WO2020187538A1 - Semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell, bipolar plate, fuel cells, and methods for producing a semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell and a bipolar plate of a fuel cell - Google Patents

Semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell, bipolar plate, fuel cells, and methods for producing a semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell and a bipolar plate of a fuel cell Download PDF

Info

Publication number
WO2020187538A1
WO2020187538A1 PCT/EP2020/054983 EP2020054983W WO2020187538A1 WO 2020187538 A1 WO2020187538 A1 WO 2020187538A1 EP 2020054983 W EP2020054983 W EP 2020054983W WO 2020187538 A1 WO2020187538 A1 WO 2020187538A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
material layer
layer
semi
fuel cell
bipolar plate
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/054983
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Leonore Glanz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2020187538A1 publication Critical patent/WO2020187538A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0213—Gas-impermeable carbon-containing materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0221—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0226—Composites in the form of mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell according to the preamble of independent claim 1, a bipolar plate according to independent claim 6, a fuel cell according to independent claim 7 and a method for producing a semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell according to independent claim 8 .
  • a fuel cell is an electrochemical cell that converts the chemical energy of a fuel into electricity through an electrochemical reaction.
  • the type of fuel cell is the proton exchange membrane fuel cell (proton exchange membrane, PEM fuel cell).
  • PEM fuel cell proton exchange membrane
  • membranes, electrodes and a catalytic converter there are also so-called
  • Bipolar plates provided. 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.
  • the bipolar plates have a distributor structure which guide fluids containing educt along the electrodes.
  • the distributor structures serve to create a cooling fluid along the other To lead distribution structures. These distributor structures are designed as channels, whereby the different fluids can be guided.
  • Bipolar plates are made of composite materials or metal substrates and are exposed to harsh conditions during fuel cell operation, which can lead to corrosion phenomena. Corrosion processes limit the performance and service life of fuel cells and must therefore be avoided or controlled. Carbon or certain
  • Carbon composites have a high chemical resistance and are therefore well suited as long-term stable bipolar plate material.
  • Metallic bipolar plates can be made very thin-walled and flexible, but require appropriate corrosion protection depending on the base material.
  • suitable coatings also involves the risk of increased contact and volume resistance.
  • the publication DE 10 2007 038 171 A1 discloses a bipolar plate which comprises metal plates and graphite-containing / conductive carbon layers applied to the metal plates.
  • the present invention shows a semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell according to the features of claim 1, a bipolar plate according to the features of claim 6, a fuel cell according to the features of claim 7 and a method for producing a
  • the present invention shows a semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell, the semifinished product being a first
  • Material layer and a second material layer comprises. Furthermore, the first material layer is arranged on the second material layer and the semifinished product has a fluid-conducting structure at least in some areas.
  • the material layer is a graphite-polymer layer which contains at least one electrically conductive carbon component and the second material layer comprises metal, the first layer for forming the graphite-polymer layer
  • Material layer additionally has at least one polymeric component.
  • the arrangement of the first material layer and the second material layer on one another is carried out, for example, by means of lamination. Further, in particular metallizing, methods such as vapor deposition, printing, electroplating or re-lamination are also conceivable. An arrangement of the first material layer on the second material layer by means of the further metallizing methods can take place before or after an embossing step of a method according to the invention. According to the invention, the second material layer can also be arranged on the first material layer.
  • the second material layer comprises metal, the second material layer being, for example, a metal layer, a metal foil, in particular a thin and / or perforated metal foil, a metal grid or a metal net.
  • the first material layer is a graphite polymer layer that is at least one electrically conductive
  • Electrically conductive carbon components are, for example, graphite, soot, graphene, carbon fibers, carbon nanotubes, etc., a graphitic surface of the first material layer, in particular on the anode and / or cathode side of a bipolar plate, causing particularly advantageous corrosion stability. Furthermore, the first
  • Material layer comprise a mixture of two or more carbon components, since this way, for example, the different body structures, the electrical, chemical, mechanical and thermal properties of the individual components can be used and one in particular advantageous electrical conductivity and / or thermal conductivity and / or corrosion stability and / or mechanical strength of the first material layer can be achieved.
  • Polymeric components are advantageous
  • Thermoplastics can, for example, polypropylene (PP),
  • the first material layer can particularly advantageously have two or more polymer components, since this makes it possible, for example, to utilize different body structures and thermal, plastic-processable properties.
  • a particularly advantageous thermoplastically processable graphite-polymer material composite can be used for the first material layer, for example by means of a compounding process, in particular a solvent-free one
  • the semifinished product can have a particularly high mechanical load, as can be seen on semifinished products or bipolar plates in one
  • Fuel cell stacks act, absorb and / or transfer. This ensures high mechanical stability of the semi-finished product.
  • the semifinished product can have both a particularly high mechanical strength with high flexibility at the same time, and also an extremely low weight. Due to the thermoplastic deformability of the graphite-polymer material composite, an extremely thin and light semi-finished product with a particularly high surface quality can also be produced. Due to the high surface quality,
  • Structural inaccuracies of semi-finished products can be reduced.
  • the semifinished product according to the invention also has a fluid-conducting structure at least in some areas.
  • the fluid-conducting structure in the semi-finished product can be used to supply fluids from an inactive area of the fuel cell to a Serve active area of the fuel cell.
  • the fluid-conducting structure has, in particular, a distributor structure that guides the fluids along electrodes of the fuel cell.
  • the fluid-conducting structures serve to guide a cooling fluid.
  • the fluid-conducting structure can be designed as channels, whereby the different fluids can be conducted.
  • the fluid-conducting structure in the active area can be designed in such a way that the fluids can react optimally with one another and the pressure drop in the active zone along the flow direction of the fluids is particularly low.
  • the fluid-conducting structure in the active zone of a fuel cell can
  • a receiving structure for receiving seals can be provided.
  • a conductive structure with a through opening from one side of a semi-finished product to the other, in particular opposite, side of the semi-finished product and / or from one side of a bipolar plate to the other, in particular opposite, side of a bipolar plate can be provided.
  • the first material layer has at least one additive from the additives listed below:
  • the first material layer can have one or more additive (s), each in a specific proportion, in order to achieve desired properties of the first material layer. Furthermore, the first material layer can contain the at least one additive at least in some areas in the first
  • the first material layer can for example have an additive in the entire first material layer or in regions, the region representing part of the first material layer.
  • the area can be an active zone or an inactive zone of the semifinished product.
  • the first material layer can have at least one additive on the surface, in particular on the surface of the side facing away from the second material layer and / or the surface on which the second material layer is arranged, and in particular can form its own layer.
  • the at least one additive can also be distributed homogeneously or not homogeneously in the first material layer.
  • the concentration of the additive can have a gradient in the first material layer.
  • a high chemical resistance and / or high media impermeability and / or high thermal conductivity and / or high electrical conductivity and / or high mechanical stability of a semifinished product can be obtained particularly advantageously and the longevity of the semifinished product can be ensured .
  • the first material layer can have at least one hydrophobing additive, in particular partially fluorinated substances such as PVDF, which can be used to increase the hydrophobicity of the graphite polymer layer.
  • at least one hydrophobing additive in particular partially fluorinated substances such as PVDF, which can be used to increase the hydrophobicity of the graphite polymer layer.
  • Material layer, which has metal, are kept away.
  • this can be advantageous on the anode and / or cathode side of a bipolar plate in an active area of the fuel cell.
  • air is known to be used as the fluid on the one hand, whereby the air can carry moisture with it, and on the other hand, a chemical reaction on the cathode side produces water as a product.
  • the at least one hydrophobing additive enables high chemical resistance and / or high media impermeability and / or high thermal resistance
  • Conductivity and / or high electrical conductivity and / or high mechanical stability of a semifinished product can be obtained particularly advantageously and / or the longevity of the semifinished product can be ensured.
  • the first material layer can also have at least one hydrophilizing layer
  • Additive in particular substances which introduce hydroxyl groups, such as
  • Polysulfonic acid derivatives and / or polyamide derivatives which can be used to increase the hydrophilicity of the graphite polymer layer.
  • a hydrophilic surface of the first material layer in particular the
  • the surface of the side facing away from the second material layer can be of particular advantage because this allows water to form a thin film of water in flow channels, which promotes channel water transport and advantageously prevents clogging of flow channels.
  • a membrane of a fuel cell can be kept moist, the internal resistance of the fuel cell low and the longevity of the membrane ensured.
  • the first material layer can also have at least one anti-corrosive additive, which can aim to increase the corrosion protection of the graphite polymer layer, resulting in high chemical resistance and / or high media impermeability and / or high thermal
  • Conductivity and / or high electrical conductivity and / or high mechanical stability of a semifinished product can be obtained particularly advantageously and the longevity of the semifinished product can be ensured.
  • the first material layer can also have at least one filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the filler body, for example
  • Strength of the first layer of material can be achieved. Furthermore, a low weight of the semifinished product can be achieved through the presence of fillers.
  • the first material layer can also comprise at least one crosslinking and / or plasticizing additive, in particular as an additive, whereby improved processability and / or subsequent hardening, in particular temperature-induced post-hardening, of the first material layer can be aimed at. This allows a particularly high strength of the first crosslinking and / or plasticizing additive, in particular as an additive, whereby improved processability and / or subsequent hardening, in particular temperature-induced post-hardening, of the first material layer can be aimed at. This allows a particularly high strength of the first crosslinking and / or plasticizing additive, in particular as an additive, whereby improved processability and / or subsequent hardening, in particular temperature-induced post-hardening, of the first material layer can be aimed at. This allows a particularly high strength of the first crosslinking and / or plasticizing additive, in particular as an additive, whereby improved processability and / or subsequent hardening, in particular temperature-induced post-hardening, of the first material layer can be aimed at. This allows
  • Material layer can be achieved, which can be of particular advantage in the case of a thin first material layer, since the removal of the first material layer, in particular a semi-finished product, from an embossing mold after an embossing step can be facilitated.
  • epoxy resins can be used as a crosslinking additive.
  • Polypropylene derivatives such as PP copolymers with rubber (EPDM) are conceivable as plasticizing additives.
  • the first material layer can also have at least one additive as an additive, in particular graphenes and / or carbon blacks with a high specific surface area, for improved contact resistance, in particular at interfaces.
  • An interface can be a surface of the first material layer on the side facing away from the second material layer and / or the surface of the first material layer, in particular on which the second material layer is arranged.
  • Material layer can migrate into the second material layer, whereby an increase in the performance of a fuel cell can be achieved.
  • a particularly advantageous embodiment of a semifinished product is that at least one further material layer is arranged between the first material layer and the second material layer.
  • the properties of a semi-finished product can be supplemented particularly advantageously by the at least one further material layer.
  • the at least one further material layer is arranged between the first material layer and the second material layer.
  • Material layer like the first material layer, can be a graphite polymer layer. All advantages and embodiments according to the invention for the first material layer can therefore also apply to the at least one further material layer.
  • the at least one further material layer can have the same additives as were already listed above for the first material layer.
  • the advantages of the additives that the first material layer can include can also apply to the at least one further material layer.
  • the at least one further material layer can have one or more additive (s) in each case in a specific proportion in order to achieve desired properties of the at least one further material layer.
  • the at least one further material layer can have the at least one additive at least in regions in the at least one further material layer, ie the at least one further material layer can, for example, have an additive in the entire at least one further material layer or in regions, the region representing part of the at least one further material layer.
  • the area can be an active zone or an inactive zone of the semifinished product.
  • the at least one further material layer can at least one additive on one
  • the at least one additive can also be distributed homogeneously or not homogeneously in the at least one further material layer.
  • the concentration of the additive can have a gradient in the at least one further material layer.
  • the at least one additive a high chemical resistance and / or high media impermeability and / or high thermal conductivity and / or high electrical conductivity and / or high mechanical stability of a semifinished product can be obtained particularly advantageously and the longevity of the semifinished product can be ensured .
  • the additive can be a
  • At least one further material layer can be an adhesion-promoting layer, in particular an adhesive, so that there is a particularly good adhesive connection between the first material layer and the second material layer.
  • a particularly advantageous embodiment of a semi-finished product is that the second material layer, which comprises metal, has at least one further material.
  • the second material layer can have the at least one further material at least regionally, ie the second material layer can for example have the further material in the entire second material layer or regionally, the region representing part of the second material layer.
  • the at least one further material can be distributed homogeneously or not homogeneously in the second material layer.
  • the concentration of the at least one further material can have a gradient in the second material layer.
  • the area can be an active zone or an inactive zone of the semifinished product.
  • the second material layer can contain the at least one further material on a surface, in particular on a surface that faces away from the first material layer Side and / or the surface on which the first material layer is arranged, and in particular form a separate layer in the form of a coating.
  • the one further material can be at least one crosslinking additive, such as epoxy resins, and / or at least one additive for improved contact resistance.
  • Joining together, for example by pressing together, by lamination and / or by gluing, in particular by thermally induced gluing, of a first semifinished product to a second semifinished product can be optimized particularly advantageously to form a bipolar plate according to the invention.
  • the bipolar plate When joined together, the bipolar plate can advantageously have mechanically stable and conductive, in particular thermally conductive and / or electrically conductive, properties.
  • the coating can be a carbon coating, the layer thickness of the carbon coating being 1 to 2 mm particularly advantageously.
  • the at least one further material can particularly advantageously have properties that reduce contact transition. As a result, an electrical and / or thermal contact transition resistance at interfaces of the second material layer can be reduced particularly advantageously.
  • the interface of the second material layer which has at least the one further material, can be a surface of the side facing away from the first material layer or a surface of the second material layer on which the first material layer is arranged.
  • electrons coming from the first material layer can particularly easily penetrate into the second material layer with the at least one further material.
  • electrons can particularly easily penetrate from the second material layer into the at least one further material, which is in particular in the form of a coating, on the side facing away from the first material layer.
  • a particularly favorable electron transport can thus be made possible.
  • heat coming from the first material layer can particularly easily penetrate into the second material layer with the at least one further material.
  • heat can be transferred particularly easily from the second material layer into the at least one further material, the
  • a particularly advantageous embodiment shows a semifinished product, the layer thickness of the first material layer 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm, in particular 350 mm, and the layer thickness of the second material layer 0.2 mm to 2 mm, in particular 0.3 mm to 50 mm.
  • Structured metal layers, in particular metal foils, grids or networks, are used as the second
  • a layer thickness of 5 mm to 50 mm is particularly favorable for this second material layer.
  • a material layer thickness of 0.3 mm to 5 mm is particularly advantageous.
  • the media tightness, the dissipation of heat, the mechanical strength, the chemical resistance, the corrosion resistance of the semifinished product and the absorption and / or transmission of mechanical contact forces in a fuel cell stack can be particularly favorable.
  • the layer thickness of the first or second material layer can be particularly thin, as a result of which a particularly flexible, light and low-material semi-finished product can be produced. This makes it possible to build a particularly compact, lightweight and inexpensive fuel cell.
  • a thin first and / or second material layer has the advantage that the electrical and / or thermal resistance of the semifinished product is kept low and, as a result, the electrical and / or thermal power loss over the semifinished product is kept particularly low. Heat dissipation by means of a cooling fluid is therefore particularly favorable.
  • the present invention also has a
  • Bipolar plate made of two semi-finished products, each of the semi-finished products being designed according to one of the described embodiments according to the first aspect of the invention.
  • the semifinished products are joined together in such a way that the second material layer of the first semifinished product and the second material layer of the second semifinished product are arranged next to one another and the respective second material layers contact each other to form cooling channels, in particular in the active zone.
  • the arrangement can for example by Pressing against one another, by lamination and / or by gluing, in particular by thermally induced gluing, of the first semifinished product to the second semifinished product can be carried out.
  • the semifinished products can advantageously have structures for the exact positioning of the first semifinished product on the second semifinished product, whereby it can be ensured that the cooling channels are formed according to the invention.
  • metallized cooling channels can be formed which allow a particularly advantageous thermal coupling of the cooling medium, whereby the removal of the heat generated in a fuel cell by means of a cooling fluid can be particularly favored. Furthermore, the arrangement of the two second material layers favors the media tightness, whereby a loss of fluids is reduced and thus a powerful fuel cell can be made possible. In the case of a bipolar plate in which at least one of the two second material layers has at least one further material,
  • the bipolar plate according to the second aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the semifinished product according to the first aspect of the invention.
  • the present invention provides a
  • Fuel cell having at least one electrolyte, at least two electrodes, at least two gas diffusion layers and at least two bipolar plates according to the second aspect of the invention.
  • the electrolyte can be a proton exchange membrane, for example, as in a PEM fuel cell.
  • a gas diffusion layer can for example be thermally arranged by lamination on a surface of a first material layer of a semifinished product according to the invention on the side facing away from the second material layer.
  • a gas diffusion layer, a catalyst, in particular a catalyst 3-phase boundary layer and a membrane, in particular a proton-conducting membrane can be attached to a surface of a first material layer of a semifinished product according to the invention of the second material layer be arranged away from the side.
