal 250 nm. Die Tiefe wird hierbei üblicherweise normal zur Fläche, die durch die Erhebungen gebildet wird, bzw. normal zur Oberfläche des Gegenstands, die frei von den periodischen Oberflächenstrukturen ist, gemessen. Weiter können die Vertiefungen eine Breite von minimal 0,1 µm und/oder maximal 2 µm aufweisen. Die Breite wird hierbei typischerweise auf halber Höhe und senkrecht zur lokalen Längsrichtung der Vertiefungen gemessen. Die Vertiefungen können außerdem eine Periode in einer Raumrichtung von minimal 100 nm, üblicherweise minimal 0,3 µm und/oder maximal 3 µm, bevorzugt maximal 1,5 µm, insbesondere maximal 1,2 µm, insbesondere maximal 1000 nm, typischerweise maximal 700 nm aufweisen. Die periodischen Oberflächenstrukturen umfassen somit oftmals Nanostrukturen mit einer Tiefe, Breite und/oder Periode von jeweils unterhalb eines Mikrometers oder, insbesondere bzgl. der Periode etwas oberhalb eines Mikrometers. Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Oberflächenstrukturen zumindest in einer Raumrichtung (x, y) zumindest abschnittsweise periodisch zueinander angeordnet sind.
Vorzugsweise ist die Platte oder das Kontaktelement aus einem Metallblech ausgebildet, insbesondere aus einem Edelstahlblech. Separatorplatten und Unipolarplatten weisen dabei mit üblicherweise 50-200 µm aber eine geringere Blechstärke auf als Stromabnehmerplatten mit üblicherweise 0,8-4 mm.
Die Platte kann insbesondere als Separatorplatte einer Bipolarplatte oder als Unipolarplatte ausgebildet sein. Sie weist dabei vorzugsweise einen medienführenden Innenbereich, einen nicht-medienführenden Außenbereich und mindestens ein Dichtelement auf, welches den medienführenden Innenbereich gegenüber dem nicht-medienführenden Außenbereich abdichtet. Die Kontaktstelle ist dabei bevorzugt in dem Außenbereich vorgesehen.
Die Kontaktstelle kann zum elektrischen und mechanischen, insbesondere kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen, Verbinden mit einer Übertragungseinrichtung ausgestaltet sein. In einer ersten Variante weist die Kontaktstelle hierzu eine Aufnahme für ein Steckelement der Übertragungseinrichtung auf. In einer zweiten Variante weist die Kontaktstelle zu diesem Zweck ein Steckelement auf, das in einer Aufnahme des Kontaktelements der Übertragungseinrichtung aufgenommen werden kann.
Die Aufnahme der Kontaktstelle der vorgenannten ersten Variante kann insbesondere in mindestens eine oder aber auch in beide Separatorplatten einer Bipolarplatte geprägt sein und dabei eine am Außenrand der betreffende Platte beginnende Rinne bilden, deren geschlossenes Ende vorzugsweise vom Dichtelement beabstandet ist und eine geringere Höhe als das Dichtelement aufweist. Zudem können zur Verbesserung der Stabilität die beiden Separatorplatten in der Umgebung dieser Aufnahme zumindest abschnittsweise verbunden, beispielsweise verschweißt, sein. Sie kann auch an die Form des aufzunehmenden Steckelements der Übertragungseinrichtung angepasst sein und Laschen, Prägungen etc. zur Verbesserung der mechanischen Verbindung aufweisen.
Das Steckelement der zweiten Variante kann in seiner einfachsten Ausführungsform als über den Außenrand der Platte überstehende, aus dem Material der Platte fortlaufend ausgebildete Lasche gebildet sein. Es kann aber auch mittels Prägungen, Biegungen oder sonstigen Umformungen mechanisch verstärkt sein.
Komplementär zu den oben genannten beiden Varianten der Kontaktstelle einer Platte bzw. einer gemeinsamen Kontaktstelle zweier eine Bipolarplatte bildenden Separatorplatten kann das Kontaktelement der Übertragungseinheit als Steckelement zur Aufnahme in einer Aufnahme der Kontaktstelle der Platte oder als Aufnahme für ein Steckelement der Platte ausgestaltet sein. Die für die Kontaktstelle genannten Ausgestaltungen von Aufnahme bzw. Steckelement können hier analog zur Anwendung kommen.
Insbesondere im Falle einer Stromabnehmerplatte oder einer Unipolarplatte kann die Kontaktstelle als flacher Bereich ausgestaltet sein, welcher sich zumindest abschnittsweise, insbesondere vollflächig, entlang einer Flachseite der Platte erstreckt. Dies kann bei einer Stromabnehmerplatte ein flächiger, im Wesentlichen ebener, insbesondere nicht-umgeformter Bereich sein, der sich vollflächig oder zumindest bis zu Randstrukturen entlang einer Flachseite der Platte, insbesondere entlang der der Unipolarplatte zugewandten Flachseite der Platte, erstreckt. Im Fall einer Unipolarplatte können dies insbesondere Abschnitte der Prägestruktur sein, die auf der der Stromabnehmerplatte zugewandten Flachseite der Unipolarplatte in Richtung der Stromabnehmerplatte auskragen und mit der Oberfläche der Stromabnehmerplatte, gegebenenfalls unter Zwischenfassung einer Diffusionslage, in Kontakt treten. Der Zwischenraum von Unipolarplatte und Stromabnehmerplatte ist dabei vorzugsweise nicht medienführend.
Auch bei einer flächigen Kontaktierung zwischen Kontaktelement und Kontaktstelle ist es bevorzugt, wenn die beiden Elemente kraftschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind. Zwischen einer Stromabnehmerplatte und einer Unipolarplatte kann dabei insbesondere eine kraftschlüssige Verbindung eingesetzt werden, die vorzugsweise nicht als paarweise kraftschlüssige Verbindung ausschließlich dieser beiden Platten ausgeführt ist, sondern als Verspannung des gesamten Plattenstapels, beispielsweise mittels Spanngurten und/oder Verschraubungen.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch eine Übertragungseinrichtung zur Verwendung beim Messen einer elektrischen Spannung und/oder beim Weiterleiten eines elektrischen Stroms zumindest eines Teilbereichs eines elektrochemischen Systems mit einem vorbeschriebenen Kontaktelement.
Wie oben erwähnt können die Oberflächenstrukturen zu einer erheblichen Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstandes bzw. zu einer erheblichen Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit sowohl bei den Platten, bei den Kontaktelementen als auch bei den Übertragungseinrichtungen bzw. Abschnitten von letzteren führen. Insbesondere ist eine elektrische Leitfähigkeit im laseroberflächenbehandelten Bereich größer als außerhalb des laseroberflächenbehandelten Bereichs.
Die Erfindung umfasst weiterhin auch ein elektrochemisches System mit mindestens einem der „Gegenstände“, also mit mindestens einer Platte, einem Kontaktelement und/oder einer Übertragungseinheit.
In einer Ausführungsform ist das elektrochemische System mit zwei Stromabnehmerplatten ausgebildet, wobei zwischen der ersten und zweiten Stromabnehmerplatte eine Vielzahl von gestapelten Separatorplatten angeordnet ist. Auch in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, wenn das elektrochemische System eine Übertragungseinheit umfasst.
Im Folgenden werden Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines vorstehend beschriebenen Gegenstands, also einer Separatorplatte - insbesondere einer Unipolarplatte oder einer Separatorplatte einer Bipolarplatte -, einer Stromabnehmerplatte, eines Kontaktelements oder eines Übertragungssystems beschrieben. Dieses Verfahren ist nicht Objekt des vorliegenden Gebrauchsmusters. Das Verfahren kann aber Objekt einer weiteren Schutzrechtsanmeldung sein, insbesondere einer internationalen Patentanmeldung nach dem PCT, einer europäischen Patentanmeldung oder einer deutschen Patentanmeldung.
Ein solches Verfahren zur Herstellung des vorstehend beschriebenen Gegenstands kann gemäß einem ersten Aspekt z. B. wenigstens die folgenden Schritte umfassen:

Verfahren zur Herstellung einer Platte für ein elektrochemisches, medienführendes System, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen einer Platte mit mindestens einer als Spannungsabnahmestelle und/oder einer als Stromabnahmestelle ausgestalteten Kontaktstelle, welche in einem nicht-medienführenden Bereich der Platte angeordnet ist,
- - Bestrahlen der Kontaktstelle mittels eines gepulsten Lasers, wobei eine Pulsdauer der Laserpulse kleiner als 1 ns, vorzugsweise kleiner als 100 ps, vorzugsweise kleiner als 50 ps ist,
- - Erzeugen von periodischen Oberflächenstrukturen auf der Kontaktstelle durch die Laserstrahlung.

Ein solches Verfahren zur Herstellung des vorstehend beschriebenen Gegenstands kann gemäß einem zweiten Aspekt z. B. wenigstens die folgenden Schritte umfassen:

Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelements zum mechanischen und elektrischen Verbinden mit einer Kontaktstelle einer Platte eines elektrochemischen Systems, das Verfahren umfassend die Schritte:
- - Bestrahlen des Kontaktelements mittels eines gepulsten Lasers, wobei eine Pulsdauer der Laserpulse kleiner als 1 ns, vorzugsweise kleiner als 100 ps, vorzugsweise kleiner als 50 ps ist,
- - Erzeugen von periodischen Oberflächenstrukturen auf dem Kontaktelement durch die Laserstrahlung.

Anstelle von Platten eines elektrochemischen Systems oder zusätzlich zu diesen können auch Kontaktelemente oder Teile eines Übertragungssystems analog hergestellt werden. Die Periodizität der Oberflächenstrukturen muss nicht auf dem gesamten laserbestrahlten Bereich einheitlich sein, sie kann sich auch nur auf einen Bereich innerhalb einer Korngrenze beziehen.
Bei der Laserbehandlung gemäß dem ersten und/oder zweiten Aspekt wird die genannte Vielzahl der periodischen Oberflächenstrukturen typischerweise innerhalb einer räumlich zusammenhängenden Projektion des jeweiligen Laserpulses auf dem Gegenstand erzeugt. Je Laserpuls kann eine Vielzahl von periodischen Oberflächenstrukturen erzeugt werden. Die Erzeugung von jeder periodischen Oberflächenstruktur durch den jeweiligen Laserpuls kann hierbei vor dem Auftreffen des nächsten Laserpulses abgeschlossen sein. Pro Laserpuls können mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 20 periodische Oberflächenstrukturen, also insbesondere Grabenstrukturen, erzeugt werden. Die periodischen Oberflächenstrukturen werden somit mit jedem Laserpuls innerhalb der vom jeweiligen Laserpuls bestrahlten, zusammenhängenden Oberfläche erzeugt und nicht etwa dadurch, dass der Gegenstand in räumlich periodischer Weise abgetastet oder mit einem räumlich periodischen, nicht-zusammenhängenden Lichtmuster wie einem Beugungsmuster oder Interferenzmuster bestrahlt wird.
Hierbei ist vorteilhaft, dass die Laserpulse eine Pulsdauer von weniger als 1 ns, vorzugsweise weniger als 100 ps, insbesondere weniger als 10 ps oder beispielsweise weniger als 1 ps aufweisen. Vorzugsweise haben die Laserpulse eine Pulsfrequenz von 1 MHz oder weniger. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis von Pulsfrequenz zu Pulsdauer mindestens 1000 beträgt. Durch diese kurze Pulsdauer und die verglichen damit niedrige Pulsfrequenz können zum einen sehr hohe Intensitäten erreicht werden, die für die kalte Ablation der Oberfläche und/oder Umlagerung des Oberflächenmaterials benötigt wird. Zum anderen erlaubt die kurze Pulsdauer in Wechselwirkung mit den hohen Totzeiten eine weitgehend wärmediffusionsfreie Bearbeitung des Oberflächenmaterials und damit die Entstehung der periodischen Oberflächenstrukturen.
Die Pulsdauer kann kleiner als 100 ps, kleiner als 50 ps, kleiner als 20 ps, kleiner als 10 ps oder sogar kleiner als 1 ps sein. Es können auch Pulsdauern im fs-Bereich verwendet, z.B. größer als 30 fs und/oder kleiner als 1000 fs und/oder kleiner als 500 fs, vorzugsweise größer als 50 fs und/oder größer als 100 fs eingesetzt werden. Insbesondere können für das Verfahren also Pikosekunden- oder Femtosekundenlaser verwendet werden, welche zusammenfassend als Ultrakurzpulslaser bezeichnet werden.
Die Oberflächenstrukturen besitzen üblicherweise die Form einer periodischen Grabenstruktur, deren Gestalt von den Prozessparametern abhängt. Mögliche Prozessparameter sind z.B. in Höhm 2014 offenbart.
Insbesondere können die periodischen Oberflächenstrukturen durch Wechselwirkung der einfallenden Laserstrahlung mit der bestrahlten Oberfläche erzeugt werden. Hierbei entstehen die periodischen Oberflächenstrukturen typischerweise durch optische Interferenz der einfallenden Laserstrahlung mit einer durch den Laserpuls erzeugten elektromagnetischen Oberflächenwelle im verwendeten Material. Typischerweise liegt eine Fluenz der Laserstrahlung in der Größenordnung der Ablationsschwelle des verwendeten Materials. Die Fluenz des Laserlichts sollte mindestens so groß sein, dass eine kalte Ablation des Materials möglich ist. Die Fluenz kann z.B. so gewählt werden, dass sie höchstens 20% von der Ablationsschwelle des verwendeten Materials abweicht. Die Fluenz stellt ein Maß für die Energiedichte der Laserpulse dar und wird in der Regel in J/cm² angegeben. Die Fluenz kann z.B. wenigstens 0,1 und/oder höchstens 10,0 J/cm² betragen. Die Wiederholfrequenz des Lasers kann z.B. wenigstens 10 Hz, vorzugsweise wenigstens 1 kHz und/oder höchstens 1000 kHz, vorzugsweise höchstens 20 kHz betragen. Aufgrund der niedrigen Wiederholfrequenz ergeben sich hohe Totzeiten, so dass der Gesamtenergieeintrag begrenzt ist und nur die Oberflächenschicht modifiziert wird.
Vorzugsweise ist die Laserstrahlung linear polarisiert. Typischerweise werden die Oberflächenstrukturen senkrecht zu einer Polarisationsrichtung der einfallenden Laserstrahlung ausgerichtet. Dies gilt insbesondere für Kernbereiche des bestrahlten Bereichs und insbesondere für Bereiche, die sich innerhalb der Korngrenzen des unbehandelten Blechs oder Metallteils erstrecken. In Bereichen, die aneinandergrenzen, die aber von einer Korngrenze voneinander getrennt sind, können die Oberflächenstrukturen hingegen unterschiedlich orientiert sein. Eine mittlere räumliche Periode der Oberflächenstrukturen kann wenigstens 2%, vorzugsweise wenigstens 5%, insbesondere wenigstens 20% und/oder höchstens 200%, vorzugsweise höchstens 120% der verwendeten Laserwellenlänge betragen. Die Platte, das Kontaktelement oder der Teil einer Übertragungseinrichtung kann somit verschiedene Bereiche mit jeweils periodischer Strukturierung, aber unterschiedlicher Orientierung in den verschiedenen Bereichen aufweisen. Hierbei können die genannten Bereiche aneinander angrenzen, sie können aber auch durch nicht-strukturierte Bereiche voneinander beabstandet sein.