  • a first material layer of a semifinished product can have at least one crosslinking additive and a surface of the side facing away from the second material layer can be in contact with a surface of a gas diffusion layer, with chemical bonds on the contact surface providing a particularly advantageous strong crosslinking and thus connection of the first material layer and of the
  • the crosslinking can have occurred by means of a thermally induced lamination step.
  • Networking can create a particularly stable bond on the contact surface and can also have a particularly structural reinforcement.
  • the fuel cell according to the third aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the semifinished product according to the first aspect of the invention or the bipolar plate according to the second aspect of the invention.
  • the fuel cell can also be understood as a fuel cell stack.
  • the object is achieved by a method for producing a semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell, having the following steps:
  • thermoplastically formable, conductive, in particular electrically conductive and / or thermally conductive, mechanically stable graphite-polymer material composite composed of at least one electrically conductive carbon component and at least one polymeric component
  • c2) providing a second material layer which comprises metal, arranging the second material layer on the first material layer to form a Layer composite and structuring of the layer composite for the production of the semi-finished product.
  • a structured semi-finished product can thus be produced from a first material layer and a second material layer comprising metal.
  • the at least one carbon component and the at least one polymeric component can be in the form of powder or granules, for example.
  • the at least one carbon component and the at least one polymeric component can be processed into a thermoplastically formable, conductive, mechanically stable graphite-polymer material composite using a compounding process, in particular a solvent-free compounding process.
  • the compounding allows advantageous mixing of
  • Components and an advantageous compacting take place.
  • Components according to the invention can be understood to be carbon components and / or polymeric components and / or additives.
  • Compounding method for example, a particularly homogeneous graphite-polymer material composite can be provided for the production of the first material layer.
  • step b) the graphite-polymer material composite can for example by means of extrusion and / or calendering or hot pressing to form a first
  • the first material layer in particular with a required layer thickness, are formed.
  • the first material layer can have a particularly advantageous media tightness and / or mechanical strength and / or chemical resistance and / or corrosion resistance and / or surface quality. Due to the high surface quality,
  • Surface geometries for guiding fluids are produced with a particularly low frictional resistance, whereby a pressure drop of a fluid along a flow direction of a fluid can be kept particularly advantageously low.
  • surface geometries, in particular riblets can be produced in the single-digit mm range with high structural accuracy, which results in a loss of power in a fuel cell
  • the first material layer is structured, for example, by embossing with an embossing plate using a press, in particular a jaw press, a roller or a calender.
  • the structure of the embossing plate determines the structure according to the invention.
  • the structuring can advantageously take place at an elevated temperature, since here in particular the first material layer can be shaped particularly favorably.
  • a second layer of material comprising metal is provided.
  • the second material layer is arranged on the first material layer to form a layer composite, for example using methods such as lamination, re-lamination, vapor deposition, printing or galvanic coating.
  • step c2) of the method for producing a semifinished product as an alternative to step cl), a second material layer comprising metal is provided and the second material layer is made into one with methods such as lamination, re-lamination, vapor deposition, printing or electroplating onto the first material layer Layer composite arranged.
  • the layer composite is structured, for example, by embossing with an embossing plate using a press, in particular a jaw press, a roller or a calender.
  • the structure of the embossing plate determines the structure according to the invention.
  • the structuring can advantageously take place at an elevated temperature, since here in particular the first material layer can be shaped particularly favorably.
  • the second material layer can have at least one further material.
  • the further material can be arranged in the form of a coating on the side facing away from the first material layer.
  • a semi-finished product can be manufactured particularly easily and inexpensively by pressing or calendering.
  • a semi-finished product can be manufactured particularly easily and inexpensively by pressing or calendering.
  • Method can be provided that at least one further material layer is provided and before or after the structuring of the first
  • the at least one further material layer is arranged between the first material layer and the second material layer.
  • An arrangement between the first material layer and the second material layer is to be understood to mean that the at least one further material layer can be arranged on the first material layer and the second material layer is then arranged.
  • the at least one further material layer can also first be arranged on the second material layer and then the first material layer is arranged.
  • the at least one further material layer can be arranged, for example, by pressing against one another, by lamination and / or by gluing, in particular by thermally induced gluing.
  • the at least one further material layer can be a graphite-polymer layer, like the first material layer, and the same additives as the first
  • Method steps and advantages that relate to the first material layer can thus also apply to the at least one further graphite polymer layer.
  • the at least one further material layer can be an adhesion-promoting layer, in particular an adhesive.
  • the properties of a semifinished product, in particular the first material layer can be supplemented particularly advantageously.
  • Material layers in particular the first material layer and / or the second material layer, is possible. This allows a semi-finished product to be created with several, at least three, layers, which are functional and
  • Design requirements of a fuel cell can be optimally adapted.
  • a particularly advantageous embodiment has in step b) that the graphite-polymer material composite is formed into a first material layer with a layer thickness of 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm, in particular 350 mm, and the layer thickness of the in step cl) or c2) to the second material layer arranged first material layer is 0.2 mm to 2 mm, in particular 0.3 mm to 50 mm. If structured metal layers, in particular metal foils, grids or networks, are used as the second material layer, then a layer thickness of 5 mm to 50 mm is particularly favorable for this second material layer. For a vapor-deposited, electrodeposited, printed or laminated second material layer, a material layer thickness of 0.3 mm to 5 mm is particularly advantageous. In this way, for example, the media tightness, the dissipation of heat, the mechanical strength, the chemical resistance, the corrosion resistance of the
  • Semi-finished product and / or taking up and / or transferring mechanical contact forces in a fuel cell stack can be particularly favorable.
  • the method according to the fourth aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the semifinished product according to the first aspect of the invention or the bipolar plate according to the second aspect of the invention or the fuel cell according to the third aspect of the invention.
  • a method in which a first semifinished product and a second semifinished product, which are each produced according to a method described above, are joined to form a bipolar plate with the formation of cooling channels.
  • the joining can
  • the method according to the fifth aspect of the invention thus has the same advantages as already for the semifinished product according to the first aspect of the invention or the bipolar plate according to the second aspect of the invention or the fuel cell according to the third aspect of the invention or the method to make a
  • FIG. 1 shows a semi-finished product 100 of a bipolar plate 200 for a fuel cell 300, the semi-finished product 100 including a first material layer 10 and a second material layer 20. Furthermore, the first material layer 10 is arranged on the second material layer 20 and the semifinished product 100 has a structure 102 at least in some areas,
  • FIG. 2 shows a first semi-finished product 100 and a second semi-finished product 100, which are joined to form a bipolar plate 200 with the formation of cooling channels 104,
  • FIG. 3 shows a first semifinished product 100 and a second semifinished product 100, the second material layer 20 of the semifinished products 100 each having at least one further material 24 on a surface of the side facing away from the first material layer 10, in particular in the form of a
  • FIG. 4 shows a fuel cell 300 having one electrolyte 202, two
  • FIG. 5 shows a fuel cell stack having a plurality of fuel cells 300 arranged next to one another
  • FIG. 6 shows a method in which a structured semi-finished product 100 made of a first material layer 10 and a second, metal-containing,
  • FIG. 7 shows a method in which a structured semi-finished product 100 composed of a first material layer 10 and a second, metal-containing,
  • Material layer 20 is produced, 8 shows a method in which a first semifinished product 100 and a second
  • Semi-finished product 100 is joined to form a bipolar plate 200,
  • FIG. 9 shows a semifinished product 100 according to the invention with a first material layer 10, a second material layer 20 and a further material layer 30, and
  • FIG. 10 shows a semifinished product 100 according to the invention with a first material layer 10, a second material layer 20 and a further material layer 30.
  • FIG. 1 shows a semi-finished product 100 of a bipolar plate 200 for a fuel cell 300, the semi-finished product 100 having a first material layer 10 and a second
  • Material layer 20 comprises. Furthermore, the first material layer 10 is arranged on the second material layer 20 and the semifinished product 100 has a fluid-conducting structure 102 at least in some areas. Next points the first
  • Material layer 10 has at least one additive 16 on a surface of the side facing away from the second material layer 20 and forms its own layer in the form of a coating.
  • the second material layer 20, which comprises metal, comprises at least one further material 24.
  • the second material layer 20 has the at least one further material 24 on a surface of the side facing away from the first material layer 10 and forms its own layer in the form of a coating, as in FIG Fig. 1 is depicted.
  • FIG. 2 shows a bipolar plate 200 made of two semi-finished products 100 of a fuel cell 300.
  • the anode side of a fuel cell 300 faces, and a second semifinished product 100, the first material layer 10 of which faces a cathode side of an adjacent fuel cell 300, can each meet the requirements
  • Cathode and anode side be adapted.
  • the semi-finished products are 100 joined together in such a way that the second material layer 20 of the first semifinished product 100 and the second material layer 20 of the second semifinished product 100 are arranged next to one another and the respective second material layers 20 contact each other to form cooling channels 104.
  • a fluid for example water, in particular as a cooling fluid, can flow in the cooling channels 104 in order to regulate the temperature in the fuel cell 300.
  • the free space that results between two cooling channels 104 through the structure 102 on the anode or cathode side is used to conduct fluids, in particular oxygen or air on the cathode side and hydrogen on the anode side.
  • the second material layer 20, which comprises metal can comprise at least one further material 24.
  • the first material layer 10 of the first semifinished product 100 has at least one additive 16, in particular on a surface of the side facing away from the second material layer 20 of the first semifinished product 100, and forms one own layer in the form of a coating.
  • the second material layer 10 of the first semifinished product 100 has at least one additive 16, in particular on a surface of the side facing away from the second material layer 20 of the first semifinished product 100, and forms one own layer in the form of a coating.
  • Material layer 20 of first semifinished product 100 has at least one further material 24 on a surface of the side of first semifinished product 100 facing away from first material layer 10 and forms its own layer in the form of a coating.
  • the second material layer 20 of the second semifinished product 100 likewise has at least one further material 24 on a surface of the side of the second semifinished product 100 facing away from the first material layer 10 and also forms its own layer in the form of a
  • the two semifinished products 100 are joined to one another in such a way that the coating of the first semifinished product 100 and the coating of the second semifinished product 100 are arranged next to one another and the coatings contact each other to form cooling channels 104.
  • the coating of the first semifinished product 100 and the coating of the second semifinished product 100 are arranged next to one another and the coatings contact each other to form cooling channels 104.
  • Coating be a carbon coating
  • Layer thickness of the carbon coating is 1 - 2 mm.
  • the at least one further material 24 can particularly advantageously reduce the contact transition
  • the at least one further material 24 produces a particularly high level of media impermeability, as a result of which a Loss of fluids is reduced and thus an increase in performance
  • Fuel cell 300 can be achieved.
  • FIG. 4 shows a fuel cell 300 having an electrolyte 202, in particular in the form of a proton-conducting membrane, such as a polymer electrolyte membrane, two electrodes, namely anode 206 and cathode 207, two gas diffusion layers 204, 205 and two bipolar plates 200, with each bipolar plate 200 comprises two semi-finished products 100 according to the invention.
  • the individual components are joined together in the installed state, so that there is no free space between the components.
  • the electrolyte 202 separates the two electrodes anode 206 and cathode 206 from one another.
  • the fuel cell 300 further comprises the invention
  • Bipolar plates 200 through which hydrogen to anode 206 and oxygen / air to cathode 207 or water from cathode 207 and / or anode 206
  • the bipolar plates 200 each include a fluid-conducting structure 102 for distributing a fuel, in particular hydrogen, which faces the anode 206.
  • the bipolar plates 200 each also include a fluid-conducting structure 102 for distributing the oxidizing agent, in particular oxygen / air, which faces the cathode 207. These structures 102 act at the same time to divert water produced during a reaction in fuel cell 300.
  • the bipolar plates 200 furthermore comprise a fluid-conducting structure, in particular cooling channels 104, which serve to pass a cooling fluid through the bipolar plate 200 for temperature control, in particular cooling, of the fuel cell 300. To form the cooling channels 104, two semi-finished products 100 are joined together in such a way that fluid-conducting structures 102 of the two semi-finished products 100 form cooling channels 104.
  • FIG. 5 shows a fuel cell stack that is made up of individual fuel cells 300.
  • the individual fuel cells 300 are arranged in series with one another to form the fuel cell stack.
  • the two bipolar plates 200 of a fuel cell stack that are furthest apart from one another each have only one semi-finished product 100.
  • An end plate (not shown) is arranged on each of these semi-finished products 100, which end plate is the end of the
  • a structured semi-finished product 100 can be produced from a first material layer 10 and a second material layer 20 comprising metal.
  • a thermoplastically formable, conductive, mechanically stable graphite-polymer material composite 11 is made of at least one electrically conductive carbon component 12 and at least one polymeric component
  • Component 14 provided 700. Via a compounding process,
  • the components can be processed into a thermoplastically moldable, conductive, mechanically stable graphite-polymer material composite 11 using a solvent-free compounding process. Thereafter, for example by means of extrusion and / or calendering or hot pressing, the graphite-polymer material composite 11 is formed 702 into a first material layer 100, in particular with a required layer thickness.
  • the first material layer 10 can have a particularly advantageous media tightness and / or mechanical strength and / or chemical resistance and / or corrosion resistance and / or surface quality.
  • the first material layer 10 is structured 704, for example by embossing with an embossing plate using a press, in particular a jaw press, a roller or a calender 102.
  • the structuring 704 can advantageously take place at an elevated temperature, since here in particular the first material layer 10 can be shaped particularly favorably.
  • a second material layer 20, which comprises metal, is provided 706.
  • the second material layer 20 is, for example, using methods such as lamination,
  • a particularly advantageous embodiment has in step 702 that the graphite-polymer material composite 11 is formed 702 into a first material layer 10 with a layer thickness 18 of 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm, and the layer thickness 26 of the in step 706 deployed and sent to the first
  • Material layer 10 arranged 708 second material layer 20 is 2 mm to 2 mm, in particular 0.3 mm to 50 mm.
  • Material layer 20 is for example with processes such as lamination,
  • the layer composite 15 is structured 808, for example, by embossing with an embossing plate using a press, in particular a jaw press, a roller or a calender
  • the embossing plate determines the structure 102 according to the invention.
  • the structuring 808 can advantageously take place at an elevated temperature, since here in particular the first material layer 10 can be shaped particularly favorably.
  • at least one further material 24, in particular in the form of a coating on the side facing away from the first material layer 10 can be arranged 900 on the second material layer 20.
  • a catalyst in particular a catalyst 3-phase boundary layer and a membrane, in particular a proton-conducting membrane on a surface of the first material layer 10 of the side facing away from the second material layer 20, for example a semi-finished product 100 can be manufactured particularly easily and inexpensively by pressing or calendering.
  • a particularly advantageous embodiment has in step 702 that the graphite-polymer material composite 11 is formed 702 into a first material layer 10 with a layer thickness 18 of 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm, and the layer thickness 26 of the provided in step 804 and to the first
  • Material layer 10 arranged 806 second material layer 20 is 2 mm to 2 mm, in particular 0.3 mm to 50 mm.
  • first semifinished product 100 and a second semifinished product 100 which are each produced according to a method described above, are joined 210 to form a bipolar plate 200 with the formation of cooling channels 104.
  • the joining 210 can take place, for example, by pressing, laminating and / or gluing, in particular thermally induced gluing.
  • Material layer 10 a second material layer 20 and another
  • the three material layers 10, 20 and 30 are arranged next to one another and structured 102.
  • the one further material layer 30 can be an adhesion-promoting layer.
  • the adhesion-promoting layer can be an adhesive, in particular a thermally induced adhesive, the adhesion-promoting layer also having particularly high mechanical strength and / or a low electrical resistance and / or a very good adhesive bond.
  • the one further material layer 30 can be, in addition to the first material layer 10, a further graphite polymer layer according to the invention and the
  • Supplement properties of a semi-finished product 100 particularly advantageously.
  • Several further graphite polymer layers and / or adhesion-promoting layers between the first material layer 10 and second material layer 20 are also conceivable.
  • the three material layers 10, 20 and 30 have the same structure 102. For example, there will be three first
  • This structure 102 can be embossed into the layers 10, 20 and 30 arranged on one another in one step. Embossing is particularly beneficial at elevated temperatures.
  • the structure 102 is dependent on the structure of the embossing plate. A structure 102 can be different for the active zone of a semi-finished product 100 and for the inactive zone of a semi-finished product 100.
  • the layer thickness 18 of the first material layer 10 is advantageously 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 350 mm
  • the layer thickness 26 of the second material layer 20 is 0.2 mm to 2 mm, in particular 5 mm to 50 mm for foils, grids, nets and 0.3 mm to 5 mm for vapor-deposited, electrodeposited, printed or laminated second material layers 20.
  • the at least one further material layer 30 is a graphite-polymer layer
  • the layer thickness can the at least one further material layer 30 is advantageously 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm.
  • FIG. 10 illustrates a further semifinished product 100 according to the invention with a first material layer 10, a second material layer 20 and another
  • a structure 102 can first be stamped into the first material layers 10. Embossing is particularly beneficial at elevated temperatures. The structure 102 is dependent on the structure of the embossing plate. In Fig. 10 is the first
  • the structure 102 of a semifinished product 100 in particular the first material layer 10, can be adapted to the needs of the anode or cathode side.
  • the layer thickness 18 of the first material layer 10 is
  • the layer thickness 26 of the second material layer 20 is 0.2 mm to 2 mm, in particular 5 mm to 50 mm for foils, grids, nets and 0.3 mm to 5 mm for vapor-deposited, electrodeposited, printed or laminated second material layers 20.
  • the at least one further material layer 30 is a graphite polymer layer
  • the layer thickness of the at least one further material layer 30 advantageously 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm.

Abstract

The invention relates to a semifinished product (100) for a bipolar plate (200) of a fuel cell (300), the semifinished product (100) comprising a first material layer (10) and a second material layer (20), wherein the first material layer (10) is arranged at the second material layer, wherein the semifinished product (100) at least regionally has a fluid-conducting structure (102), wherein the first material layer (10) is a graphite polymer layer including at least one electrically conductive carbon component (12), and the second material layer (20) comprises metal (22), wherein the first material layer (10) additionally comprises at least one polymeric component (14) in order to form the graphite polymer layer. Furthermore, the invention relates to a bipolar plate (200), a fuel cell (300) and a method for producing a semifinished product (100) for a bipolar plate (200) of a fuel cell (300).

Description

Beschreibung description
Titel title
Halbzeug für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, Bipolarplate, Semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell, bipolar plate,
Brennstoffzellen sowie Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges für eineFuel cells and a method for producing a semi-finished product for a
Bipolarplatte einer Brennstoffzelle und einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle Bipolar plate of a fuel cell and a bipolar plate of a fuel cell
Die Erfindung betrifft ein Halbzeug für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1, eine Bipolarplatte nach dem unabhängigen Anspruch 6, eine Brennstoffzelle nach dem unabhängigen Anspruch 7 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle nach dem unabhängigen Anspruch 8. The invention relates to a semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell according to the preamble of independent claim 1, a bipolar plate according to independent claim 6, a fuel cell according to independent claim 7 and a method for producing a semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell according to independent claim 8 .
Stand der Technik State 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 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 one
Brennstoffzellentyp ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton- Exchange-Membran, PEM-Brennstoffzelle). In diesen Brennstoffzellentypen sind neben Membranen, Elektroden und einem Katalyt auch sogenannte The 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, there are also so-called
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. Die Bipolarplatten weisen hierzu eine Verteilerstruktur auf, die Edukt enthaltende Fluide entlang den Elektroden führen. Darüber hinaus dienen die Verteilerstrukturen dazu ein Kühlfluid entlang der weiteren Verteilerstrukturen zu führen. Diese Verteilerstrukturen sind dabei als Kanäle ausgebildet, wodurch die unterschiedlichen Fluide leitbar sind. Bipolar plates provided. 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. For this purpose, the bipolar plates have a distributor structure which guide fluids containing educt along the electrodes. In addition, the distributor structures serve to create a cooling fluid along the other To lead distribution structures. These distributor structures are designed as channels, whereby the different fluids can be guided.
Bipolarplatten werden aus Kompositmaterialien oder Metallsubstraten hergestellt und sind während des Brennstoffzellenbetriebs harschen Bedingungen ausgesetzt, die zu Korrosionsphänomenen führen können. Korrosionsprozesse schränken die Leistung und Lebensdauer von Brennstoffzellen ein und müssen daher vermieden oder kontrolliert werden. Kohlenstoff oder bestimmte Bipolar plates are made of composite materials or metal substrates and are exposed to harsh conditions during fuel cell operation, which can lead to corrosion phenomena. Corrosion processes limit the performance and service life of fuel cells and must therefore be avoided or controlled. Carbon or certain
Kohlenstoff- Komposite besitzen eine hohe chemische Resistenz und eignen sich daher gut als dauerstabiles Bipolarplattenmaterial. Metallische Bipolarplatten können sehr dünnwandig und flexibel hergestellt werden, benötigen aber je nach Grundmaterial einen entsprechenden Korrosionsschutz. Das Aufbringen von geeigneten Beschichtungen birgt neben den technischen Herausforderungen auch das Risiko erhöhter Kontakt- und Durchgangswiderstände. Carbon composites have a high chemical resistance and are therefore well suited as long-term stable bipolar plate material. Metallic bipolar plates can be made very thin-walled and flexible, but require appropriate corrosion protection depending on the base material. In addition to the technical challenges, the application of suitable coatings also involves the risk of increased contact and volume resistance.
In der Druckschrift DE 10 2007 038 171 Al wird eine Bipolarplatte, welche Metallplatten und auf die Metallplatten aufgebrachte graphithaltige/leitende Kohlenstoffschichten umfasst, offenbart. The publication DE 10 2007 038 171 A1 discloses a bipolar plate which comprises metal plates and graphite-containing / conductive carbon layers applied to the metal plates.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung zeigt ein Halbzeug für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Bipolarplatte gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6, eine Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines The present invention shows a semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell according to the features of claim 1, a bipolar plate according to the features of claim 6, a fuel cell according to the features of claim 7 and a method for producing a
Halbzeuges für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8. Semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell according to the features of claim 8.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Further features and details of the invention emerge from the
Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Halbzeug beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und den erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the semifinished product according to the invention naturally also apply in connection with the bipolar plate according to the invention, the fuel cell according to the invention and the method according to the invention and vice versa, so that with regard to the Disclosure on the individual aspects of the invention is always referred to or can be referred to.
Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Halbzeug für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, wobei das Halbzeug eine erste According to a first aspect, the present invention shows a semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell, the semifinished product being a first
Materialschicht und eine zweite Materialschicht umfasst. Weiter ist die erste Materialschicht an der zweiten Materialschicht angeordnet und das Halbzeug weist wenigstens bereichsweise eine fluidleitende Struktur auf. Die erste Material layer and a second material layer comprises. Furthermore, the first material layer is arranged on the second material layer and the semifinished product has a fluid-conducting structure at least in some areas. The first
Materialschicht ist eine Graphit-Polymer Schicht, die mindestens eine elektrisch leitende Kohlenstoff-Komponente beinhaltet und die zweite Materialschicht weist Metall auf, wobei zur Ausbildung der Graphit-Polymer Schicht die erste The material layer is a graphite-polymer layer which contains at least one electrically conductive carbon component and the second material layer comprises metal, the first layer for forming the graphite-polymer layer
Materialschicht zusätzlich mindestens eine polymere Komponente aufweist. Material layer additionally has at least one polymeric component.
Die Anordnung der ersten Materialschicht und der zweiten Materialschicht aneinander ist beispielsweise mittels Lamination durchgeführt. Weitere, insbesondere metallisierende, Verfahren, wie Aufdampfen, Aufdrucken, galvanisch Beschichten oder Umlaminieren, sind auch denkbar. Eine Anordnung der ersten Materialschicht an die zweite Materialschicht mittels der weiteren metallisierenden Verfahren kann vor oder nach einem Prägeschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen. Erfindungsgemäß kann auch die zweite Materialschicht an der ersten Materialschicht angeordnet sein. Die zweite Materialschicht weist Metall auf, wobei die zweite Materialschicht beispielsweise eine Metallschicht, eine Metallfolie, insbesondere eine dünne und/oder perforierte Metallfolie, ein Metallgitter oder ein Metallnetz ist. Die erste Materialschicht ist eine Graphit-Polymer Schicht, die mindestens eine elektrisch leitende The arrangement of the first material layer and the second material layer on one another is carried out, for example, by means of lamination. Further, in particular metallizing, methods such as vapor deposition, printing, electroplating or re-lamination are also conceivable. An arrangement of the first material layer on the second material layer by means of the further metallizing methods can take place before or after an embossing step of a method according to the invention. According to the invention, the second material layer can also be arranged on the first material layer. The second material layer comprises metal, the second material layer being, for example, a metal layer, a metal foil, in particular a thin and / or perforated metal foil, a metal grid or a metal net. The first material layer is a graphite polymer layer that is at least one electrically conductive
Kohlenstoff- Komponente und zusätzlich mindestens eine polymere Komponente aufweist. Elektrisch leitende Kohlenstoff- Komponenten sind beispielsweise Graphit, Ruß, Graphen, Carbon-Fasern, Carbonnanotubes, etc., wobei eine graphitische Oberfläche der ersten Materialschicht, insbesondere auf der Anoden- und/oder Kathodenseite einer Bipolarplatte, eine besonders vorteilhafte Korrosionsstabilität bewirkt. Ferner kann vorteilhafterweise die erste Has carbon component and additionally at least one polymeric component. Electrically conductive carbon components are, for example, graphite, soot, graphene, carbon fibers, carbon nanotubes, etc., a graphitic surface of the first material layer, in particular on the anode and / or cathode side of a bipolar plate, causing particularly advantageous corrosion stability. Furthermore, the first
Materialschicht ein Gemisch aus zwei oder mehreren Kohlenstoff- Komponenten umfassen, da dadurch beispielsweise die unterschiedlichen Körperstrukturen, die elektrischen, chemischen, mechanischen sowie thermischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten ausgenutzt werden können und eine besonders vorteilhafte elektrische Leitfähigkeit und/oder Wärmeleitfähigkeit und/oder Korrosionsstabilität und/oder mechanische Festigkeit der ersten Materialschicht erzielt werden kann. Polymere Komponenten sind vorteilhafterweise Material layer comprise a mixture of two or more carbon components, since this way, for example, the different body structures, the electrical, chemical, mechanical and thermal properties of the individual components can be used and one in particular advantageous electrical conductivity and / or thermal conductivity and / or corrosion stability and / or mechanical strength of the first material layer can be achieved. Polymeric components are advantageous
Thermoplasten und können beispielsweise Polypropylen (PP), Thermoplastics and can, for example, polypropylene (PP),
Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherketone (PEEK), PA, PMMA, PVDF oder Copolymere oder Mischungen daraus sein. Besonders vorteilhaft kann die erste Materialschicht zwei oder mehrere Polymer-Komponenten aufweisen, da dadurch beispielsweise eine Ausnutzung unterschiedlicher Körperstrukturen und thermischer, plastisch-verarbeitbarer Eigenschaften möglich ist. Dadurch kann für die erste Materialschicht ein besonders vorteilhafter thermoplastisch verarbeitbarer Graphit-Polymer Materialverbund, beispielsweise mittels eines Compoundierverfahrens, insbesondere eines lösemittelfreien Polyphenylene sulfide (PPS), polyether ketone (PEEK), PA, PMMA, PVDF or copolymers or mixtures thereof. The first material layer can particularly advantageously have two or more polymer components, since this makes it possible, for example, to utilize different body structures and thermal, plastic-processable properties. As a result, a particularly advantageous thermoplastically processable graphite-polymer material composite can be used for the first material layer, for example by means of a compounding process, in particular a solvent-free one
Compoundierverfahrens, für die Graphit-Polymer Schicht bereitgestellt werden. Weiter kann das Halbzeug aufgrund der polymeren Komponente in der Graphit- Polymer Schicht der ersten Materialschicht eine besonders hohe mechanische Belastung, wie sie auf Halbzeuge bzw. Bipolarplatten in einem Compounding process for which the graphite-polymer layer is provided. Furthermore, due to the polymeric component in the graphite-polymer layer of the first material layer, the semifinished product can have a particularly high mechanical load, as can be seen on semifinished products or bipolar plates in one
Brennstoffzellenstapel wirken, aufnehmen und/oder übertragen. Dadurch ist eine hohe mechanische Stabilität des Halbzeugs gewährleistet. Durch die polymere Komponente in der ersten Materialschicht kann das Halbzeug sowohl eine besonders hohe mechanische Festigkeit, bei gleichzeitig hoher Flexibilität, und auch ein äußerst geringes Gewicht aufweisen. Durch die thermoplastische Verformbarkeit des Graphit-Polymer Materialverbundes kann weiter ein extrem dünnes und leichtes Halbzeug mit einer besonders hohen Oberflächenqualität hergestellt werden. Aufgrund der hohen Oberflächenqualität können Fuel cell stacks act, absorb and / or transfer. This ensures high mechanical stability of the semi-finished product. As a result of the polymeric component in the first material layer, the semifinished product can have both a particularly high mechanical strength with high flexibility at the same time, and also an extremely low weight. Due to the thermoplastic deformability of the graphite-polymer material composite, an extremely thin and light semi-finished product with a particularly high surface quality can also be produced. Due to the high surface quality,
Oberflächengeometrien zum Leiten von Fluiden mit einem besonders niedrigen Reibungswiderstand hergestellt werden, wodurch beispielsweise ein Druckabfall eines Fluids entlang einer Fließrichtung eines Fluids besonders geringgehalten werden kann. Ferner können Oberflächengeometrien, insbesondere Riblets, im einstelligen mm-Bereich mit hoher Strukturgenauigkeit hergestellt werden, wodurch ein Leistungsverlust einer Brennstoffzelle durch Surface geometries for guiding fluids with a particularly low frictional resistance are produced, whereby, for example, a pressure drop of a fluid along a flow direction of a fluid can be kept particularly low. In addition, surface geometries, in particular riblets, can be produced in the single-digit mm range with high structural accuracy, which results in a loss of power in a fuel cell
Strukturungenauigkeiten von Halbzeugen vermindert werden kann. Structural inaccuracies of semi-finished products can be reduced.
Das erfindungsgemäße Halbzeug weist ferner wenigstens bereichsweise eine fluidleitende Struktur auf. Die fluidleitende Struktur im Halbzeug kann der Zuführung von Fluiden aus einem inaktiven Bereich der Brennstoffzelle in einen aktiven Bereich der Brennstoffzelle dienen. Die fluidleitende Struktur weist insbesondere eine Verteilerstruktur auf, die die Fluide entlang Elektroden der Brennstoffzelle führen. Darüber hinaus dienen die fluidleitenden Strukturen dazu ein Kühlfluid zu führen. Die fluidleitende Struktur kann dabei als Kanäle ausgebildet sein, wodurch die unterschiedlichen Fluide leitbar sind. Insbesondere kann die fluidleitende Struktur im aktiven Bereich so gestaltet sein, dass die Fluide optimal miteinander reagieren können und der Druckabfall in der aktiven Zone entlang der Strömungsrichtung der Fluide besonders gering ist. Die fluidleitende Struktur in der aktiven Zone einer Brennstoffzelle kann The semifinished product according to the invention also has a fluid-conducting structure at least in some areas. The fluid-conducting structure in the semi-finished product can be used to supply fluids from an inactive area of the fuel cell to a Serve active area of the fuel cell. The fluid-conducting structure has, in particular, a distributor structure that guides the fluids along electrodes of the fuel cell. In addition, the fluid-conducting structures serve to guide a cooling fluid. The fluid-conducting structure can be designed as channels, whereby the different fluids can be conducted. In particular, the fluid-conducting structure in the active area can be designed in such a way that the fluids can react optimally with one another and the pressure drop in the active zone along the flow direction of the fluids is particularly low. The fluid-conducting structure in the active zone of a fuel cell can
beispielsweise geradlinig oder mäanderförmig sein. for example, be straight or meander-shaped.
Weiter kann eine Aufnahmestruktur der Aufnahme von Dichtungen vorgesehen sein. Ferner kann eine Leitstruktur mit einer Durchgangsöffnung von der einen Seite eines Halbzeuges zur anderen, insbesondere gegenüberliegenden, Seite des Halbzeuges und/oder von der einen Seite einer Bipolarplatte zur anderen, insbesondere gegenüberliegenden, Seite einer Bipolarplatte vorgesehen sein. Furthermore, a receiving structure for receiving seals can be provided. Furthermore, a conductive structure with a through opening from one side of a semi-finished product to the other, in particular opposite, side of the semi-finished product and / or from one side of a bipolar plate to the other, in particular opposite, side of a bipolar plate can be provided.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist bei einem Halbzeug vorgesehen, dass die erste Materialschicht wenigstens einen Zusatzstoff aus den nachfolgend aufgelisteten Zusatzstoffen aufweist: In a particularly advantageous embodiment, it is provided for a semifinished product that the first material layer has at least one additive from the additives listed below:
- Hydrophobierende Zusatzstoffe - Hydrophobic additives
- Hydrophilierende Zusatzstoffe - Hydrophilic additives
- Korrosionsschützende Zusatzstoffe - Corrosion protection additives
- Füllkörper - packing
- Plastifizierende Zusatzstoffe - Plasticizing additives
- Vernetzende Zusatzstoffe - Cross-linking additives
- Additive für verbesserte Kontaktübergangswiderstände an den Grenzflächen. - Additives for improved contact resistance at the interfaces.