Die am häufigsten auftretenden LlPSS werden in der Literatur als „Low-Spatial-Frequency-LIPSS“ (LSFL) bezeichnet (s. Höhm 2014). LSFL besitzen eine Ausrichtung senkrecht zur Polarisation des Laserstrahls und eine Periode im Bereich der Wellenlänge des verwendeten Lasers. Durch den Einfallswinkel zur Oberfläche kann sowohl die Periode aufgrund der Projektion variiert werden als auch die Ausrichtung der LlPSS um einen Winkel von bis zu 90° gedreht werden. In der Literatur wurde berichtet, dass die Periode P von LSFL in der Größenordnung der Wellenlänge λ, der einfallenden Laserstrahlung liegt (vgl. Höhm 2014), d.h. es gilt zum Beispiel P ≈ λ. Ein zweiter LIPSS-Typ, die sogenannten HSFL („High Spatial Frequency LIPSS“) weisen signifikant kleinere Perioden P_HSFL auf, verglichen mit der Laserwellenlänge (P_HSFL <<λ). Ihre Ausrichtung ist materialabhängig an die Polarisation der Strahlung gekoppelt und ist üblicherweise entweder parallel oder senkrecht dazu orientiert.
Gemäß dieser Variante werden die Oberflächenstrukturen mittels eines einzigen Laserstrahls erzeugt. Mit dem Laserstrahl kann die zu bearbeitende Oberfläche sukzessive abgetastet werden.
Der auf den zu bearbeitenden Gegenstand treffende Laserstrahl bzw. Laserpuls kann einen Strahldurchmesser oder eine kleinste laterale Ausdehnung von mindestens 20 µm, vorzugsweise mindestens 40 µm aufweisen. Mit anderen Worten kann die zusammenhängende Projektion des Laserstrahls auf den Gegenstand, welche auch als Laserspot, Laserfleck oder Laserpunkt bezeichnet werden kann, den genannten Strahldurchmesser oder die genannte kleinste laterale Ausdehnung von mindestens 20 µm, vorzugsweise mindestens 40 µm aufweisen. Bei der Verwendung eines Strichlasers oder Linienlasers hat der Laserstrich vorzugsweise eine Breite (kleinste laterale Ausdehnung) von mindestens 20 µm, insbesondere mindestens 40 µm.
In einer weiteren Variante werden mindestens zwei, insbesondere mindestens zwei linear polarisierte, Laserstrahlen überlagert. Durch die Überlagerung der Laserstrahlen kann ein Interferenzmuster gebildet werden, um die Oberflächenstrukturen zu erzeugen. Es kann auch ein Beugungsmuster verwendet werden, um die Oberflächenstrukturen zu erzeugen. Durch Verwendung des Interferenzmusters bzw. Beugungsmusters wird die Oberfläche des Gegenstands nicht mittels nur eines Laserstrahls abgetastet. Insgesamt kann das Verfahren also deutlich schneller durchgeführt werden. Vorzugsweise wird zu diesem Zweck der Laserstrahl eines Lasers in zwei Teilstrahlen geteilt. Das Interferenzmuster bzw. Beugungsmuster umfasst dabei in der Regel mehrere räumlich nicht-zusammenhängende Lichtflecken. Hierbei sei angemerkt, dass die räumliche Periode der periodischen Oberflächenstrukturen nicht durch die räumliche Periode des Interferenz- bzw. Beugungsmusters der Laserstrahlung entsteht, sondern durch die Wechselwirkung des kurzen Laserpulses mit dem Gegenstand, s. auch oben. Insofern weicht die räumliche Periode der Oberflächenstrukturen von der räumlichen Periode des Interferenzmusters oder des Beugungsmusters der Laserstrahlung ab und ist in der Regel deutlich kleiner, z.B. 10-mal kleiner.
Es sei angemerkt, dass gemäß dem genannten Verfahren die Schritte des Ausbildens der Aufnahme und des Bestrahlens der Platte oder des Kontaktelements der Platte mittels des gepulsten Lasers vertauscht werden können. Es kann somit vorgesehen sein, dass die Oberflächenstrukturierung vor oder nach dem Umformen des Blechs erfolgt. Die Aufnahme wird typischerweise durch Tiefziehen, Hydroforming oder Prägen der Platte geformt, vorzugsweise gemeinsam mit weiteren Strukturen der Platte.
Ausführungsbeispiele für eine Platte für ein elektrochemisches, medienführendes System, für ein Kontaktelement und für eine Übertragungseinrichtung sowie für ein elektrochemisches System sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines elektrochemischen Systems mit einer Vielzahl von Bipolarplatten und zwei Unipolarplatten;
2 schematisch zwei Bipolarplatten für ein elektrochemisches System der in 1 gezeigten Art und eine zwischen den Bipolarplatten angeordnete Membranelektrodeneinheit in perspektivischer Darstellung;
3 in 3A und 3B je eine Schnittdarstellung durch eine Kontaktstelle einer Separatorplatte und ein Kontaktelement einer Übertragungseinrichtung;
4 in 4A und 4B je eine Schnittdarstellung durch eine Kontaktstelle einer Separatorplatte und ein Kontaktelement einer Übertragungseinrichtung sowie in 4C eine Schnittdarstellung eines Kontaktelements;
5 eine Schnittdarstellung durch eine Kontaktstelle einer Separatorplatte und ein Kontaktelement einer Übertragungseinrichtung;
6 eine Schnittdarstellung durch eine Kontaktstelle einer Separatorplatte und ein Kontaktelement einer Übertragungseinrichtung;
7A eine Draufsicht auf eine Übertragungseinrichtung mit mehreren Kontaktelementen;
7B eine Schnittdarstellung der Übertragungseinrichtung der 7A mit darin aufgenommenen Steckelementen der Kontaktstellen von Separatorplatten;
7C schematisch eine Draufsicht auf ein Steckelement einer Kontaktstelle aus 7B;
8 eine Schnittansicht eines Abschnitts eines elektrochemischen Systems;
9A eine mikroskopische Aufnahme von periodischen Oberflächenstrukturen in Draufsicht;
9B ein Detail der 9A;
10 eine mikroskopische Aufnahme von periodischen Oberflächenstrukturen in Draufsicht;
11A schematisch einen Abschnitt einer Separatorplatte in perspektivischer Darstellung;
11B schematisch einen Abschnitt einer Separatorplatte in perspektivischer Darstellung;
12A ein Detail eines Abschnitts eines Gegenstands;
12B ein Detail eines Abschnitts eines Gegenstands;
12C ein Detail einer Draufsicht eines Gegenstands;
12D ein Detail eines Querschnitts eines Gegenstands;
12E ein Detail einer Draufsicht eines Gegenstands;
13 schematisch ein Lasersystem zur Erzeugung von periodischen Oberflächenstrukturen in perspektivischer Darstellung;
14A schematisch einen Querschnitt des Lasersystems der 13;
14B ein Detail des Lasersystems der 13 und 14A;
15 Widerstandsmessungen an der Übergangsstelle zweier ggf. behandelter Edelstahlbleche; und
16 Widerstandmessungen an der Übergangsstelle zweier ggf. behandelter Edelstahlbleche mit dazwischen positioniertem Kohlenstoffvließ.

Hier und im Folgenden sind in verschiedenen Figuren wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt ein elektrochemisches System 1 der hier vorgeschlagenen Art mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Bipolarplatten 2, die in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Die Bipolarplatten 2 des Stapels sind zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt. Zwischen jeder der Endplatten 3, 4 und dem Bipolarplattenstapel 6 ist eine Unipolarplatte 200, 201 angeordnet. Die zwischen einer Endplatte 3, 4 und der benachbarten Unipolarplatte 200, 201 angeordnete Stromabnehmerplatte ist in 1 nicht sichtbar, aber die durch die Endplatte 4 ragenden Fortsätze 310, 311 einer Stromabnehmerplatte. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Die Bipolarplatten 2 umfassen üblicherweise jeweils zwei miteinander verbundene metallische Separatorplatten 2a, 2b (siehe z. B. 2). Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Bipolarplatten 2 des Stapels schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Die elektrochemischen Zellen weisen gewöhnlich jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 auf (siehe z. B. 2). Die MEA beinhaltet typischerweise jeweils wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein.
Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Bipolarplatten 2 bzw. Separatorplatten 2a, 2b definieren jeweils eine Plattenebene, wobei die Plattenebenen der Separatorplatten 2a, 2b jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. 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 Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
2 zeigt perspektivisch zwei aus dem Stand der Technik bekannte Bipolarplatten 2, wie sie beispielsweise in elektrochemischen Systemen der in 1 gezeigten Art eingesetzt werden können. Ferner zeigt 2 eine zwischen diesen benachbarten Bipolarplatten 2 angeordnete Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Bipolarplatte 2 verdeckt ist. Die Bipolarplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorplatten 2a, 2b, gebildet, von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorplatte sichtbar ist, die die zweite Separatorplatte verdeckt. Die Separatorplatten können jeweils aus einem umgeformten Metallblech gebildet sein, z. B. aus einem geprägten oder tiefgezogenen Edelstahlblech. Dieses Metallblech kann z. B. eine Dicke von höchstens 150 µm, vorzugsweise von höchstens 100 µm, vorzugsweise von höchstens 90 µm, besonders vorzugsweise von höchstens 80 µm haben. Die Separatorplatten können miteinander verschweißt sein, beispielsweise durch Laserschweißverbindungen.
Die Separatorplatten weisen miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c und 11'a-c der Bipolarplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten 2 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c, 11'a-c Medienkanäle, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel des Systems 1 erstrecken (siehe 1). Typischerweise ist jeder der durch die Durchgangsöffnungen 11a-c, 11'a-c gebildeten Medienkanäle jeweils in Fluidverbindung mit einem der Anschlüsse 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Medienkanäle kann z. B. Kühlmittel in den Stapel eingeleitet und über die Durchgangsöffnungen 11'a aus dem Stapel abgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen dagegen können zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas ausgebildet sein, während die von den Durchgangsöffnungen 11'b, 11'c gebildeten Leitungen zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel ausgebildet sein können.
Die ersten Separatorplatten weisen an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Vorderseite der Separatorplatte auf. Der elektrochemisch aktive Bereich 18 bildet dabei einen Teil dieses Strömungsfelds 17. Diese Strukturen des elektrochemisch aktiven Bereichs 18 sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen 15 und zwischen den Stegen 15 verlaufenden und durch die Stege 15 begrenzten Kanälen 16 gegeben. Auf den Rückseiten der Kanäle, d.h. auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Separatorplatte bilden sich Rückseiten-Stege aus, in deren Bereich die Separatorplatten 2a, 2b aneinander anliegen. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatten 2 weisen die ersten Separatorplatten 2a zudem jeweils einen Verteil- und Sammelbereich 20 für Reaktionsmedium auf, dem auf der Rückseite der Separatorplatte 2a, also auf der Innenseite der Bipolarplatte 2, ein Verteil- und ein Sammelbereich für Kühlmittel gegenüberliegt (nicht sichtbar). Der Verteilbereich 20 umfasst Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten 11b der Durchgangsöffnungen 11a, 11b, 11c in den Verteilbereich 20 eingeleitetes Medium über den aktiven Bereich 18 zu verteilen, während der Sammelbereich 20 Strukturen umfasst, die eingerichtet sind, ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 zu einer ersten 11'b der Durchgangsöffnungen 11'a, 11'b, 11'c hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. Die Verteil- und Sammelbereiche 20 weisen hierzu Leitstrukturen auf, die in 2 durch Stege 14 und zwischen den Stegen 14 ausgebildete Kanäle 19 gegeben sind. Die Kanäle 16 sind vorzugsweise jeweils über die Kanäle 19 in Fluidverbindung mit der einer der Durchgangsöffnungen 11b, 11'b. Der elektrochemisch aktive Bereich 18 ist somit über die Verteil- und Sammelbereiche 20 in Fluidverbindung mit den Durchgangsöffnungen 11b, 11' b.
Die Strukturen des aktiven Bereichs 18 und die Leitstrukturen des Verteilbereichs 20 und des Sammelbereichs 20 sind jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a, 2b ausgebildet und in die Separatorplatten 2a, 2b eingeformt, z. B. in einem Präge-, Hydroforming- oder Tiefziehprozess. Dasselbe gilt gewöhnlich für die entsprechenden Leitstrukturen der zweiten Separatorplatten 2b.
Die Durchgangsöffnungen 11a, 11'a weisen jeweils ein sie umgebendes Dichtelement 12a, 12'a auf. Der Bereich der Durchgangsöffnungen 11b, 11c, 11'b, 11'c sowie des aktiven Bereichs 18 und der Verteil- und Sammelbereiche 20 sind gemeinsam von einem Dichtelement 12d umgeben. Die Durchgangsöffnungen 11a, 11'a, 11b, 11'b, 11c, 11'c, der aktive Bereich 18 und der Verteil- und Sammelbereich 20 bilden zusammen den medienführenden Innenbereich 21. Gemeinsam dichten die Dichtelemente 12a, 12'a und 12d den fluidführenden Bereich gegen den nicht-medienführenden Außenbereich 22 ab.
Im Außenbereich 22 sind beispielhaft drei Elemente 30, 31, 32 zur Einzelzellspannungsmessung (CVM) ausgebildet, die Kontaktstellen 37, 38, 39 bilden. Die beiden Elemente 30, 31 sind dabei als Aufnahme 30, 31 der Kontaktstellen 37, 38 in die Separatorplatten 2a, 2b eingeformt. Das Element 32 ist hingegen als über die angrenzende Außenkante 24 überstehendes Steckelement 32 der Kontaktstelle 39 ausgebildet.
3 bis 6 zeigen verschiedene CVM-Messstellen mit Kontaktstellen und Kontaktelementen, wie sie sowohl in Separatorplatten für Bipolarplatten als auch in Unipolarplatten ausgebildet sein können.
In 3A ist eine Schnittdarstellung einer Kontaktstelle 37 im Außenbereich 22 einer Bipolarplatte 2 vergleichbar der Kontaktstelle 37 aus 2 dargestellt. Wiederum sind beide Separatorplatten 2a, 2b der Bipolarplatte 2 in ihrem Außenbereich sickenartig voneinander weg umgeformt und spannen damit eine Aufnahme 30 auf. In dieser Aufnahme 30 ist ein Steckelement 54 eines Kontaktelements 52 einer hier in Kabelform angedeuteten Übertragungseinrichtung 50 aufgenommen. 3B zeigt einen Schnitt senkrecht zum Schnitt der 3A, hier ist wie in 2 neben der Aufnahme 30 eine zweite Aufnahme 31 vorhanden. Im Ausführungsbeispiel der 3A und 3B ist das Steckelement 52 mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet.
4 zeigt in 4A und 4B vergleichbare Schnittdarstellungen einer Kontaktstelle 37 mit einem darin aufgenommenen Steckelement 54 wie 3. Hier ist das Steckelement 54 mit einem ovalen Querschnitt ausgebildet, wie auch aus 4C ersichtlich.
5 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Kontaktstelle 37 einer Bipolarplatte 2 und ein Kontaktelement 52 einer Übertragungseinrichtung 50. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der 3A und 3B dadurch, dass in der oberen Separatorplatte 2a im Bereich der Aufnahme 30 eine stegförmige Prägung 34 ausgebildet ist, die in eine Nut 55 auf der Oberseite des rechteckigen Steckelements 54 des Kontaktelements 52 eingreift und so bereits eine Verbesserung der mechanischen Verbindung zwischen Kontaktelement 52 und Kontaktstelle 37 bewirkt.