Dabei kann die erste Materialschicht einen oder mehrere Zusatzstoff(e) in jeweils einem bestimmten Anteil aufweisen, um gewünschte Eigenschaften der ersten Materialschicht zu erreichen. Weiter kann die erste Materialschicht den wenigstens einen Zusatzstoff mindestens bereichsweise in der ersten The first material layer can have one or more additive (s), each in a specific proportion, in order to achieve desired properties of the first material layer. Furthermore, the first material layer can contain the at least one additive at least in some areas in the first
Materialschicht aufweisen, d. h. die erste Materialschicht kann beispielsweise einen Zusatzstoff in der gesamten ersten Materialschicht oder bereichsweise, wobei der Bereich einen Teil der ersten Materialschicht darstellt, aufweisen. Insbesondere kann der Bereich eine aktive Zone oder eine inaktive Zone des Halbzeuges sein. Ferner kann die erste Materialschicht wenigstens den einen Zusatzstoff an der Oberfläche, insbesondere an der Oberfläche der der zweiten Materialschicht abgewandten Seite und/oder der Oberfläche an die die zweite Materialschicht angeordnet ist, aufweisen und insbesondere eine eigene Schicht ausbilden. Auch kann der mindestens eine Zusatzstoff homogen oder nicht homogen in der ersten Materialschicht verteilt sein. Insbesondere kann die Konzentration des Zusatzstoffes einen Gradienten in der ersten Materialschicht aufweisen. Durch den wenigstens einen Zusatzstoff können eine hohe chemische Resistenz und/oder eine hohe Mediendichtigkeit und/oder eine hohe thermische Leitfähigkeit und/oder eine hohe elektrische Leitfähigkeit und/oder eine hohe mechanische Stabilität eines Halbzeuges besonders vorteilhaft erhalten und die Langlebigkeit des Halbzeuges kann sichergestellt werden. Have material layer, ie the first material layer can for example have an additive in the entire first material layer or in regions, the region representing part of the first material layer. In particular, the area can be an active zone or an inactive zone of the semifinished product. Furthermore, the first material layer can have at least one additive on the surface, in particular on the surface of the side facing away from the second material layer and / or the surface on which the second material layer is arranged, and in particular can form its own layer. The at least one additive can also be distributed homogeneously or not homogeneously in the first material layer. In particular, the concentration of the additive can have a gradient in the first material layer. With the at least one additive, a high chemical resistance and / or high media impermeability and / or high thermal conductivity and / or high electrical conductivity and / or high mechanical stability of a semifinished product can be obtained particularly advantageously and the longevity of the semifinished product can be ensured .
Die erste Materialschicht kann wenigstens einen hydrophobierenden Zusatzstoff, insbesondere teil-fluorierte Substanzen wie PVDF, aufweisen, wodurch eine Erhöhung der Hydrophobie der Graphit-Polymer Schicht bezweckt werden kann. Dadurch kann besonders vorteilhaft Feuchtigkeit von der ersten Materialschicht, aber auch von der an der ersten Materialschicht angeordneten zweiten The first material layer can have at least one hydrophobing additive, in particular partially fluorinated substances such as PVDF, which can be used to increase the hydrophobicity of the graphite polymer layer. In this way, moisture can particularly advantageously be removed from the first material layer, but also from the second material layer arranged on the first material layer
Materialschicht, welche Metall aufweist, ferngehalten werden. Insbesondere kann dies auf der Anoden- und/oder Kathodenseite einer Bipolarplatte in einem aktiven Bereich der Brennstoffzelle von Vorteil sein. Insbesondere auf der Kathodenseite wird bekannterweise nämlich einerseits als Fluid Luft, wobei die Luft Feuchtigkeit mit sich führen kann, verwendet und andererseits entsteht durch eine chemische Reaktion auf der Kathodenseite Wasser als Produkt. Durch den wenigstens einen hydrophobierenden Zusatzstoff können eine hohe chemische Resistenz und/oder eine hohe Mediendichtigkeit und/oder eine hohe thermische Material layer, which has metal, are kept away. In particular, this can be advantageous on the anode and / or cathode side of a bipolar plate in an active area of the fuel cell. In particular on the cathode side, air is known to be used as the fluid on the one hand, whereby the air can carry moisture with it, and on the other hand, a chemical reaction on the cathode side produces water as a product. The at least one hydrophobing additive enables high chemical resistance and / or high media impermeability and / or high thermal resistance
Leitfähigkeit und/oder eine hohe elektrische Leitfähigkeit und/oder eine hohe mechanische Stabilität eines Halbzeuges besonders vorteilhaft erhalten werden und/oder die Langlebigkeit des Halbzeuges kann sichergestellt werden. Conductivity and / or high electrical conductivity and / or high mechanical stability of a semifinished product can be obtained particularly advantageously and / or the longevity of the semifinished product can be ensured.
Auch kann die erste Materialschicht wenigstens einen hydrophilierenden The first material layer can also have at least one hydrophilizing layer
Zusatzstoff, insbesondere Hydroxygruppen-einführende Substanzen wie Additive, in particular substances which introduce hydroxyl groups, such as
Polysulfonsäurederivate und/oder Polyamidderivate, aufweisen, wodurch eine Erhöhung der Hydrophilie der Graphit-Polymer Schicht bezweckt werden kann. Eine hydrophile Oberfläche der ersten Materialschicht, insbesondere die Polysulfonic acid derivatives and / or polyamide derivatives, which can be used to increase the hydrophilicity of the graphite polymer layer. A hydrophilic surface of the first material layer, in particular the
Oberfläche der der zweiten Materialschicht abgewandten Seite, kann von besonderem Vorteil sein, denn dadurch kann Wasser in Strömungskanälen einen dünnen Wasserfilm bilden, wodurch der Kanalwassertransport begünstigt und vorteilhafterweise ein Verstopfen von Strömungskanälen verhindert werden kann. Gleichzeitig kann eine Membran einer Brennstoffzelle feucht gehalten, der Innenwiderstand der Brennstoffzelle gering und die Langlebigkeit der Membran sichergestellt werden. The surface of the side facing away from the second material layer can be of particular advantage because this allows water to form a thin film of water in flow channels, which promotes channel water transport and advantageously prevents clogging of flow channels. At the same time, a membrane of a fuel cell can be kept moist, the internal resistance of the fuel cell low and the longevity of the membrane ensured.
Auch kann die erste Materialschicht wenigstens einen korrosionsschützenden Zusatzstoff aufweisen, der eine Erhöhung des Korrosionsschutzes der Graphit- Polymer Schicht bezwecken kann, wodurch eine hohe chemische Resistenz und/oder eine hohe Mediendichtigkeit und/oder eine hohe thermische The first material layer can also have at least one anti-corrosive additive, which can aim to increase the corrosion protection of the graphite polymer layer, resulting in high chemical resistance and / or high media impermeability and / or high thermal
Leitfähigkeit und/oder eine hohe elektrische Leitfähigkeit und/oder eine hohe mechanische Stabilität eines Halbzeuges besonders vorteilhaft erhalten werden und die Langlebigkeit des Halbzeuges sichergestellt werden können. Conductivity and / or high electrical conductivity and / or high mechanical stability of a semifinished product can be obtained particularly advantageously and the longevity of the semifinished product can be ensured.
Auch kann die erste Materialschicht wenigstens einen Füllkörper, beispielsweise Metallpartikel, als Zusatzstoff aufweisen, wodurch eine Erhöhung der The first material layer can also have at least one filler body, for example metal particles, as an additive, thereby increasing the
elektrischen und/oder thermischen Leitfähigkeit und/oder mechanischen electrical and / or thermal conductivity and / or mechanical
Festigkeit der ersten Materialschicht erreicht werden kann. Ferner kann durch das Vorhandensein von Füllkörpern ein geringes Gewicht des Halbzeugs erreicht werden. Strength of the first layer of material can be achieved. Furthermore, a low weight of the semifinished product can be achieved through the presence of fillers.
Auch kann die erste Materialschicht wenigstens einen vernetzenden und/oder plastifizierenden Zusatzstoff, insbesondere als Additiv, umfassen, wodurch eine verbesserte Verarbeitbarkeit und/oder ein nachträgliches Härten, insbesondere ein temperaturinduziertes Nachhärten, der ersten Materialschicht bezweckt werden kann. Damit kann eine besonders hohe Festigkeit der ersten The first material layer can also comprise at least one crosslinking and / or plasticizing additive, in particular as an additive, whereby improved processability and / or subsequent hardening, in particular temperature-induced post-hardening, of the first material layer can be aimed at. This allows a particularly high strength of the first
Materialschicht erreicht werden, was insbesondere bei einer dünnen ersten Materialschicht von besonderen Vorteil sein kann, da das Herauslösen der ersten Materialschicht, insbesondere eines Halbzeuges, aus einer Prägeform nach einem Prägeschritt erleichtert werden kann. Beispielsweise können Epoxy- Resins als vernetzender Zusatzstoff verwendet werden. Polypropylenderivate wie PP-Copolymere mit Kautschuk (EPDM) sind als plastifizierender Zusatzstoff denkbar. Material layer can be achieved, which can be of particular advantage in the case of a thin first material layer, since the removal of the first material layer, in particular a semi-finished product, from an embossing mold after an embossing step can be facilitated. For example, epoxy resins can be used as a crosslinking additive. Polypropylene derivatives such as PP copolymers with rubber (EPDM) are conceivable as plasticizing additives.
Auch kann die erste Materialschicht als Zusatzstoff wenigstens ein Additiv, insbesondere Graphene und/oder Ruße mit hoher spezifischer Oberfläche, für verbesserte Kontaktübergangswiderstände, insbesondere an Grenzflächen, aufweisen. Eine Grenzfläche kann eine Oberfläche der ersten Materialschicht der der zweiten Materialschicht abgewandten Seite und/oder die Oberfläche der ersten Materialschicht, insbesondere an die die zweite Materialschicht angeordnet wird, sein. Dadurch kann ein elektrischer und/oder thermischer Kontaktübergangswiderstand an den Grenzflächen besonders vorteilhaft reduziert werden, da beispielsweise Elektronen besonders einfach in die erste Materialschicht eindringen und weiter besonders günstig über die erste The first material layer can also have at least one additive as an additive, in particular graphenes and / or carbon blacks with a high specific surface area, for improved contact resistance, in particular at interfaces. An interface can be a surface of the first material layer on the side facing away from the second material layer and / or the surface of the first material layer, in particular on which the second material layer is arranged. As a result, an electrical and / or thermal contact transition resistance at the interfaces can be reduced in a particularly advantageous manner, since, for example, electrons penetrate particularly easily into the first material layer and further particularly favorably via the first
Materialschicht in die zweite Materialschicht wandern können, womit eine Leistungssteigerung einer Brennstoffzelle erreicht werden kann. Material layer can migrate into the second material layer, whereby an increase in the performance of a fuel cell can be achieved.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Halbzeuges ist, dass zwischen der ersten Materialschicht und der zweiten Materialschicht mindestens eine weitere Materialschicht angeordnet ist. Durch die mindestens eine weitere Materialschicht können die Eigenschaften eines Halbzeuges besonders vorteilhaft ergänzt werden. Dabei kann die mindestens eine weitere A particularly advantageous embodiment of a semifinished product is that at least one further material layer is arranged between the first material layer and the second material layer. The properties of a semi-finished product can be supplemented particularly advantageously by the at least one further material layer. The at least one further
Materialschicht, wie die erste Materialschicht, eine Graphit-Polymer Schicht sein. Alle erfindungsgemäßen Vorteile und Ausführungen für die erste Materialschicht können daher auch für die mindestens eine weitere Materialschicht gelten. Material layer, like the first material layer, can be a graphite polymer layer. All advantages and embodiments according to the invention for the first material layer can therefore also apply to the at least one further material layer.
Ferner kann die mindestens eine weitere Materialschicht dieselben Zusatzstoffe, wie sie bereits vorher für die erste Materialschicht aufgelistet wurden, aufweisen. Die Vorteile der Zusatzstoffe, die die erste Materialschicht umfassen kann, können auch für die mindestens eine weitere Materialschicht gelten. Dabei kann die mindestens eine weitere Materialschicht einen oder mehrere Zusatzstoff(e) in jeweils einem bestimmten Anteil aufweisen, um gewünschte Eigenschaften der mindestens einen weiteren Materialschicht zu erreichen. Weiter kann die mindestens eine weitere Materialschicht den wenigstens einen Zusatzstoff mindestens bereichsweise in der mindestens einen weiteren Materialschicht aufweisen, d. h. die mindestens eine weitere Materialschicht kann beispielsweise einen Zusatzstoff in der gesamten mindestens einen weiteren Materialschicht oder bereichsweise, wobei der Bereich einen Teil der mindestens einen weiteren Materialschicht darstellt, aufweisen. Insbesondere kann der Bereich eine aktive Zone oder eine inaktive Zone des Halbzeuges sein. Ferner kann die mindestens eine weitere Materialschicht wenigstens den einen Zusatzstoff an einer Furthermore, the at least one further material layer can have the same additives as were already listed above for the first material layer. The advantages of the additives that the first material layer can include can also apply to the at least one further material layer. The at least one further material layer can have one or more additive (s) in each case in a specific proportion in order to achieve desired properties of the at least one further material layer. Furthermore, the at least one further material layer can have the at least one additive at least in regions in the at least one further material layer, ie the at least one further material layer can, for example, have an additive in the entire at least one further material layer or in regions, the region representing part of the at least one further material layer. In particular, the area can be an active zone or an inactive zone of the semifinished product. Furthermore, the at least one further material layer can at least one additive on one
Oberfläche der weiteren Materialschicht oder an beiden Oberflächen der weiteren Materialschicht aufweisen und insbesondere eine eigene Schicht ausbilden. Auch kann der mindestens eine Zusatzstoff homogen oder nicht homogen in der mindestens einen weiteren Materialschicht verteilt sein. Have surface of the further material layer or on both surfaces of the further material layer and in particular form a layer of its own. The at least one additive can also be distributed homogeneously or not homogeneously in the at least one further material layer.