6 zeigt ebenfalls eine Schnittdarstellung durch eine Kontaktstelle 37 einer Bipolarplatte 2 und ein Kontaktelement 52 einer Übertragungseinrichtung 50. Verglichen mit dem Ausführungsbeispiel der 5 ist in der Separatorplatte 2 nunmehr keine Prägung, sondern eine Arretierungslasche 33 vorgesehen, die in eine um die Oberfläche des runden Kontaktelements 52 umlaufende Nut 56 eingreift. Auch dies bewirkt verglichen mit dem Ausführungsbespiel der 4A und 4B eine Verbesserung der mechanischen Verbindung zwischen Kontaktelement 52 und Kontaktstelle 37.
In 7A ist eine Draufsicht auf eine Übertragungseinrichtung 50 mit sechs Kontaktelementen 51a-51f gezeigt. Die Kontaktelemente 51a-51f sind dabei jeweils als Aufnahmen 53a-53f ausgebildet. Die Übertragungseinrichtung kann einen Rahmen 59 aus einem elektrisch isolierenden Polymermaterial aufweisen, in dem die eigentlichen Aufnahmen 53a-53f aufgenommen sind. 7B zeigt eine Schnittdarstellung der Übertragungseinrichtung aus 7A mit drei darin aufgenommenen Steckelementen 32a-32c der Kontaktstellen 39a-39c von Separatorplatten. Die Draufsicht auf ein derartiges Steckelement 32 ist in 7C gezeigt, dabei wird auch deutlich, wie sich das Steckelement 32 aus dem Außenrand 24 einer Separatorplatte 2a einer Bipolarplatte fortsetzt. In 7B ist nicht-maßstäblich gezeigt, dass ein Steckelement 32a, 32b nur in einer einzigen Platte 2b, 2a ausgebildet sein kann oder aber auch - wie das Steckelement 32c aus Fortsätzen beider Platten 2a, 2b einer Bipolarplatte gebildet werden kann.
8 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts eines elektrochemischen Systems ähnlich dem in 1 gezeigten. Hier ist - anders als in 1 - auch die Stromabnehmerplatte 300 zwischen der Endplatte 3 und der Unipolarplatte 200 sichtbar, ebenso wie der Rücksprung 320 in der Endplatte 3, in dem die Stromabnehmerplatte 300 aufgenommen werden kann. Zwischen der Unipolarplatte 200, die hier vereinfacht unstrukturiert dargestellt ist, aber dennoch wie eine Separatorplatte einer Bipolarplatte Prägungen aufweisen kann, und der Stromabnehmerplatte 300, kann eine Kontaktschicht 250 aufgenommen sein, die beispielsweise vergleichbar einer Gasdiffusionslage aus einem Metall- oder Graphitfasermaterial bestehen kann. In einer ersten Betrachtungsweise wirkt hier die Oberfläche der Unipolarplatte 200 als Kontaktstelle 38 und die Oberfläche der Stromabnehmerplatte 300 als Kontaktelement 57, in einer zweiten Betrachtungsweise wirkt die Oberfläche der Stromabnehmerplatte 300 als Kontaktstelle 38 und die Oberfläche der Unipolarplatte 200 als Kontaktelement 57.
Gemäß der Erfindung weisen die Separatorplatten 2a, 2b einer Bipolarplatte 2 und/oder die Unipolarplatte 200, 201 als weitere Separatorplatte und/oder die Stromabnehmerplatte 300 und/oder das Kontaktelement 51, 52, 57 und/oder die Übertragungseinrichtung 50, zusammengefasst ein „Gegenstand“ 60 zumindest bereichsweise einen laseroberflächenbehandelten Bereich 41 auf, in dem periodische Oberflächenstrukturen 40 mit einer mittleren räumlichen Periode von kleiner als 10 µm ausgebildet sind. Die Oberflächenstrukturen 40 sind also zumindest abschnittsweise in periodischen Abständen angeordnet. Die periodischen Oberflächenstrukturen 40 sind durch Bestrahlung mittels eines Ultrakurzpulslasers auf der Oberfläche der Separatorplatte 2a, 2b entstanden. Insbesondere kann/können ein zusammenhängender Bereich oder mehrere zusammenhängende Bereiche der Separatorplatte 2a, 2b die periodischen Oberflächenstrukturen 40 aufweisen. Die periodischen Oberflächenstrukturen 40 sollen im Folgenden anhand der 9A bis 10 und 12A bis 12E weiter erläutert werden.
Die 9A, 9B und 10 zeigen stark vergrößerte Aufnahmen von periodischen Oberflächenstrukturen 40, welche auf der Oberfläche eines Metallblechs, wie eines Edelstahlblechs, durch eine Laseroberflächenbehandlung ausgebildet sind und dort mindestens einen laseroberflächenbehandelten Bereich 41 bilden. Die vergrößerten Ausschnitte können Ausschnitte von Oberflächen einer Separatorplatte 2a, 2b, 200, 201, einer Stromabnehmerplatte 300, eines Kontaktelements 52, einer Übertragungseinrichtung 50 oder eines Metallblechs für einen solchen Gegenstand 60 darstellen. Das Edelstahlblech kann durch Prägen, Hydroformen oder Tiefziehen und ggf. Stanzen zu dem Gegenstand 60 geformt werden. Alternativ wird zunächst der Gegenstand 60 durch Prägen, Hydroformen oder Tiefziehen und ggf. Stanzen ausgebildet und anschließend mit den periodischen Oberflächenstrukturen 40 versehen. Ebenso ist es möglich, die Oberflächenstrukturierung zwischen zwei mechanischen Bearbeitungsschritten mittels Bestrahlung mit Laserstrahlung auf die Oberfläche auf- bzw. einzubringen.
Während es für ein Kontaktelement 52 mit rechteckigem oder im Wesentlichen rechteckigem Steckelement 54 bevorzugt ist, wenn die periodischen Oberflächenstrukturen 40 zumindest auf zwei Seiten, insbesondere einer Ober- und einer Unterseite vorhanden ist, ist es für die Platten 2a, 2b, 200, 201, 300 hingegen meist ausreichend, wenn die periodischen Oberflächenstrukturen 40 nur auf einer Oberfläche vorhanden ist. Grundsätzlich können die Gegenstände 60 zumindest abschnittsweise ein- und/oder beidseitig mit den periodischen Oberflächenstrukturen 40 versehen sein. Bei einem Steckelement 54 mit rundem oder ovalem Querschnitt ist es auch möglich, dieses umlaufend mit den periodischen Oberflächenstrukturen 40 zu versehen.
Wie aus den 9A bis 10 und 12A bis 12E erkennbar, umfassen die periodischen Oberflächenstrukturen 40 (nachstehend auch Oberflächenstrukturen 40) vorzugsweise eine Vielzahl von Vertiefungen 42 und Erhebungen 44. Die Vertiefungen 42 verlaufen zwischen den Erhebungen 44 und sind durch diese begrenzt und/oder gebildet. Die Oberflächenstrukturen 40 sind in zumindest einer Raumrichtung x, y periodisch zueinander angeordnet. So können die Oberflächenstrukturen 40 entlang ihrer Längsrichtung zueinander ausgerichtet sein. Zum Beispiel verlaufen die Oberflächenstrukturen 40, d.h. die Vertiefungen 42 und die Erhebungen 44, im Wesentlichen parallel zueinander. Die Oberflächenstrukturen 40 sind insbesondere parallel nebeneinander und/oder nacheinander angeordnet. Zum Beispiel ist in 12B, 12C zu erkennen, dass die Oberflächenstrukturen 40 parallel nebeneinander angeordnet sind, also senkrecht zur Längsrichtung der Oberflächenstrukturen. Des Weiteren ist in der 10 angedeutet, dass Oberflächenstrukturen 40 sowohl parallel hintereinander (in Längsrichtung nacheinander) als auch parallel nebeneinander angeordnet sein können. Derartige Oberflächenstrukturen 40 sind ebenfalls in 12A und 12E erkennbar.