Insbesondere kann die Konzentration des Zusatzstoffes einen Gradienten in der mindestens einen weiteren Materialschicht aufweisen. Durch den wenigstens einen Zusatzstoff können eine hohe chemische Resistenz und/oder eine hohe Mediendichtigkeit und/oder eine hohe thermische Leitfähigkeit und/oder eine hohe elektrische Leitfähigkeit und/oder eine hohe mechanische Stabilität eines Halbzeuges besonders vorteilhaft erhalten und die Langlebigkeit des Halbzeuges kann sichergestellt werden. Insbesondere kann der Zusatzstoff ein In particular, the concentration of the additive can have a gradient in the at least one further material layer. With the at least one additive, a high chemical resistance and / or high media impermeability and / or high thermal conductivity and / or high electrical conductivity and / or high mechanical stability of a semifinished product can be obtained particularly advantageously and the longevity of the semifinished product can be ensured . In particular, the additive can be a
haftvermittelnder Zusatzstoff sein, der eine besonders gute Haftverbindung zwischen benachbarten Schichten, insbesondere der ersten Materialschicht und der zweiten Materialschicht, bezweckt. Weiter kann eine mindestens weitere Materialschicht eine haftvermittelnde Schicht, insbesondere ein Kleber, sein, sodass eine besonders gute Haftverbindung zwischen der ersten Materialschicht und der zweiten Materialschicht gegeben ist. Be an adhesion-promoting additive, which aims to create a particularly good adhesive bond between adjacent layers, in particular the first material layer and the second material layer. Furthermore, at least one further material layer can be an adhesion-promoting layer, in particular an adhesive, so that there is a particularly good adhesive connection between the first material layer and the second material layer.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Halbzeuges ist, dass die zweite Materialschicht, die Metall aufweist, mindestens ein weiteres Material aufweist. Die zweite Materialschicht kann das mindestens eine weitere Material wenigstens bereichsweise aufweisen, d. h. die zweite Materialschicht kann beispielsweise das weitere Material in der gesamten zweiten Materialschicht oder bereichsweise, wobei der Bereich einen Teil der zweiten Materialschicht darstellt, aufweisen. Weiter kann das mindestens eine weitere Material homogen oder nicht homogen in der zweiten Materialschicht verteilt sein. Insbesondere kann die Konzentration des mindestens einen weiteren Materials einen Gradienten in der zweiten Materialschicht aufweisen. Insbesondere kann der Bereich eine aktive Zone oder eine inaktive Zone des Halbzeuges sein. Ferner kann die zweite Materialschicht das mindestens eine weitere Material an einer Oberfläche, insbesondere an einer Oberfläche der der ersten Materialschicht abgewandten Seite und/oder der Oberfläche an die die erste Materialschicht angeordnet wird, aufweisen, und insbesondere eine eigene Schicht in Form einer Beschichtung ausbilden. Insbesondere kann das eine weitere Material mindestens einen vernetzenden Zusatzstoff, wie Epoxy-Resins, und/oder wenigstens ein Additiv für verbesserte Kontaktübergangswiderstände sein. Damit kann eine A particularly advantageous embodiment of a semi-finished product is that the second material layer, which comprises metal, has at least one further material. The second material layer can have the at least one further material at least regionally, ie the second material layer can for example have the further material in the entire second material layer or regionally, the region representing part of the second material layer. Furthermore, the at least one further material can be distributed homogeneously or not homogeneously in the second material layer. In particular, the concentration of the at least one further material can have a gradient in the second material layer. In particular, the area can be an active zone or an inactive zone of the semifinished product. Furthermore, the second material layer can contain the at least one further material on a surface, in particular on a surface that faces away from the first material layer Side and / or the surface on which the first material layer is arranged, and in particular form a separate layer in the form of a coating. In particular, the one further material can be at least one crosslinking additive, such as epoxy resins, and / or at least one additive for improved contact resistance. With that, a
Aneinanderfügung beispielsweise durch Aneinanderpressen, durch Laminieren und/oder durch Kleben, insbesondere durch thermisch induziertes Kleben, eines ersten Halbzeuges an ein zweites Halbzeug zu einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte besonders vorteilhaft optimiert werden. Im Bereich der Joining together, for example by pressing together, by lamination and / or by gluing, in particular by thermally induced gluing, of a first semifinished product to a second semifinished product can be optimized particularly advantageously to form a bipolar plate according to the invention. In the field of
Aneinanderfügung kann die Bipolarplatte vorteilhafterweise mechanisch stabile und leitfähige, insbesondere wärmeleitfähige und/oder elektrisch leitfähige, Eigenschaften aufweisen. Ferner kann die Beschichtung ein Carboncoating sein, wobei besonders vorteilhaft die Schichtdicke des Carboncoating 1 - 2 mm beträgt. Besonders vorteilhaft kann das mindestens eine weitere Material kontaktübergangsreduzierende Eigenschaften besitzen. Dadurch kann ein elektrischer und/oder thermischer Kontaktübergangswiderstand an Grenzflächen der zweiten Materialschicht besonders vorteilhaft reduziert werden. Eine When joined together, the bipolar plate can advantageously have mechanically stable and conductive, in particular thermally conductive and / or electrically conductive, properties. Furthermore, the coating can be a carbon coating, the layer thickness of the carbon coating being 1 to 2 mm particularly advantageously. The at least one further material can particularly advantageously have properties that reduce contact transition. As a result, an electrical and / or thermal contact transition resistance at interfaces of the second material layer can be reduced particularly advantageously. A
Grenzfläche der zweiten Materialschicht, die mindestens das eine weitere Material aufweist, kann eine Oberfläche der der ersten Materialschicht abgewandten Seite oder eine Oberfläche der zweiten Materialschicht, an welche die erste Materialschicht angeordnet ist, sein. Beispielsweise können Elektronen kommend aus der ersten Materialschicht besonders einfach in die zweite Materialschicht mit dem mindestens einen weiteren Material eindringen. Weiter können Elektronen besonders einfach von der zweiten Materialschicht in das mindestens eine weitere Material, das insbesondere in Form einer Beschichtung ausgebildet ist, an der der ersten Materialschicht abgewandten Seite, eindringen. Damit kann ein besonders günstiger Elektronentransport ermöglicht werden. Ferner kann beispielsweise Wärme kommend aus der ersten Materialschicht besonders einfach in die zweite Materialschicht mit dem mindestens einen weiteren Material eindringen. Weiter kann Wärme besonders einfach von der zweiten Materialschicht in das mindestens eine weitere Material, das The interface of the second material layer, which has at least the one further material, can be a surface of the side facing away from the first material layer or a surface of the second material layer on which the first material layer is arranged. For example, electrons coming from the first material layer can particularly easily penetrate into the second material layer with the at least one further material. Furthermore, electrons can particularly easily penetrate from the second material layer into the at least one further material, which is in particular in the form of a coating, on the side facing away from the first material layer. A particularly favorable electron transport can thus be made possible. Furthermore, for example, heat coming from the first material layer can particularly easily penetrate into the second material layer with the at least one further material. Furthermore, heat can be transferred particularly easily from the second material layer into the at least one further material, the
insbesondere in Form einer Beschichtung ausgebildet ist, an der der ersten Materialschicht abgewandten Seite, eindringen. Damit kann ein besonders günstiger Wärmetransport ermöglicht werden. Neben eines besonders günstigen Elektronentransports und/oder Wärmetransports ist auch eine besonders hohe Mediendichtigkeit möglich, wodurch ein Verlust von Fluiden zumindest vermindert und damit eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle erreicht werden kann. is designed in particular in the form of a coating, on the side facing away from the first material layer, penetrate. A particularly favorable heat transport can thus be made possible. In addition to a particularly favorable electron transport and / or heat transport, there is also a particularly high one Media tightness possible, whereby a loss of fluids can at least be reduced and thus an increase in the performance of the fuel cell can be achieved.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform zeigt ein Halbzeug, wobei die Schichtdicke der ersten Materialschicht 5 mm bis 5 mm, insbesondere 10 mm bis 900 mm, insbesondere 350 mm, und die Schichtdicke der zweiten Materialschicht 0,2 mm bis 2 mm, insbesondere 0,3 mm bis 50 mm, beträgt. Werden strukturierte Metallschichten, insbesondere Metallfolien, -gitter oder -netze als zweite A particularly advantageous embodiment shows a semifinished product, the layer thickness of the first material layer 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm, in particular 350 mm, and the layer thickness of the second material layer 0.2 mm to 2 mm, in particular 0.3 mm to 50 mm. Structured metal layers, in particular metal foils, grids or networks, are used as the second
Materialschicht verwendet, dann ist eine Schichtdicke von 5 mm bis 50 mm für diese zweite Materialschicht besonders günstig. Für eine aufgedampfte, galvanische abgeschiedene, gedruckte oder umlaminierte zweite Materialschicht ist eine Materialschichtdicke von 0,3 mm bis 5 mm besonders vorteilhaft. Dadurch kann beispielsweise die Mediendichtigkeit, das Abführen von Wärme, die mechanische Festigkeit, die chemische Resistenz, die Korrosionsbeständigkeit des Halbzeuges und ein Aufnehmen und/oder Übertragen mechanischer Anpresskräfte in einen Brennstoffzellenstapel besonders günstig sein. Weiter kann die Schichtdicke der ersten oder zweiten Materialschicht besonders dünn sein, wodurch ein besonders flexibles, leichtes und materialarmes Halbzeug hergestellt werden kann. Dadurch ist der Bau einer besonders kompakten, leichten und günstigen Brennstoffzelle möglich ist. Ferner hat eine dünne erste und/oder zweite Materialschicht den Vorteil, dass der elektrische und/oder thermische Widerstand des Halbzeuges gering und dadurch auch der elektrische und/oder thermische Leistungsverlust über das Halbzeug besonders niedrig gehalten wird. Eine Wärmeabführung mittels eines Kühlfluids ist damit besonders günstig. If material layer is used, then a layer thickness of 5 mm to 50 mm is particularly favorable for this second material layer. For a vapor-deposited, electrodeposited, printed or laminated second material layer, a material layer thickness of 0.3 mm to 5 mm is particularly advantageous. As a result, for example, the media tightness, the dissipation of heat, the mechanical strength, the chemical resistance, the corrosion resistance of the semifinished product and the absorption and / or transmission of mechanical contact forces in a fuel cell stack can be particularly favorable. Furthermore, the layer thickness of the first or second material layer can be particularly thin, as a result of which a particularly flexible, light and low-material semi-finished product can be produced. This makes it possible to build a particularly compact, lightweight and inexpensive fuel cell. Furthermore, a thin first and / or second material layer has the advantage that the electrical and / or thermal resistance of the semifinished product is kept low and, as a result, the electrical and / or thermal power loss over the semifinished product is kept particularly low. Heat dissipation by means of a cooling fluid is therefore particularly favorable.
Weiter weist die vorliegende Erfindung in einem zweiten Aspekt eine In a second aspect, the present invention also has a
Bipolarplatte aus zwei Halbzeugen, wobei jedes der Halbzeuge nach einer der beschriebenen Ausführungsformen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgeführt ist, auf. Dabei werden die Halbzeuge derart aneinandergefügt , dass die zweite Materialschicht des ersten Halbzeugs und die zweite Materialschicht des zweiten Halbzeugs aneinander angeordnet sind und sich die jeweiligen zweiten Materialschichten unter Ausbildung von Kühlkanälen, insbesondere in der aktiven Zone, kontaktieren. Das Anordnen kann dabei beispielsweise durch Aneinanderpressen, durch Laminieren und/oder durch Kleben, insbesondere durch thermisch induziertes Kleben, des ersten Halbzeuges an das zweite Halbzeug erfolgt sein. Vorteilhafterweise können die Halbzeuge Strukturen zur exakten Positionierung des ersten Halbzeuges an das zweite Halbzeug aufweisen, wodurch sichergestellt werden kann, dass sich die Kühlkanäle erfindungsgemäß ausbilden. Dadurch, dass die beiden zweiten Bipolar plate made of two semi-finished products, each of the semi-finished products being designed according to one of the described embodiments according to the first aspect of the invention. The semifinished products are joined together in such a way that the second material layer of the first semifinished product and the second material layer of the second semifinished product are arranged next to one another and the respective second material layers contact each other to form cooling channels, in particular in the active zone. The arrangement can for example by Pressing against one another, by lamination and / or by gluing, in particular by thermally induced gluing, of the first semifinished product to the second semifinished product can be carried out. The semifinished products can advantageously have structures for the exact positioning of the first semifinished product on the second semifinished product, whereby it can be ensured that the cooling channels are formed according to the invention. By having the two second
Materialschichten, welche Metall aufweisen, aneinander geordnet sind, können metallisierte Kühlkanäle ausgebildet werden, die eine besonders vorteilhafte thermische Ankopplung des Kühlmediums erlauben, wodurch der Abtransport, der in einer Brennstoffzelle entstehenden Wärme mittels eines Kühlfluids besonders begünstigt werden kann. Ferner begünstigt die Aneinanderordnung der beiden zweiten Materialschichten die Mediendichtigkeit, wodurch ein Verlust der Fluide vermindert wird und damit eine leistungsstarke Brennstoffzelle ermöglicht werden kann. Bei einer Bipolarplatte, bei der mindestens eine der beiden zweiten Materialschichten mindestens ein weiteres Material, Material layers which comprise metal are arranged next to one another, metallized cooling channels can be formed which allow a particularly advantageous thermal coupling of the cooling medium, whereby the removal of the heat generated in a fuel cell by means of a cooling fluid can be particularly favored. Furthermore, the arrangement of the two second material layers favors the media tightness, whereby a loss of fluids is reduced and thus a powerful fuel cell can be made possible. In the case of a bipolar plate in which at least one of the two second material layers has at least one further material,
insbesondere in Form einer kontaktübergangsreduzierenden Beschichtung, aufweist, kann ein besonders niedriger elektrischer und/oder thermischer Widerstand zwischen den beiden Halbzeugen erreicht werden. Dadurch kann eine besonders effiziente Brennstoffzelle erreicht werden. Die Bipolarplatte gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Halbzeug gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. in particular in the form of a contact transition-reducing coating, a particularly low electrical and / or thermal resistance between the two semi-finished products can be achieved. This enables a particularly efficient fuel cell to be achieved. The bipolar plate according to the second aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the semifinished product according to the first aspect of the invention.
Gemäß einem dritten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine In a third aspect, the present invention provides a
Brennstoffzelle, die wenigstens einen Elektrolyten, wenigstens zwei Elektroden, wenigstens zwei Gasdiffusionsschichten und wenigstens zwei Bipolarplatten gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung aufweist, vor. Der Elektrolyt kann beispielsweise wie in einer PEM-Brennstoffzelle eine Proton-Exchange-Membran sein. Eine Gasdiffusionsschicht kann beispielsweise thermisch durch Lamination an eine Oberfläche einer ersten Materialschicht eines erfindungsgemäßen Halbzeuges der der zweiten Materialschicht abgewandten Seite angeordnet werden. Ferner können eine Gasdiffusionsschicht, ein Katalyt, insbesondere eine Katalysator-3-Phasengrenzschicht und eine Membran, insbesondere eine protonen-leitende Membran, an eine Oberfläche einer ersten Materialschicht eines erfindungsgemäßen Halbzeuges der der zweiten Materialschicht abgewandten Seite angeordnet werden. Ferner kann eine erste Materialschicht eines Halbzeuges wenigstens einen vernetzenden Zusatzstoff aufweisen und eine Oberfläche der der zweiten Materialschicht abgewandten Seite kann in Kontakt mit einer Oberfläche einer Gasdiffusionsschicht sein, wobei chemische Bindungen an der Kontaktfläche eine besonders vorteilhafte starke Vernetzung und damit Verbindung von der ersten Materialschicht und der Fuel cell having at least one electrolyte, at least two electrodes, at least two gas diffusion layers and at least two bipolar plates according to the second aspect of the invention. The electrolyte can be a proton exchange membrane, for example, as in a PEM fuel cell. A gas diffusion layer can for example be thermally arranged by lamination on a surface of a first material layer of a semifinished product according to the invention on the side facing away from the second material layer. Furthermore, a gas diffusion layer, a catalyst, in particular a catalyst 3-phase boundary layer and a membrane, in particular a proton-conducting membrane, can be attached to a surface of a first material layer of a semifinished product according to the invention of the second material layer be arranged away from the side. Furthermore, a first material layer of a semifinished product can have at least one crosslinking additive and a surface of the side facing away from the second material layer can be in contact with a surface of a gas diffusion layer, with chemical bonds on the contact surface providing a particularly advantageous strong crosslinking and thus connection of the first material layer and of the
Gasdiffusionsschicht erzeugen können. Insbesondere kann dabei die Vernetzung durch einen thermisch induzierten Laminationsschritt erfolgt sein. Diese Can produce gas diffusion layer. In particular, the crosslinking can have occurred by means of a thermally induced lamination step. This
Vernetzung kann einen besonders stabilen Verbund an der Kontaktfläche erzeugen und kann zusätzlich besonders strukturverstärkend wirken. Die Networking can create a particularly stable bond on the contact surface and can also have a particularly structural reinforcement. The
Brennstoffzelle gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Halbzeug gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Bipolarplatte gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. The fuel cell according to the third aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the semifinished product according to the first aspect of the invention or the bipolar plate according to the second aspect of the invention.
Die Brennstoffzelle kann auch als Brennstoffzellenstapel verstanden werden. The fuel cell can also be understood as a fuel cell stack.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, aufweisend die nachfolgenden Schritte, gelöst: According to a fourth aspect of the invention, the object is achieved by a method for producing a semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell, having the following steps:
a) Bereitstellung eines thermoplastisch formbaren, leitfähigen, insbesondere elektrisch leitfähigen und/oder thermisch leitfähigen, mechanisch stabilen Graphit-Polymer Materialverbundes aus mindestens einer elektrisch leitenden Kohlenstoff-Komponente und mindestens einer polymeren a) Provision of a thermoplastically formable, conductive, in particular electrically conductive and / or thermally conductive, mechanically stable graphite-polymer material composite composed of at least one electrically conductive carbon component and at least one polymeric component
Komponente, Component,
b) Ausformung des Graphit-Polymer Materialverbundes zu einer ersten b) Forming the graphite-polymer material composite into a first
Materialschicht, Material layer,
cl) Strukturierung der ersten Materialschicht, Bereitstellen einer zweiten cl) structuring the first material layer, providing a second
Materialschicht, die Metall aufweist, und Anordnen der zweiten Layer of material comprising metal and arranging the second
Materialschicht an die erste Materialschicht zu einem Schichtverbund zur Herstellung des Halbzeuges, Material layer to the first material layer to form a layer composite for the production of the semi-finished product,
oder or
c2) Bereitstellen einer zweiten Materialschicht, die Metall aufweist, Anordnen der zweiten Materialschicht an die erste Materialschicht zu einem Schichtverbund, und Strukturierung des Schichtverbundes zur Herstellung des Halbzeuges. c2) providing a second material layer which comprises metal, arranging the second material layer on the first material layer to form a Layer composite and structuring of the layer composite for the production of the semi-finished product.
Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann somit ein strukturiertes Halbzeug aus einer ersten Materialschicht und einer zweiten, Metall aufweisenden, Materialschicht hergestellt werden. Die mindestens eine Kohlenstoffkomponente und die mindestens eine polymere Komponente können beispielsweise als Pulver oder Granulat vorliegen. Für die Herstellung des Halbzeuges kann in Schritt a) die mindestens eine Kohlenstoff- Komponente und die mindestens eine polymere Komponente über ein Compoundierverfahren, insbesondere über eine lösemittelfreies Compoundierverfahren, zu einem thermoplastisch formbaren, leitfähigen, mechanisch stabilen Graphit-Polymer Materialverbund verarbeitet werden. Durch das Compoundieren kann ein vorteilhaftes Mischen von By means of a method according to the invention, a structured semi-finished product can thus be produced from a first material layer and a second material layer comprising metal. The at least one carbon component and the at least one polymeric component can be in the form of powder or granules, for example. For the production of the semi-finished product, in step a) the at least one carbon component and the at least one polymeric component can be processed into a thermoplastically formable, conductive, mechanically stable graphite-polymer material composite using a compounding process, in particular a solvent-free compounding process. The compounding allows advantageous mixing of
Komponenten und ein vorteilhaftes Kompaktieren erfolgen. Als Komponenten können erfindungsgemäße Kohlenstoff- Komponenten und/oder polymere Komponente und/oder Zusatzstoffe verstanden werden. Durch das Components and an advantageous compacting take place. Components according to the invention can be understood to be carbon components and / or polymeric components and / or additives. By the
Compoundierverfahren kann beispielsweise ein besonders homogener Graphit- Polymer Materialverbund für die Herstellung der ersten Materialschicht bereitgestellt werden. Compounding method, for example, a particularly homogeneous graphite-polymer material composite can be provided for the production of the first material layer.