Die Oberflächenstrukturen 40 können sich entlang ihrer Längsrichtung zum Beispiel wellenförmig oder linienförmig erstrecken. Ein Beispiel einer wellenförmigen Erstreckung der Oberflächenstrukturen 40 ist in den 12B und 12C angedeutet.
In der 12D sind eine Tiefe t, eine Breite b und eine Periode Px der Oberflächenstrukturen, insbesondere der Vertiefungen 42, angedeutet. Die Oberflächenstrukturen 40 können eine Tiefe t von minimal 8 nm, bevorzugt minimal 50 nm und/oder maximal 3 µm, bevorzugt maximal 1 µm, insbesondere maximal 500 nm und/oder maximal 300 nm und/oder maximal 250 nm aufweisen. Im vorliegenden Beispiel beträgt sie z.B. t = 0,4 µm oder t = 100 nm. In einem Ausführungsbeispiel haben die Oberflächenstrukturen 40 eine Breite b auf halber Höhe von minimal 0,1 µm und/oder maximal 2 µm. Im vorliegenden Beispiel beträgt sie b = 0,45 µm. Außerdem können die Oberflächenstrukturen 40 eine Periode Px in einer Raumrichtung x von minimal 0,3 µm und/oder maximal 3 µm aufweisen. Im vorliegenden Beispiel beträgt sie 1 µm. Die Periode Px bezeichnet in der 12D den lateralen Abstand zwischen zwei benachbarten Erhebungen 44.
In der 12E haben die Oberflächenstrukturen 40 eine Länge l von 5 µm in einer Raumrichtung y. Die Oberflächenstrukturen sind parallel hintereinander angeordnet mit einer Periode Py von 5 µm.
Wegen der Oberflächenstrukturen 40 hat die Oberfläche des Gegenstands 60 chemische und/oder elektrische Eigenschaften, die sich von Bereichen des Gegenstands 60 ohne Oberflächenstrukturen 40 unterscheiden. Durch die Oberflächenstrukturen 40 kann zum Beispiel ein Sauerstoffanteil des Oberflächenmaterials des Gegenstands 60 im Bereich der periodischen Oberflächenstrukturen 40 größer sein als außerhalb der periodischen Oberflächenstrukturen 40.
11A und 11B zeigen am Beispiel zweier Aufnahmen 30, wie die Oberflächen von Separatorplatten im Bereich einer Kontaktstelle 37 mit den periodischen Oberflächenstrukturen 40 versehen sein können. Diese können beispielsweise wie im Beispiel der 11A nur auf der im Wesentlichen parallel zur Plattenebene E verlaufenden Grundfläche 30a der Aufnahme 30 vorgesehen sein. Sie können jedoch beispielsweise auch zusätzlich wie im Beispiel der 11B an den schräg zur Plattenebene E verlaufenden Seitenwänden 30b, 30c der Aufnahme vorgesehen sein.
In 3A und 3B sind zur Verbesserung der Leitfähigkeit vergleichbare Oberflächenstrukturen 40' und 40" auf den Grundflächen 30a der Aufnahmen 30 und 31 vorgesehen wie im Beispiel der 11A.
In 4A bis 4C sind die Oberflächenstrukturen 40 hingegen umlaufend um ein Steckelement 54 eines Kontaktelements 52 ausgebildet, während die Aufnahmen 30, 31 ohne eine entsprechende Laseroberflächenstruktur gefertigt sind.
Im Ausführungsbeispiel der 5 ist nur auf der Grundfläche 30a der Aufnahme 30 der Separatorplatte 2b eine Oberflächenstruktur 40 ausgebildet. Durch das Anpressen des Kontaktelements 52 auf diese Grundfläche 30a mittels der Arretierungsprägung 34 wird so ein gute Spannungsübertragung von der Separatorplatte 2 auf die Übertragungseinrichtung 50 erreicht.
6 weist hingegen auf der gesamten Innenseite der Aufnahme 30 der Separatorplatte 2b die Oberflächenstruktur 40 auf, nicht aber auf der der Separatorplatte 2a. Auch hier ergibt sich in Ergänzung zur Verbesserung durch die Arretierungslasche 33 über die Oberflächenstruktur 40 eine Verbesserung der Spannungsübertragung verglichen zu einer analogen Anordnung ohne eine derartige Laserbehandlung.
7A bis 7C zeigen anhand einer Übertragungseinrichtung 50 verschiedene Ausgestaltungen von CVM-Messstellen mit Steckelementen 32 der Kontaktstellen 39 und Aufnahmen 53 des Kontaktelements 51. Üblicherweise weist eine Übertragungseinrichtung 50 nur identische Aufnahmen auf, die verschiedenen Ausführungsformen sind hier zur Illustration in einer Übertragungseinrichtung kombiniert. Die Aufnahmen 53a, 53c und 53f sind auf ihrer gesamten Oberfläche mit einer Oberflächenstruktur 40 versehen, die in den Aufnahmen 53a und 53c aufgenommenen Steckelemente 32a und 32c sind hingegen ohne Oberflächenstruktur ausgebildet. Die Aufnahme 53b ist - ebenso wie die Aufnahme 53d - hingegen frei von einer Oberflächenstruktur, nimmt aber ein Steckelement 32b auf, das auf Ober- und Unterseite mit einer Oberflächenstruktur 40 versehen ist. Die Aufnahme 53e weist nur an ihren Seitenflächen 53' eine Oberflächenstruktur 40 auf. Die Draufsicht der 7C zeigt ein Steckelement 32 vergleichbar dem Steckelement 32b. Bei diesem Steckelement 32 wird deutlich, dass ein Gegenstand 60 mehrere, beispielsweise zueinander beabstandet angeordnete laseroberflächenbehandelte Bereiche 41, 41* aufweisen kann und die jeweiligen Oberflächenstrukturen 40, 40* beispielsweise gegeneinander phasenverschoben sein können.
8 zeigt eine Stromabnahmeplatte 300, eine Unipolarplatte 200 und eine dazwischen angeordnete optionale Kontaktschicht 250. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Unipolarplatte 200 als Glattplatte ausgeführt, sie kann aber auch Prägungen und durch die Prägungen gebildete Kanäle aufweisen, in diesem Fall liegen die Stege zwischen den Kanälen an der Stromabnehmerplatte 300 direkt oder indirekt an, während im dargestellten Ausführungsbeispiel eine vollflächige Anlage über die gesamte Erstreckung der Stromabnahmeplatte 300 gegeben ist. Hier sind sowohl die Unipolarplatte 200 als auch die Stromabnehmerplatte 300 auf den einander zugewandten Oberflächen über die Erstreckung der Fläche der Stromabnahmeplatte 300 jeweils mit einer Oberflächenstruktur 40' bzw. 40" versehen. Es wäre jedoch auch möglich, dass nur eine Oberfläche, entweder die der Stromabnahmeplatte 300 oder die der Unipolarplatte 200, mit einer solchen Oberflächenstruktur 40' bzw. 40" versehen ist.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands 60 für ein elektrochemisches System 1 offenbart. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung einer der oben beschriebenen Platten 2a, 2b, 200, 201 und 300 und eines Kontaktelements 51, 52, 57.
Das Verfahren zeichnet sich durch eine Laserbehandlung mit einem in 13 und 14A gezeigten Laser 100 aus. 14B stellt einige bevorzugte Bestandteile des Lasers 100 dar, nämlich einen Laserkopf 101, einen ersten Spiegel 102, einen zweiten Spiegel 103, eine λ/2 Platte 104, einen Polarisator, insbesondere einen linearen Polarisator, 105, einen Strahlteiler 106, einen Verschluss 107 sowie eine Linse 108. Selbstverständlich ist auch ein anderer Aufbau des Lasers 100 möglich.
Für das Verfahren wird insbesondere ein gepulster Laser 100 verwendet, wobei jeder Puls eine Pulsdauer von weniger als 1 ns, vorzugsweise weniger als 100 ps hat. Der Laser 100 kann also insbesondere ein Pikosekundenlaser (Pulsdauer kürzer als 1 ns und größer-gleich 1 ps) oder ein Femtosekundenlaser (Pulse kürzer als 1 ps, insbesondere kürzer als 500 fs und/oder größer-gleich 30 fs) sein. Der Laser 100 erzeugt vorzugsweise linear polarisierte Laserstrahlung. Ein Strahldurchmesser oder eine kleinste laterale Ausdehnung des Lasers parallel zur Oberfläche der Platte 2a, 2b, 200, 201 und 300 z.B. mindestens 20 µm und/oder höchstens 2 mm sein, im gezeigten Beispiel etwa 60 µm. Die vom Laser 100 erzeugte Wellenlänge λ liegt beispielsweise zwischen 200 nm und 2000 nm, vorzugsweise zwischen 400 nm und 1500 nm. Übliche Wellenlängen sind z.B. 700 bis 1000 nm entsprechend einem Ti:Saphir-Lasersystem; 1064 nm (Grundwellenlänge) oder 532 nm, 355 nm oder 266 nm (Frequenzvervielfachung) entsprechend einem Nd:YAG-Lasersystem. Eine Fluenz des Lasers sollte in Abhängigkeit des Materials der Platte 2a, 2b, 200, 201 und 300 werden und kann z.B. wenigstens 0,1 und/oder höchstens 10,0 J/cm² betragen. Die Wiederholfrequenz des Lasers kann z.B. wenigstens 10 Hz, vorzugsweise wenigstens 1 kHz und/oder höchstens 1000 kHz, vorzugsweise höchstens 20 kHz betragen.
Höhm 2014 umfasst eine detaillierte Beschreibung der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit Material zur Erzeugung von periodischen Oberflächenstrukturen 40, wobei in Höhm 2014 auch vorteilhafte Kombinationen von Laserparametern veröffentlicht sind. Aus diesem Grund wird hier auf eine weitere Beschreibung verzichtet.
Das Verfahren umfasst in einer ersten Variante zumindest folgende Schritte:

Verfahren zur Herstellung einer Platte 2a, 2b, 200, 201 und 300 für ein elektrochemisches, medienführendes System 1, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen einer Platte 2a, 2b, 200, 201 und 300 mit mindestens einer als Spannungsabnahmestelle und/oder einer als Stromabnahmestelle ausgestalteten Kontaktstelle 37, 38, 39 welche in einem nicht-medienführenden Bereich 22 der Platte angeordnet ist,
- - Bestrahlen der Kontaktstelle 37, 38, 39 mittels eines gepulsten Lasers, wobei eine Pulsdauer der Laserpulse kleiner als 1 ns, vorzugsweise kleiner als 100 ps, vorzugsweise kleiner als 50 ps ist,
- - Erzeugen von periodischen Oberflächenstrukturen 40 auf der Kontaktstelle 37, 38, 39 durch die Laserstrahlung.

In einer zweiten Variante umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte:

Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelements 51, 52, 57 zum mechanischen und elektrischen Verbinden mit einer Kontaktstelle 37, 38, 39 einer Platte 2a, 2b, 200, 201 und 300 eines elektrochemischen Systems 1, das Verfahren umfassend die Schritte:
- - Bestrahlen des Kontaktelements 51, 52, 57 mittels eines gepulsten Lasers, wobei eine Pulsdauer der Laserpulse kleiner als 1 ns, vorzugsweise kleiner als 100 ps, vorzugsweise kleiner als 50 ps ist,
- - Erzeugen von periodischen Oberflächenstrukturen 40 auf dem Kontaktelement 51, 52, 57 durch die Laserstrahlung.

Bei dieser zweiten Variante ist es, insbesondere bei Verwendung eines rotationssymmetrischen Steckelements 54 des Kontaktelements 52 vorteilhaft, wenn beim Bestrahlen nicht nur der Laserstrahl bewegt wird, sondern auch das rotationssymmetrische Steckelements 54 bewegt wird, insbesondere um seine Rotationsachse gedreht wird.
Bereits vor dem Auftreffen des nächsten Laserpulses auf die Oberfläche der Platte 2a, 2b, 200, 201 oder 300 bzw. Kontaktelements 51, 52, 57 ist die Erzeugung dieser Vielzahl von periodischen Oberflächenstrukturen 40 abgeschlossen. Pro Laserpuls können zum Beispiel mindestens 10 oder mindestens 20 Oberflächenstrukturen, insbesondere Grabenstrukturen, erzeugt werden. Typischerweise werden die Oberflächenstrukturen 40 senkrecht zu der linearen Polarisationsrichtung der einfallenden Laserstrahlung ausgerichtet. Der Laser 100 kann also derart auf eine Oberfläche der Platte 2a, 2b, 200, 201 oder 300 bzw. des Kontaktelements 51, 52, 57 gerichtet werden, dass Oberflächenstrukturen 40 mit einer gewünschten Ausrichtung entstehen. Dies gilt insbesondere für die Kernbereiche des bestrahlten Bereichs. Beim Auftreffen des Laserpulses auf die Oberfläche der Platte 2a, 2b, 200, 201 oder 300 bzw. des Kontaktelements 51, 52, 57 interferiert die einfallende Laserstrahlung mit einer durch den Laserpuls erzeugten elektromagnetischen Oberflächenwelle im Oberflächenmaterial der Platte 2a, 2b, 200, 201 oder 300 bzw. des Kontaktelements 51, 52, 57. Diese Wechselwirkung hat zur Folge, dass sich die periodischen Oberflächenstrukturen 40 ausbilden.
Eine mittlere räumliche Periode Px der Oberflächenstrukturen 40 hängt in der Regel von der Wellenlänge λ des Lasers 100 ab. Für Metalle (Metallblech, Edelstahlblech) gilt hierbei näherungsweise, dass die Periode P in der Größenordnung der Wellenlänge λ liegt. Beispielsweise beträgt die mittlere räumliche Periode P der Oberflächenstrukturen 40 wenigstens 2%, vorzugsweise wenigstens 5%, insbesondere wenigstens 20% und/oder höchstens 200%, vorzugsweise höchstens 120% der verwendeten Laserwellenlänge.
Für die Erzeugung der Oberflächenstrukturen 40 reicht ein einziger Laserstrahl im Prinzip aus. Dieser Laserstrahl kann dann die zu behandelnde Oberfläche der Platte 2a, 2b, 200, 201 oder 300 bzw. des Kontaktelements 51, 52, 57 abtasten. Hierbei wird die genannte Vielzahl der periodischen Oberflächenstrukturen mit jedem einzelnen Laserpuls innerhalb einer räumlichen Projektion der Laserstrahlung auf die Platte 2a, 2b, 200, 201 oder 300 bzw. des Kontaktelements 51, 52, 57 erzeugt. Das Verfahren kann beschleunigt werden, wenn durch mindestens zwei Laserstrahlen ein Interferenzmuster oder Beugungsmuster gebildet wird, und die Oberfläche mit dem Interferenzmuster abgetastet wird, um die Oberflächenstrukturen 40 zu erzeugen. Vorzugsweise wird hierzu ein linear polarisierter Laserstrahl des Lasers 100 über den Strahlteiler 106 geteilt. Die hierdurch erzeugten beiden linear polarisierten Teilstrahlen werden dann zur Bildung des Interferenzmusters genutzt. Das verwendete Interferenzmuster der Laserstrahlen dient nur dazu, die abgetastete Fläche zu vergrößern, und hat keinen direkten Einfluss auf die Periodizität von benachbarten Oberflächenstrukturen 40. Insofern weicht die räumliche Periode der Oberflächenstrukturen 40 von der räumlichen Periode des Interferenzmusters oder des Beugungsmusters ab und ist in der Regel deutlich kleiner, z.B. 10-mal kleiner. Allerdings haben Vergleichsmessungen gezeigt, dass mittels dieser beschleunigt aufgebrachten Oberflächenstrukturierung der Durchgangswiderstand nicht in dem Maße reduziert werden kann als mittels nur eines einzigen Laserstrahls. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Strichlaser (auch Linienlaser genannt) verwendet werden, wobei dessen Laserstrich vorzugsweise eine Breite von mindestens 20 µm aufweist.