In dem Schritt b) kann beispielsweise mittels Extrusion und/oder Kalandrieren oder Heißpressen der Graphit-Polymer Materialverbund zu einer ersten In step b) the graphite-polymer material composite can for example by means of extrusion and / or calendering or hot pressing to form a first
Materialschicht, insbesondere mit einer geforderten Schichtdicke, ausgeformt werden. Dabei kann die erste Materialschicht eine besonders vorteilhafte Mediendichtigkeit und/oder mechanische Festigkeit und/oder chemische Resistenz und/oder Korrosionsbeständigkeit und/oder Oberflächenqualität aufweisen. Aufgrund der hohen Oberflächenqualität können Material layer, in particular with a required layer thickness, are formed. The first material layer can have a particularly advantageous media tightness and / or mechanical strength and / or chemical resistance and / or corrosion resistance and / or surface quality. Due to the high surface quality,
Oberflächengeometrien zum Leiten von Fluiden mit einem besonders niedrigen Reibungswiderstand hergestellt werden, wodurch ein Druckabfall eines Fluids entlang einer Fließrichtung eines Fluids besonders vorteilhaft geringgehalten werden kann. Ferner können Oberflächengeometrien, insbesondere Riblets, im einstelligen mm-Bereich mit hoher Strukturgenauigkeit hergestellt werden, wodurch ein Leistungsverlust einer Brennstoffzelle durch Surface geometries for guiding fluids are produced with a particularly low frictional resistance, whereby a pressure drop of a fluid along a flow direction of a fluid can be kept particularly advantageously low. In addition, surface geometries, in particular riblets, can be produced in the single-digit mm range with high structural accuracy, which results in a loss of power in a fuel cell
Strukturungenauigkeiten von Halbzeugen vermindert werden kann. Im Schritt cl) des Verfahrens zur Herstellung eines Halbzeuges wird die erste Materialschicht beispielsweise durch Prägen mit einer Prägeplatte mittels einer Presse, insbesondere einer Backenpresse, einer Walze oder einem Kalander strukturiert. Die Struktur der Prägeplatte bestimmt dabei die erfindungsgemäße Struktur. Vorteilhafterweise kann das Strukturieren bei erhöhter Temperatur erfolgen, da hier insbesondere die erste Materialschicht besonders günstig formbar ist. Eine zweite Materialschicht, die Metall aufweist, wird bereitgestellt. Zur Herstellung des Halbzeuges wird die zweite Materialschicht beispielsweise mit Verfahren wie Laminieren, Umlaminieren, Aufdampfen, Aufdrucken oder galvanisches Beschichten an die erste Materialschicht zu einem Schichtverbund angeordnet. Structural inaccuracies of semi-finished products can be reduced. In step c1) of the method for producing a semifinished product, the first material layer is structured, for example, by embossing with an embossing plate using a press, in particular a jaw press, a roller or a calender. The structure of the embossing plate determines the structure according to the invention. The structuring can advantageously take place at an elevated temperature, since here in particular the first material layer can be shaped particularly favorably. A second layer of material comprising metal is provided. To produce the semi-finished product, the second material layer is arranged on the first material layer to form a layer composite, for example using methods such as lamination, re-lamination, vapor deposition, printing or galvanic coating.
Im Schritt c2) des Verfahrens zur Herstellung eines Halbzeuges wird alternativ zu Schritt cl) eine zweite Materialschicht, die Metall aufweist, bereitgestellt und die zweite Materialschicht wird beispielsweise mit Verfahren wie Laminieren, Umlaminieren, Aufdampfen, Aufdrucken oder galvanisches Beschichten an die erste Materialschicht zu einem Schichtverbund angeordnet. Der Schichtverbund wird beispielsweise durch Prägen mit einer Prägeplatte mittels einer Presse, insbesondere einer Backenpresse, einer Walze oder einem Kalander, strukturiert. Die Struktur der Prägeplatte bestimmt dabei die erfindungsgemäße Struktur. Vorteilhafterweise kann das Strukturieren bei erhöhter Temperatur erfolgen, da hier insbesondere die erste Materialschicht besonders günstig formbar ist. In step c2) of the method for producing a semifinished product, as an alternative to step cl), a second material layer comprising metal is provided and the second material layer is made into one with methods such as lamination, re-lamination, vapor deposition, printing or electroplating onto the first material layer Layer composite arranged. The layer composite is structured, for example, by embossing with an embossing plate using a press, in particular a jaw press, a roller or a calender. The structure of the embossing plate determines the structure according to the invention. The structuring can advantageously take place at an elevated temperature, since here in particular the first material layer can be shaped particularly favorably.
Ferner kann in Schritt cl) oder c2) die zweite Materialschicht mindestens ein weiteres Material aufweisen. Insbesondere kann die Anordnung des weiteren Materials in Form einer Beschichtung an der der ersten Materialschicht abgewandten Seite erfolgen. Weiter kann in einem zusätzlichen Schritt in cl) oder c2) durch Entfernen der Prägeplatte, welche in Kontakt mit der ersten Materialschicht war, und Anordnen einer Gasdiffusionsschicht, eines Katalyt, insbesondere einer Katalysator-3-Phasengrenzschicht, und einer Membran, insbesondere einer protonen-leitende Membran, an einer Oberfläche der ersten Materialschicht der der zweiten Materialschicht abgewandten Seite Furthermore, in step cl) or c2), the second material layer can have at least one further material. In particular, the further material can be arranged in the form of a coating on the side facing away from the first material layer. Furthermore, in an additional step in cl) or c2), by removing the embossing plate which was in contact with the first material layer and arranging a gas diffusion layer, a catalytic converter, in particular a catalyst 3-phase boundary layer, and a membrane, in particular a proton conductive membrane, on a surface of the first material layer on the side facing away from the second material layer
beispielsweise durch Pressen oder Kalandrieren ein Halbzeug besonders einfach und kostengünstig gefertigt werden. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform kann in dem For example, a semi-finished product can be manufactured particularly easily and inexpensively by pressing or calendering. In a further particularly advantageous embodiment, in the
Verfahren vorgesehen sein, dass mindestens eine weitere Materialschicht bereitgestellt wird und vor oder nach dem Strukturieren der ersten Method can be provided that at least one further material layer is provided and before or after the structuring of the first
Materialschicht in cl) oder vor dem Anordnen der zweiten Materialschicht an die erste Materialschicht in Schritt c2) die mindestens eine weitere Materialschicht zwischen der ersten Materialschicht und der zweiten Materialschicht angeordnet wird. Ein Anordnen zwischen der ersten Materialschicht und der zweiten Materialschicht ist dabei so zu verstehen, dass die mindestens eine weitere Materialschicht an die erste Materialschicht angeordnet werden kann und im Folgenden wird die zweite Materialschicht angeordnet. Die mindestens eine weitere Materialschicht kann auch erst an die zweite Materialschicht angeordnet werden und im Folgenden wird die erste Materialschicht angeordnet. Eine Anordnung der mindestens einen weiteren Materialschicht kann beispielsweise durch Aneinanderpressen, durch Laminieren und/oder durch Kleben, insbesondere durch thermisch induziertes Kleben erfolgen. Die mindestens eine weitere Materialschicht kann eine Graphit-Polymer Schicht, wie die erste Materialschicht, sein und dieselben Zusatzstoffe wie auch die erste Material layer in cl) or before the second material layer is arranged on the first material layer in step c2) the at least one further material layer is arranged between the first material layer and the second material layer. An arrangement between the first material layer and the second material layer is to be understood to mean that the at least one further material layer can be arranged on the first material layer and the second material layer is then arranged. The at least one further material layer can also first be arranged on the second material layer and then the first material layer is arranged. The at least one further material layer can be arranged, for example, by pressing against one another, by lamination and / or by gluing, in particular by thermally induced gluing. The at least one further material layer can be a graphite-polymer layer, like the first material layer, and the same additives as the first
Materialschicht aufweisen kann, umfassen. Die erfindungsgemäßen May have material layer include. The invention
Verfahrensschritte und Vorteile, die die erste Materialschicht betreffen, können somit auch für die mindestens eine weitere Graphit-Polymerschicht gelten. Method steps and advantages that relate to the first material layer can thus also apply to the at least one further graphite polymer layer.
Weiter kann die mindestens eine weitere Materialschicht eine haftvermittelnde Schicht, insbesondere ein Kleber, sein. Durch die Anordnung mindestens einer weiteren Materialschicht können die Eigenschaften eines Halbzeuges, insbesondere der ersten Materialschicht, besonders vorteilhaft ergänzt werden. Eine besonders hohe mechanische Festigkeit und/oder ein niedriger elektrischer Widerstand und/oder eine sehr gute Haftverbindung mit benachbarten Furthermore, the at least one further material layer can be an adhesion-promoting layer, in particular an adhesive. By arranging at least one further material layer, the properties of a semifinished product, in particular the first material layer, can be supplemented particularly advantageously. A particularly high mechanical strength and / or a low electrical resistance and / or a very good adhesive connection with adjacent ones
Materialschichten, insbesondere der ersten Materialschicht und/oder der zweiten Materialschicht, ist möglich. Damit kann ein Halbzeug mit mehreren, mindestens drei, Schichten geschaffen werden, welche an Funktions- und Material layers, in particular the first material layer and / or the second material layer, is possible. This allows a semi-finished product to be created with several, at least three, layers, which are functional and
Designanforderungen einer Brennstoffzelle optimal angepasst werden können. Design requirements of a fuel cell can be optimally adapted.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform weist in Schritt b) auf, dass der Graphit-Polymer Materialverbund zu einer ersten Materialschicht mit einer Schichtdicke von 5 mm bis 5 mm, insbesondere 10 mm bis 900 mm, insbesondere 350 mm, ausgeformt wird und die Schichtdicke der in Schritt cl) oder c2) an die erste Materialschicht angeordneten zweiten Materialschicht 0,2 mm bis 2 mm, insbesondere 0,3 mm bis 50 mm, beträgt. Werden strukturierte Metallschichten, insbesondere Metallfolien, -gitter oder -netze als zweite Materialschicht verwendet, dann ist eine Schichtdicke von 5 mm bis 50 mm für diese zweite Materialschicht besonders günstig. Für eine aufgedampfte, galvanische abgeschiedene, gedruckte oder umlaminierte zweite Materialschicht ist eine Materialschichtdicke von 0,3 mm bis 5 mm besonders vorteilhaft. Dadurch kann beispielsweise die Mediendichtigkeit, das Abführen von Wärme, die mechanische Festigkeit, die chemische Resistenz, die Korrosionsbeständigkeit des A particularly advantageous embodiment has in step b) that the graphite-polymer material composite is formed into a first material layer with a layer thickness of 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm, in particular 350 mm, and the layer thickness of the in step cl) or c2) to the second material layer arranged first material layer is 0.2 mm to 2 mm, in particular 0.3 mm to 50 mm. If structured metal layers, in particular metal foils, grids or networks, are used as the second material layer, then a layer thickness of 5 mm to 50 mm is particularly favorable for this second material layer. For a vapor-deposited, electrodeposited, printed or laminated second material layer, a material layer thickness of 0.3 mm to 5 mm is particularly advantageous. In this way, for example, the media tightness, the dissipation of heat, the mechanical strength, the chemical resistance, the corrosion resistance of the
Halbzeuges und/oder ein Aufnehmen und/oder Übertragen mechanischer Anpresskräfte in einen Brennstoffzellenstapel besonders günstig sein. Das Verfahren gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Halbzeug gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Bipolarplatte gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bzw. der Brennstoffzelle gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Semi-finished product and / or taking up and / or transferring mechanical contact forces in a fuel cell stack can be particularly favorable. The method according to the fourth aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the semifinished product according to the first aspect of the invention or the bipolar plate according to the second aspect of the invention or the fuel cell according to the third aspect of the invention.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren offenbart, in dem ein erstes Halbzeug und ein zweites Halbzeug, welche jeweils gemäß einem vorangegangen beschriebenen Verfahren hergestellt sind, unter Ausbildung von Kühlkanälen zu einer Bipolarplatte gefügt werden. Das Fügen kann According to a fifth aspect of the invention, a method is disclosed in which a first semifinished product and a second semifinished product, which are each produced according to a method described above, are joined to form a bipolar plate with the formation of cooling channels. The joining can
beispielsweise mittels Aneinanderpressen, Laminieren und/oder Kleben, insbesondere thermisch induziertes Kleben erfolgen. Das Verfahren gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Halbzeug gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Bipolarplatte gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bzw. der Brennstoffzelle gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bzw. dem Verfahren zur Herstellung eines for example by means of pressing together, laminating and / or gluing, in particular thermally induced gluing. The method according to the fifth aspect of the invention thus has the same advantages as already for the semifinished product according to the first aspect of the invention or the bipolar plate according to the second aspect of the invention or the fuel cell according to the third aspect of the invention or the method to make a
Halbzeuges gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Semi-finished product according to the fourth aspect of the invention have been described.
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 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 from the
Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Features and / or advantages arising from the claims, the description or the drawings, including structural details, spatial
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. Arrangements and procedural steps can be used both for themselves and in the different combinations be essential to the invention. 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: Show it:
Fig. 1 ein Halbzeug 100 einer Bipolarplatte 200 für eine Brennstoffzelle 300, wobei das Halbzeug 100 eine erste Materialschicht 10 und eine zweite Materialschicht 20 umfasst. Weiter ist die erste Materialschicht 10 an der zweiten Materialschicht 20 angeordnet und das Halbzeug 100 weist wenigstens bereichsweise eine Struktur 102 auf, 1 shows a semi-finished product 100 of a bipolar plate 200 for a fuel cell 300, the semi-finished product 100 including a first material layer 10 and a second material layer 20. Furthermore, the first material layer 10 is arranged on the second material layer 20 and the semifinished product 100 has a structure 102 at least in some areas,
Fig. 2 ein erstes Halbzeug 100 und ein zweites Halbzeug 100, welche unter Ausbildung von Kühlkanälen 104 zu einer Bipolarplatte 200 gefügt sind, 2 shows a first semi-finished product 100 and a second semi-finished product 100, which are joined to form a bipolar plate 200 with the formation of cooling channels 104,
Fig. 3 ein erstes Halbzeug 100 und ein zweites Halbzeug 100, wobei jeweils die zweite Materialschicht 20 der Halbzeuge 100 mindestens ein weiteres Material 24 an einer Oberfläche der der ersten Materialschicht 10 abgewandten Seite aufweist, insbesondere in Form einer 3 shows a first semifinished product 100 and a second semifinished product 100, the second material layer 20 of the semifinished products 100 each having at least one further material 24 on a surface of the side facing away from the first material layer 10, in particular in the form of a
Beschichtung, Coating,
Fig. 4 eine Brennstoffzelle 300 aufweisend einen Elektrolyten 202, zwei 4 shows a fuel cell 300 having one electrolyte 202, two
Elektroden 206, 207, zwei Gasdiffusionsschichten 204, 205, und zwei Bipolarplatten 200, 200, Electrodes 206, 207, two gas diffusion layers 204, 205, and two bipolar plates 200, 200,
Fig. 5 ein Brennstoffzellenstapel aufweisend mehrere aneinander angeordnete Brennstoffzellen 300, 5 shows a fuel cell stack having a plurality of fuel cells 300 arranged next to one another,
Fig. 6 ein Verfahren, in dem ein strukturiertes Halbzeug 100 aus einer ersten Materialschicht 10 und einer zweiten, Metall aufweisenden, 6 shows a method in which a structured semi-finished product 100 made of a first material layer 10 and a second, metal-containing,
Materialschicht 20 hergestellt wird, Material layer 20 is produced,
Fig. 7 ein Verfahren, in dem ein strukturiertes Halbzeug 100 aus einer ersten Materialschicht 10 und einer zweiten, Metall aufweisenden, 7 shows a method in which a structured semi-finished product 100 composed of a first material layer 10 and a second, metal-containing,
Materialschicht 20 hergestellt wird, Fig. 8 ein Verfahren, in dem ein erstes Halbzeug 100 und ein zweites Material layer 20 is produced, 8 shows a method in which a first semifinished product 100 and a second
Halbzeug 100 zu einer Bipolarplatte 200 gefügt wird, Semi-finished product 100 is joined to form a bipolar plate 200,
Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Halbzeug 100 mit einer ersten Materialschicht 10, einer zweiten Materialschicht 20 und einer weiteren Materialschicht 30, und 9 shows a semifinished product 100 according to the invention with a first material layer 10, a second material layer 20 and a further material layer 30, and
Fig. 10 ein erfindungsgemäßes Halbzeug 100 mit einer ersten Materialschicht 10, einer zweiten Materialschicht 20 und einer weiteren Materialschicht 30. 10 shows a semifinished product 100 according to the invention with a first material layer 10, a second material layer 20 and a further material layer 30.
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.
Fig. 1 zeigt ein Halbzeug 100 einer Bipolarplatte 200 für eine Brennstoffzelle 300, wobei das Halbzeug 100 eine erste Materialschicht 10 und eine zweite 1 shows a semi-finished product 100 of a bipolar plate 200 for a fuel cell 300, the semi-finished product 100 having a first material layer 10 and a second
Materialschicht 20 umfasst. Weiter ist die erste Materialschicht 10 an der zweiten Materialschicht 20 angeordnet und das Halbzeug 100 weist wenigstens bereichsweise eine fluidleitende Struktur 102 auf. Weiter weist die erste Material layer 20 comprises. Furthermore, the first material layer 10 is arranged on the second material layer 20 and the semifinished product 100 has a fluid-conducting structure 102 at least in some areas. Next points the first
Materialschicht 10 wenigstens einen Zusatzstoff 16 an einer Oberfläche der der zweiten Materialschicht 20 abgewandten Seite auf und bildet eine eigene Schicht in Form einer Beschichtung. Die zweite Materialschicht 20, die Metall aufweist, umfasst mindestens ein weiteres Material 24. Die zweite Materialschicht 20 weist das mindestens eine weitere Material 24 an einer Oberfläche der der ersten Materialschicht 10 abgewandten Seite auf und bildet eine eigene Schicht in Form einer Beschichtung, wie in Fig. 1 abgebildet ist. Material layer 10 has at least one additive 16 on a surface of the side facing away from the second material layer 20 and forms its own layer in the form of a coating. The second material layer 20, which comprises metal, comprises at least one further material 24. The second material layer 20 has the at least one further material 24 on a surface of the side facing away from the first material layer 10 and forms its own layer in the form of a coating, as in FIG Fig. 1 is depicted.
Fig. 2 zeigt eine Bipolarplatte 200 aus zwei Halbzeugen 100 einer Brennstoffzelle 300. Ein erstes Halbzeug 100, dessen erste Materialschicht 10 einer 2 shows a bipolar plate 200 made of two semi-finished products 100 of a fuel cell 300. A first semi-finished product 100, the first material layer 10 of which has a
Anodenseite einer Brennstoffzelle 300 zugewandt ist, und ein zweites Halbzeug 100, dessen erste Materialschicht 10 einer Kathodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle 300 zugewandt ist, kann jeweils den Anforderungen auf The anode side of a fuel cell 300 faces, and a second semifinished product 100, the first material layer 10 of which faces a cathode side of an adjacent fuel cell 300, can each meet the requirements
Kathoden- und Anodenseite angepasst sein. Weiter sind die Halbzeuge 100 derart aneinandergefügt, sodass die zweite Materialschicht 20 des ersten Halbzeugs 100 und die zweite Materialschicht 20 des zweiten Halbzeugs 100 aneinander angeordnet sind und sich die jeweiligen zweiten Materialschichten 20 unter Ausbildung von Kühlkanälen 104 kontaktieren. In den Kühlkanälen 104 kann ein Fluid, beispielsweise Wasser, insbesondere als Kühlfluid, fließen, um die Temperatur in der Brennstoffzelle 300 zu regulieren. Der freie Raum, der sich zwischen zwei Kühlkanälen 104 durch die Struktur 102 auf der Anoden- bzw. Kathodenseite ergibt, dient dem Leiten von Fluiden, insbesondere Sauerstoff oder Luft kathodenseitig und Wasserstoff anodenseitig. Insbesondere kann die zweite Materialschicht 20, die Metall aufweist, mindestens ein weiteres Material 24 umfassen. Cathode and anode side be adapted. The semi-finished products are 100 joined together in such a way that the second material layer 20 of the first semifinished product 100 and the second material layer 20 of the second semifinished product 100 are arranged next to one another and the respective second material layers 20 contact each other to form cooling channels 104. A fluid, for example water, in particular as a cooling fluid, can flow in the cooling channels 104 in order to regulate the temperature in the fuel cell 300. The free space that results between two cooling channels 104 through the structure 102 on the anode or cathode side is used to conduct fluids, in particular oxygen or air on the cathode side and hydrogen on the anode side. In particular, the second material layer 20, which comprises metal, can comprise at least one further material 24.
Fig. 3 zeigt eine Bipolarplatte 200 aus zwei Halbzeugen 100 einer Brennstoffzelle 300. Weiter weist die erste Materialschicht 10 des ersten Halbzeugs 100 wenigstens einen Zusatzstoff 16, insbesondere an einer Oberfläche der der zweiten Materialschicht 20 des ersten Halbzeuges 100 abgewandten Seite, auf und bildet eine eigene Schicht in Form einer Beschichtung. Die zweite 3 shows a bipolar plate 200 made of two semifinished products 100 of a fuel cell 300. Furthermore, the first material layer 10 of the first semifinished product 100 has at least one additive 16, in particular on a surface of the side facing away from the second material layer 20 of the first semifinished product 100, and forms one own layer in the form of a coating. The second
Materialschicht 20 des ersten Halbzeuges 100 weist dabei mindestens ein weiteres Material 24 an einer Oberfläche der der ersten Materialschicht 10 abgewandten Seite des ersten Halbzeuges 100 auf und bildet eine eigene Schicht in Form einer Beschichtung. Die zweite Materialschicht 20 des zweiten Halbzeuges 100 weist ebenfalls mindestens ein weiteres Material 24 an einer Oberfläche der der ersten Materialschicht 10 abgewandten Seite des zweiten Halbzeuges 100 auf und bildet auch eine eigene Schicht in Form einer Material layer 20 of first semifinished product 100 has at least one further material 24 on a surface of the side of first semifinished product 100 facing away from first material layer 10 and forms its own layer in the form of a coating. The second material layer 20 of the second semifinished product 100 likewise has at least one further material 24 on a surface of the side of the second semifinished product 100 facing away from the first material layer 10 and also forms its own layer in the form of a
Beschichtung. Die beiden Halbzeuge 100 sind derart aneinandergefügt, dass die Beschichtung des ersten Halbzeugs 100 und die Beschichtung des zweiten Halbzeugs 100 aneinander angeordnet sind und sich die Beschichtungen unter Ausbildung von Kühlkanälen 104 kontaktieren. Insbesondere kann die Coating. The two semifinished products 100 are joined to one another in such a way that the coating of the first semifinished product 100 and the coating of the second semifinished product 100 are arranged next to one another and the coatings contact each other to form cooling channels 104. In particular, the
Beschichtung ein Carboncoating sein, wobei besonders vorteilhaft die Coating be a carbon coating, the
Schichtdicke des Carboncoating 1 - 2 mm beträgt. Besonders vorteilhaft kann das mindestens eine weitere Material 24 kontaktübergangsreduzierende Layer thickness of the carbon coating is 1 - 2 mm. The at least one further material 24 can particularly advantageously reduce the contact transition
Eigenschaften besitzen und dadurch einen besonders günstigen Have properties and therefore have a particularly favorable
Elektronentransport und/oder Wärmetransport ermöglichen. Das mindestens eine weitere Material 24 bewirkt eine besonders hohe Mediendichtigkeit, wodurch ein Verlust von Fluiden vermindert und damit eine Leistungssteigerung der Enable electron transport and / or heat transport. The at least one further material 24 produces a particularly high level of media impermeability, as a result of which a Loss of fluids is reduced and thus an increase in performance
Brennstoffzelle 300 erreicht werden kann. Fuel cell 300 can be achieved.
Fig. 4 zeigt eine Brennstoffzelle 300 aufweisend einen Elektrolyten 202, insbesondere in Form einer protonen-leitenden Membran, wie beispielsweise eine Polymerelektrolytmembran, zwei Elektroden, nämlich Anode 206 und Kathode 207, zwei Gasdiffusionsschichten 204, 205 und zwei Bipolarplatten 200, wobei jede Bipolarplatte 200 zwei erfindungsgemäße Halbzeuge 100 umfasst. Die einzelnen Komponenten sind im Einbauzustand aneinandergefügt, sodass kein freier Zwischenraum zwischen den Komponenten vorhanden ist. Der Elektrolyt 202 trennt die beiden Elektroden Anode 206 und Kathode 206 voneinander. Weiter umfasst die Brennstoffzelle 300 erfindungsgemäße 4 shows a fuel cell 300 having an electrolyte 202, in particular in the form of a proton-conducting membrane, such as a polymer electrolyte membrane, two electrodes, namely anode 206 and cathode 207, two gas diffusion layers 204, 205 and two bipolar plates 200, with each bipolar plate 200 comprises two semi-finished products 100 according to the invention. The individual components are joined together in the installed state, so that there is no free space between the components. The electrolyte 202 separates the two electrodes anode 206 and cathode 206 from one another. The fuel cell 300 further comprises the invention
Bipolarplatten 200, durch die Wasserstoff zur Anode 206 und Sauerstoff/Luft zur Kathode 207 bzw. Wasser von der Kathode 207 und/oder Anode 206 Bipolar plates 200 through which hydrogen to anode 206 and oxygen / air to cathode 207 or water from cathode 207 and / or anode 206
wegtransportiert wird. Die Bipolarplatten 200 umfassen jeweils eine fluidleitende Struktur 102 zur Verteilung eines Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff, die der Anode 206 zugewandt ist. Die Bipolarplatten 200 umfassen jeweils auch eine fluidleitende Struktur 102 zur Verteilung des Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff/Luft, die der Kathode 207 zugewandt ist. Diese Strukturen 102 wirken gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 300 entstandenem Wasser. Die Bipolarplatten 200 umfassen ferner eine fluidleitende Struktur, insbesondere Kühlkanäle 104, welche zur Durchleitung eines Kühlfluids durch die Bipolarplatte 200 zur Temperaturregelung, insbesondere Kühlung, der Brennstoffzelle 300 dient. Zur Bildung der Kühlkanäle 104 sind zwei Halbzeuge 100 derart aneinandergefügt, sodass fluidleitende Strukturen 102 der beiden Halbzeuge 100 Kühlkanäle 104 formen. is transported away. The bipolar plates 200 each include a fluid-conducting structure 102 for distributing a fuel, in particular hydrogen, which faces the anode 206. The bipolar plates 200 each also include a fluid-conducting structure 102 for distributing the oxidizing agent, in particular oxygen / air, which faces the cathode 207. These structures 102 act at the same time to divert water produced during a reaction in fuel cell 300. The bipolar plates 200 furthermore comprise a fluid-conducting structure, in particular cooling channels 104, which serve to pass a cooling fluid through the bipolar plate 200 for temperature control, in particular cooling, of the fuel cell 300. To form the cooling channels 104, two semi-finished products 100 are joined together in such a way that fluid-conducting structures 102 of the two semi-finished products 100 form cooling channels 104.
Fig. 5 zeigt einen Brennstoffzellenstapel, der sich aus einzelnen Brennstoffzellen 300 aufbaut. Die einzelnen Brennstoffzellen 300 werden in Reihe aneinander zum Brennstoffzellenstapel angeordnet. Die beiden Bipolarplatten 200 eines Brennstoffzellenstapels, die am weitesten voneinander entfernt sind, weisen jeweils nur ein Halbzeug 100 auf. An diese Halbzeuge 100 wird jeweils eine Endplatte (nicht dargestellt) angeordnet, welche dem Abschluss des FIG. 5 shows a fuel cell stack that is made up of individual fuel cells 300. The individual fuel cells 300 are arranged in series with one another to form the fuel cell stack. The two bipolar plates 200 of a fuel cell stack that are furthest apart from one another each have only one semi-finished product 100. An end plate (not shown) is arranged on each of these semi-finished products 100, which end plate is the end of the
Brennstoffzellenstapels dienen und weiter mechanische Anpresskräfte auf den Brennstoffzellenstapel bzw. die Brennstoffzellen 300 übertragen. Fig. 6 und Fig. 7 zeigen erfindungsgemäße Verfahren womit ein strukturiertes Halbzeug 100 aus einer ersten Materialschicht 10 und einer zweiten, Metall aufweisenden, Materialschicht 20 hergestellt werden kann. Für die Herstellung des Halbzeuges 100 wird ein thermoplastisch formbarer, leitfähiger, mechanisch stabiler Graphit-Polymer Materialverbund 11 aus mindestens einer elektrisch leitenden Kohlenstoff-Komponente 12 und mindestens einer polymeren Serve the fuel cell stack and further transmit mechanical contact forces to the fuel cell stack or the fuel cells 300. 6 and 7 show methods according to the invention with which a structured semi-finished product 100 can be produced from a first material layer 10 and a second material layer 20 comprising metal. For the production of the semi-finished product 100, a thermoplastically formable, conductive, mechanically stable graphite-polymer material composite 11 is made of at least one electrically conductive carbon component 12 and at least one polymeric component
Komponente 14 bereitgestellt 700. Über ein Compoundierverfahren, Component 14 provided 700. Via a compounding process,
insbesondere über eine lösemittelfreies Compoundierverfahren können die Komponenten zu einem thermoplastisch formbaren, leitfähigen, mechanisch stabilen Graphit-Polymer Materialverbund 11 verarbeitet werden. Danach wird beispielsweise mittels Extrusion und/oder Kalandrieren oder Heißpressen der Graphit-Polymer Materialverbund 11 zu einer ersten Materialschicht 100, insbesondere mit einer geforderten Schichtdicke, ausgeformt 702. Dabei kann die erste Materialschicht 10 eine besonders vorteilhafte Mediendichtigkeit und/oder mechanische Festigkeit und/oder chemische Resistenz und/oder Korrosionsbeständigkeit und/oder Oberflächenqualität aufweisen. In particular, the components can be processed into a thermoplastically moldable, conductive, mechanically stable graphite-polymer material composite 11 using a solvent-free compounding process. Thereafter, for example by means of extrusion and / or calendering or hot pressing, the graphite-polymer material composite 11 is formed 702 into a first material layer 100, in particular with a required layer thickness. The first material layer 10 can have a particularly advantageous media tightness and / or mechanical strength and / or chemical resistance and / or corrosion resistance and / or surface quality.
Als nächstes wird im Verfahren in Fig. 6 zur Herstellung eines Halbzeuges 100 die erste Materialschicht 10 beispielsweise durch Prägen mit einer Prägeplatte mittels einer Presse, insbesondere einer Backenpresse, einer Walze oder einem Kalander, strukturiert 704. Die Struktur der Prägeplatte bestimmt dabei die erfindungsgemäße Struktur 102. Vorteilhafterweise kann das Strukturieren 704 bei erhöhter Temperatur erfolgen, da hier insbesondere die erste Materialschicht 10 besonders günstig formbar ist. Eine zweite Materialschicht 20, die Metall aufweist, wird bereitgestellt 706. Zur Herstellung des Halbzeuges 100 wird die zweite Materialschicht 20 beispielsweise mit Verfahren wie Laminieren, Next, in the method in FIG. 6 for producing a semi-finished product 100, the first material layer 10 is structured 704, for example by embossing with an embossing plate using a press, in particular a jaw press, a roller or a calender 102. The structuring 704 can advantageously take place at an elevated temperature, since here in particular the first material layer 10 can be shaped particularly favorably. A second material layer 20, which comprises metal, is provided 706. To produce the semi-finished product 100, the second material layer 20 is, for example, using methods such as lamination,
Umlaminieren, Aufdampfen, Aufdrucken oder galvanisch Beschichten an die erste Materialschicht 10 zu einem Schichtverbund 15 angeordnet 708. Ferner kann nach der Bereitstellung 706 der zweiten Materialschicht 20, mindestens ein weiteres Material 24, insbesondere in Form einer Beschichtung an der der ersten Materialschicht 10 abgewandten Seite angeordnet werden 900. Weiter kann in einem zusätzlichen Schritt durch Entfernen der Prägeplatte, welche in Kontakt mit der ersten Materialschicht 10 war, und Anordnen einer Gasdiffusionsschicht, eines Katalyt, insbesondere eine Katalysator-3-Phasengrenzschicht und einer Membran, insbesondere eine protonen-leitende Membran an einer Oberfläche der ersten Materialschicht 10 der der zweiten Materialschicht 20 abgewandten Seite beispielsweise durch Pressen oder Kalandrieren ein Halbzeug 100 besonders einfach und kostengünstig gefertigt werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform weist in Schritt 702 auf, dass der Graphit-Polymer Materialverbund 11 zu einer ersten Materialschicht 10 mit einer Schichtdicke 18 von 5 mm bis 5 mm, insbesondere 10 mm bis 900 mm, ausgeformt 702 wird und die Schichtdicke 26 der in Schritt 706 bereitgestellten und an die erste Laminating, vapor deposition, printing or galvanic coating on the first material layer 10 to form a layer composite 15 arranged 708. Furthermore, after the provision 706 of the second material layer 20, at least one further material 24, in particular in the form of a coating on the side facing away from the first material layer 10 900. Furthermore, in an additional step, by removing the embossing plate that was in contact with the first material layer 10, and arranging a gas diffusion layer, a catalytic, in particular a catalyst 3-phase boundary layer and a Membrane, in particular a proton-conducting membrane, on a surface of the first material layer 10 on the side facing away from the second material layer 20, a semifinished product 100 can be manufactured particularly easily and inexpensively, for example by pressing or calendering. A particularly advantageous embodiment has in step 702 that the graphite-polymer material composite 11 is formed 702 into a first material layer 10 with a layer thickness 18 of 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm, and the layer thickness 26 of the in step 706 deployed and sent to the first
Materialschicht 10 angeordneten 708 zweiten Materialschicht 20 2 mm bis 2 mm, insbesondere 0,3 mm bis 50 mm, beträgt. Material layer 10 arranged 708 second material layer 20 is 2 mm to 2 mm, in particular 0.3 mm to 50 mm.