15 stellt die Ergebnisse von Widerstandsmessungen an der Übergangsstelle zweier Edelstahlbleche, beispielsweise einer Kontaktstelle 32 und eines Kontaktelements 52 dar, vergleichbar der Situation an einer CVM-Messstelle. Dabei weisen die Edelstahlbleche keine („blank“) oder verschiedene Oberflächenstrukturierungen oder Beschichtungen auf. Es ist dabei augenfällig, dass die beiden Kombinationen, an denen ein blankes Edelstahlblech beteiligt ist, den höchsten Kontaktwiderstand aufweisen. Die Kontaktwiderstände von laseroberflächenbehandelten Edelstahlblechen untereinander oder zwischen laseroberflächenbehandelten Edelstahlblechen und goldbeschichteten Edelstahlblechen sind - insbesondere bei höheren Flächenpressungen - näherungsweise gleich bei deutlich geringeren Herstellkosten der laseroberflächenbehandelten Edelstahlbleche.
16 zeigt die Ergebnisse von Widerstandsmessungen an der Übergangsstelle zweier Edelstahlbleche mit dazwischen angeordnetem Kohlenstoffvließ 250, beispielsweise einer Kontaktstelle 38 und eines Kontaktelements 57, vergleichbar der Situation zwischen einer Unipolarplatte 200 und einer Stromabnehmerplatte 300. Dabei weisen die Edelstahlbleche keine („blank“) oder verschiedene mittels Laserbehandlung eingebrachte Oberflächenstrukturen auf. Die Paarung zweier blanker Edelstahlbleche führt zu einem sehr hohen Kontaktwiderstand, während bei Kombination eines blanken Edelstahlblechs mit einem laseroberflächenbehandelten Edelstahlblech bereits deutlich niedrigere Kontaktwiderstände gemessen werden. Die niedrigsten Kontaktwiderstände werden bei Kombination zweier laseroberflächenbehandelter Edelstahlbleche erzielt.
Die in den 15 und 16 dargestellten Ergebnisse von Widerstandsmessungen zeigen, dass sowohl für eine Spannungsmessstelle als auch für eine Stromabnahmestelle bei Laseroberflächenbehandlung der Kontaktstelle 37, 38, 39 und/oder des Kontaktelements 51, 52, 57 ein verringerter Kontaktwiderstand und eine verbesserte Leitfähigkeit an der Kontaktfläche gegenüber der Verwendung unbehandelter Blechoberflächen erzielt werden.

Claims

Platte (2a, 2b, 200, 201, 300) für ein elektrochemisches, medienführendes System (1), insbesondere eine Separatorplatte (2a, 2b, 200, 201) oder eine Stromabnehmerplatte (300), umfassend mindestens eine als Spannungsabnahmestelle und/oder eine als Stromabnahmestelle ausgestaltete Kontaktstelle (37, 38, 39), wobei die Kontaktstelle (37, 38, 39) einen laseroberflächenbehandelten Bereich (41) aufweist und in einem nicht-medienführenden Bereich (22) der Platte angeordnet ist.
Platte (2a, 2b, 200, 201, 300) nach dem vorstehenden Anspruch, insbesondere Separatorplatte (2a, 2b, 200, 201), die Platte aufweisend: - einen medienführenden Innenbereich (21), - einen nicht-medienführenden Außenbereich (22) und - mindestens ein Dichtelement (12a, 12d), welches den medienführenden Innenbereich (21) gegenüber dem nicht-medienführenden Außenbereich (22) abdichtet, wobei die Kontaktstelle (37, 38, 39) in dem Außenbereich (22) vorgesehen ist.
Platte (2a, 2b, 200, 201, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kontaktstelle (37, 38, 39) zum elektrischen und mechanischen, insbesondere kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen, Verbinden mit einer Übertragungseinrichtung (50) ausgestaltet ist.
Platte (2a, 2b, 200, 201, 300) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Kontaktstelle (37) eine Aufnahme (30, 31) für ein Steckelement (54) der Übertragungseinrichtung (50) oder ein Steckelement (32) für eine Aufnahme (53) des Kontaktelements (51) der Übertragungseinrichtung (50) bildet.
Platte (2a, 2b, 200, 201, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere Stromabnehmerplatte (300) oder Unipolarplatte (200, 201), wobei die Kontaktstelle (39) als flacher, insbesondere im Wesentlichen ebener, Bereich ausgestaltet ist, welcher sich zumindest abschnittsweise, insbesondere vollflächig, entlang einer Flachseite der Platte (2a, 2b, 200, 201, 300) erstreckt.
Kontaktelement (51, 52, 57) zum elektrischen und mechanischen, insbesondere kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen, Verbinden mit einer Kontaktstelle (37, 38, 39) einer Platte (2a, 2b, 200, 201, 300) eines elektrochemischen Systems (1), insbesondere der Platte (2a, 2b, 200, 201, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (51, 52) einen laseroberflächenbehandelten Bereich (41) aufweist.
Kontaktelement (51, 52) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Kontaktelement (51, 52) als Steckelement (54) für eine Aufnahme (30, 31) der Kontaktstelle (37) der Platte (2a, 2b, 200, 201) oder als Aufnahme (53) für ein Steckelement (32) der Platte (2a, 2b, 200, 201) ausgestaltet ist.
Übertragungseinrichtung (50) zur Verwendung beim Messen einer elektrischen Spannung und/oder beim Weiterleiten eines elektrischen Stroms zumindest eines Teilbereichs eines elektrochemischen Systems (1), umfassend das Kontaktelement (51, 52) nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche.
Gegenstand (60) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der laseroberflächenbehandelte Bereich (41) periodische Oberflächenstrukturen (40) mit einer mittleren räumlichen Periode von kleiner als 10 µm aufweist.
Gegenstand (60) nach Anspruch 9, wobei die Oberflächenstrukturen (40) Vertiefungen (42) aufweisen, welche im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Gegenstand (60) nach Anspruch 10, wobei die Vertiefungen (42) eine Tiefe (t) von minimal 8 nm, bevorzugt minimal 50 nm und/oder maximal 0,5 µm, bevorzugt maximal 0,25 µm und/oder eine Breite (b) von minimal 0,1 µm und/oder maximal 2 µm und/oder eine Periode (Px, Py) in einer Raumrichtung (x, y) von minimal 0,3 µm und/oder maximal 3 µm, bevorzugt maximal 1,5 µm aufweisen.
Gegenstand (60) nach einem der Ansprüche 9-11, wobei die Oberflächenstrukturen (40) zumindest in einer Raumrichtung (x, y) zumindest abschnittsweise periodisch zueinander angeordnet sind.
Gegenstand (60) nach einem der Ansprüche 9-12, wobei eine elektrische Leitfähigkeit im laseroberflächenbehandelten Bereich (41) größer ist als außerhalb des laseroberflächenbehandelten Bereichs.
Elektrochemisches System (1), umfassend mindestens einen Gegenstand (60) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Elektrochemisches System (1) nach dem vorstehenden Anspruch, umfassend eine Vielzahl von gestapelten Separatorplatten (2a, 2b), welche zwischen einer ersten Stromabnehmerplatte (200) und einer zweiten Stromabnehmerplatte (201) angeordnet sind.
Elektrochemisches System (1) nach dem vorstehenden Anspruch, umfassend eine Übertragungseinrichtung (50) nach Anspruch 8.