In Fig. 7 wird nach der Ausformung 702 der ersten Materialschicht 10 eine zweite Materialschicht 20, die Metall aufweist, bereitgestellt 804 und die zweite In FIG. 7, after the formation 702 of the first material layer 10, a second material layer 20, which comprises metal, is provided 804 and the second
Materialschicht 20 wird beispielsweise mit Verfahren wie Laminieren, Material layer 20 is for example with processes such as lamination,
Umlaminieren, Aufdampfen, Aufdrucken oder galvanisch Beschichten an die erste Materialschicht 10 zu einem Schichtverbund 15 angeordnet 806. Der Schichtverbund 15 wird beispielsweise durch Prägen mit einer Prägeplatte mittels einer Presse, insbesondere einer Backenpresse, einer Walze oder einem Kalander, strukturiert 808. Die Struktur der Prägeplatte bestimmt dabei die erfindungsgemäße Struktur 102. Vorteilhafterweise kann das Strukturieren 808 bei erhöhter Temperatur erfolgen, da hier insbesondere die erste Materialschicht 10 besonders günstig formbar ist. Ferner kann nach der Bereitstellung 804 der zweiten Materialschicht 20, an die zweite Materialschicht 20 mindestens ein weiteres Material 24, insbesondere in Form einer Beschichtung an der der ersten Materialschicht 10 abgewandten Seite angeordnet werden 900. Weiter kann in einem zusätzlichen Schritt durch Entfernen der Prägeplatte, welche in Kontakt mit der ersten Materialschicht 10 war, und Anordnen einer Gasdiffusionsschicht, eines Katalyt, insbesondere eine Katalysator-3-Phasengrenzschicht und einer Membran, insbesondere eine protonen-leitende Membran an einer Oberfläche der ersten Materialschicht 10 der der zweiten Materialschicht 20 abgewandten Seite beispielsweise durch Pressen oder Kalandrieren ein Halbzeug 100 besonders einfach und kostengünstig gefertigt werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform weist in Schritt 702 auf, dass der Graphit-Polymer Materialverbund 11 zu einer ersten Materialschicht 10 mit einer Schichtdicke 18 von 5 mm bis 5 mm, insbesondere 10 mm bis 900 mm, ausgeformt 702 wird und die Schichtdicke 26 der in Schritt 804 bereitgestellten und an die erste Laminating, vapor deposition, printing or electroplating on the first material layer 10 to form a layer composite 15 arranged 806. The layer composite 15 is structured 808, for example, by embossing with an embossing plate using a press, in particular a jaw press, a roller or a calender The embossing plate determines the structure 102 according to the invention. The structuring 808 can advantageously take place at an elevated temperature, since here in particular the first material layer 10 can be shaped particularly favorably. Furthermore, after the second material layer 20 has been provided 804, at least one further material 24, in particular in the form of a coating on the side facing away from the first material layer 10, can be arranged 900 on the second material layer 20. Furthermore, in an additional step, by removing the embossing plate, which was in contact with the first material layer 10, and arranging a gas diffusion layer, a catalyst, in particular a catalyst 3-phase boundary layer and a membrane, in particular a proton-conducting membrane on a surface of the first material layer 10 of the side facing away from the second material layer 20, for example a semi-finished product 100 can be manufactured particularly easily and inexpensively by pressing or calendering. A particularly advantageous embodiment has in step 702 that the graphite-polymer material composite 11 is formed 702 into a first material layer 10 with a layer thickness 18 of 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm, and the layer thickness 26 of the provided in step 804 and to the first
Materialschicht 10 angeordneten 806 zweiten Materialschicht 20 2 mm bis 2 mm, insbesondere 0,3 mm bis 50 mm, beträgt. Material layer 10 arranged 806 second material layer 20 is 2 mm to 2 mm, in particular 0.3 mm to 50 mm.
Fig. 8 offenbart ein Verfahren, in dem ein erstes Halbzeug 100 und ein zweites Halbzeug 100, welche jeweils gemäß einem vorangegangen beschriebenen Verfahren hergestellt sind, unter Ausbildung von Kühlkanälen 104 zu einer Bipolarplatte 200 gefügt 210 werden. Das Fügen 210 kann beispielsweise mittels Aneinanderpressen, Laminieren und/oder Kleben, insbesondere thermisch induziertes Kleben erfolgen. 8 discloses a method in which a first semifinished product 100 and a second semifinished product 100, which are each produced according to a method described above, are joined 210 to form a bipolar plate 200 with the formation of cooling channels 104. The joining 210 can take place, for example, by pressing, laminating and / or gluing, in particular thermally induced gluing.
Fig. 9 zeigt ein erfindungsgemäßes Halbzeug 100 mit einer ersten 9 shows a semifinished product 100 according to the invention with a first one
Materialschicht 10, einer zweiten Materialschicht 20 und einer weiteren Material layer 10, a second material layer 20 and another
Materialschicht 30. Die drei Materialschichten 10, 20 und 30 sind aneinander angeordnet und strukturiert 102. Die eine weitere Materialschicht 30 kann eine haftvermittelnde Schicht sein. Die haftvermittelnde Schicht kann ein Kleber, insbesondere ein thermisch induzierter Kleber, sein, wobei die haftvermittelnde Schicht besonders hohe mechanische Festigkeit und/oder einen niedrigen elektrischen Widerstand und/oder eine sehr gute Haftverbindung mit aufweist.Material layer 30. The three material layers 10, 20 and 30 are arranged next to one another and structured 102. The one further material layer 30 can be an adhesion-promoting layer. The adhesion-promoting layer can be an adhesive, in particular a thermally induced adhesive, the adhesion-promoting layer also having particularly high mechanical strength and / or a low electrical resistance and / or a very good adhesive bond.
Die eine weitere Materialschicht 30 kann neben der ersten Materialschicht 10 eine weitere erfindungsgemäße Graphit-Polymerschicht sein und die The one further material layer 30 can be, in addition to the first material layer 10, a further graphite polymer layer according to the invention and the
Eigenschaften eines Halbzeuges 100 besonders vorteilhaft ergänzen. Es sind auch mehrere weitere Graphit-Polymerschichten und/oder haftvermittelnde Schichten zwischen der ersten Materialschicht 10 und zweiten Materialschicht 20 denkbar. Wie in Fig. 9 zu sehen ist, weisen die drei Materialschichten 10, 20 und 30 die gleiche Struktur 102 auf. Beispielsweise werden zuerst drei Supplement properties of a semi-finished product 100 particularly advantageously. Several further graphite polymer layers and / or adhesion-promoting layers between the first material layer 10 and second material layer 20 are also conceivable. As can be seen in FIG. 9, the three material layers 10, 20 and 30 have the same structure 102. For example, there will be three first
Materialschichten 10, 20 und 30 aneinander angeordnet. Durch Prägen mit einer Prägeplatte mittels einer Presse kann den aneinander angeordneten Schichten 10, 20 und 30 in einem Schritt diese Struktur 102 eingeprägt werden. Die Prägung ist bei erhöhter Temperatur besonders günstig. Die Struktur 102 ist dabei abhängig von der Struktur der Prägeplatte. Eine Struktur 102 kann für die aktive Zone eines Halbzeuges 100 und für die inaktive Zone eines Halbzeuges 100 unterschiedlich sein. Die Schichtdicke 18 der ersten Materialschicht 10 beträgt vorteilhafterweise 5 mm bis 5 mm, insbesondere 10 mm bis 350 mm, und die Schichtdicke 26 der zweiten Materialschicht 20 beträgt 0,2 mm bis 2 mm, insbesondere 5 mm bis 50 mm für Folien, Gitter, Netze und 0,3 mm bis 5 mm für aufgedampfte, galvanisch abgeschiedene, gedruckte oder umlaminierte zweite Materialschichten 20. Ist die mindestens eine weitere Materialschicht 30 eine Graphit-Polymer Schicht, so kann die Schichtdicke der mindestens einen weiteren Materialschicht 30 vorteilhafterweise 5 mm bis 5 mm, insbesondere 10 mm bis 900 mm betragen. Material layers 10, 20 and 30 arranged one against the other. By embossing with an embossing plate by means of a press, this structure 102 can be embossed into the layers 10, 20 and 30 arranged on one another in one step. Embossing is particularly beneficial at elevated temperatures. The structure 102 is dependent on the structure of the embossing plate. A structure 102 can be different for the active zone of a semi-finished product 100 and for the inactive zone of a semi-finished product 100. The layer thickness 18 of the first material layer 10 is advantageously 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 350 mm, and the layer thickness 26 of the second material layer 20 is 0.2 mm to 2 mm, in particular 5 mm to 50 mm for foils, grids, nets and 0.3 mm to 5 mm for vapor-deposited, electrodeposited, printed or laminated second material layers 20. If the at least one further material layer 30 is a graphite-polymer layer, the layer thickness can the at least one further material layer 30 is advantageously 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm.
Fig. 10 illustriert ein weiteres erfindungsgemäßes Halbzeug 100 mit einer ersten Materialschicht 10, einer zweiten Materialschicht 20 und einer weiteren FIG. 10 illustrates a further semifinished product 100 according to the invention with a first material layer 10, a second material layer 20 and another
Materialschicht 30. Durch Prägen mit einer Prägeplatte mittels einer Presse kann zuerst der ersten Materialschichten 10 eine Struktur 102 eingeprägt werden. Die Prägung ist bei erhöhter Temperatur besonders günstig. Die Struktur 102 ist dabei abhängig von der Struktur der Prägeplatte. In Fig. 10 ist die erste Material layer 30. By stamping with a stamping plate by means of a press, a structure 102 can first be stamped into the first material layers 10. Embossing is particularly beneficial at elevated temperatures. The structure 102 is dependent on the structure of the embossing plate. In Fig. 10 is the first
Materialschicht 10 einseitig plan und auf der anderen Seite Material layer 10 flat on one side and on the other side
oberflächenstrukturiert. Dies hat den Vorteil, dass die Strukturierung 102 der ersten Materialschicht 10 sehr hochaufgelöst erfolgen kann. Weiter können dadurch Funktions- und Designanforderungen eines Halbzeuges 100 besonders gut erfüllt werden. Damit sind beispielsweise Oberflächengeometrien zum Leiten von Fluiden mit einem besonders niedrigen Reibungswiderstand möglich, wodurch ein Druckabfall eines Fluids entlang einer Fließrichtung eines Fluids besonders vorteilhaft geringgehalten werden kann. Ferner können surface structured. This has the advantage that the structuring 102 of the first material layer 10 can take place with very high resolution. Furthermore, functional and design requirements of a semifinished product 100 can thereby be met particularly well. In this way, for example, surface geometries for guiding fluids with a particularly low frictional resistance are possible, whereby a pressure drop of a fluid along a flow direction of a fluid can be kept particularly advantageously low. Furthermore can
Oberflächengeometrien, insbesondere Riblets oder eine Sägezahnform, im einstelligen mm-Bereich mit hoher Strukturgenauigkeit hergestellt werden, wodurch ein Leistungsverlust einer Brennstoffzelle 300 durch Surface geometries, in particular riblets or a sawtooth shape, can be produced in the single-digit mm range with high structural accuracy, as a result of which a power loss of a fuel cell 300 occurs
Strukturungenauigkeiten von Halbzeugen 100 vermindert werden kann. Die Struktur 102 eines Halbzeuges 100, insbesondere der ersten Materialschicht 10, kann dabei auf Bedürfnisse der Anoden- bzw. Kathodenseite angepasst werden kann. Die Schichtdicke 18 der ersten Materialschicht 10 beträgt Structural inaccuracies of semi-finished products 100 can be reduced. The structure 102 of a semifinished product 100, in particular the first material layer 10, can be adapted to the needs of the anode or cathode side. The layer thickness 18 of the first material layer 10 is
vorteilhafterweise hier 5 mm bis 5 mm, insbesondere 10 mm bis 900 mm, und die Schichtdicke 26 der zweiten Materialschicht 20 beträgt 0,2 mm bis 2 mm, insbesondere 5 mm bis 50 mm für Folien, Gitter, Netze und 0,3 mm bis 5 mm für aufgedampfte, galvanisch abgeschiedene, gedruckte oder umlaminierte zweite Materialschichten 20. Ist die mindestens eine weitere Materialschicht 30 eine Graphit-Polymer Schicht, so kann die Schichtdicke der mindestens einen weiteren Materialschicht 30 vorteilhafterweise 5 mm bis 5 mm, insbesondere 10 mm bis 900 mm betragen. advantageously here 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm, and the layer thickness 26 of the second material layer 20 is 0.2 mm to 2 mm, in particular 5 mm to 50 mm for foils, grids, nets and 0.3 mm to 5 mm for vapor-deposited, electrodeposited, printed or laminated second material layers 20. If the at least one further material layer 30 is a graphite polymer layer, the layer thickness of the at least one further material layer 30 advantageously 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Halbzeug (100) für eine Bipolarplatte (200) einer Brennstoffzelle (300), das Halbzeug (100) umfassend eine erste Materialschicht (10) und eine zweite Materialschicht (20), wobei die erste Materialschicht (10) an der zweiten Materialschicht angeordnet ist, wobei das Halbzeug (100) wenigstens bereichsweise eine fluidleitende Struktur (102) aufweist, wobei die erste Materialschicht (10) eine Graphit-Polymer Schicht ist, die mindestens eine elektrisch leitende Kohlenstoff-Komponente (12) beinhaltet und die zweite Materialschicht (20) Metall (22) aufweist, 1. Semi-finished product (100) for a bipolar plate (200) of a fuel cell (300), the semi-finished product (100) comprising a first material layer (10) and a second material layer (20), the first material layer (10) being arranged on the second material layer The semifinished product (100) has a fluid-conducting structure (102) at least in some areas, the first material layer (10) being a graphite-polymer layer which contains at least one electrically conductive carbon component (12) and the second material layer (20 ) Has metal (22),
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass zur Ausbildung der Graphit-Polymer Schicht die erste Materialschicht (10) zusätzlich mindestens eine polymere Komponente (14) aufweist. that to form the graphite-polymer layer, the first material layer (10) additionally has at least one polymer component (14).
2. Halbzeug (100) nach Anspruch 1, 2. Semi-finished product (100) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die erste Materialschicht (10) wenigstens einen Zusatzstoff aus den nachfolgend aufgelisteten Zusatzstoffen (16) aufweist: that the first material layer (10) has at least one additive from the additives (16) listed below:
- Hydrophobierende Zusatzstoffe - Hydrophobic additives
- Hydrophilierende Zusatzstoffe - Hydrophilic additives
- Korrosionsschützende Zusatzstoffe - Corrosion protection additives
- Füllkörper - packing
- Plastifizierende Zusatzstoffe - Plasticizing additives
- Vernetzende Zusatzstoffe - Cross-linking additives
- Additive für verbesserte Kontaktübergangswiderstände an den - Additives for improved contact resistance on the
Grenzflächen. Interfaces.
3. Halbzeug (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 3. Semi-finished product (100) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass zwischen der ersten Materialschicht (10) und der zweiten that between the first material layer (10) and the second
Materialschicht (20) mindestens eine weitere Materialschicht (30) angeordnet ist. Material layer (20) at least one further material layer (30) is arranged.
4. Halbzeug (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 4. semi-finished product (100) according to one of the preceding claims, characterized,
dass die zweite Materialschicht (20) mindestens ein weiteres Material (24), insbesondere in Form einer Beschichtung, aufweist. that the second material layer (20) has at least one further material (24), in particular in the form of a coating.
5. Halbzeug (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 5. Semi-finished product (100) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Schichtdicke (18) der ersten Materialschicht (10) 5 mm bis 5 mm, insbesondere 10 mm bis 900 mm, und die Schichtdicke (26) der zweiten Materialschicht (20) 0,2 mm bis 2 mm, insbesondere 0,3 mm bis 50 mm, beträgt. that the layer thickness (18) of the first material layer (10) 5 mm to 5 mm, in particular 10 mm to 900 mm, and the layer thickness (26) of the second material layer (20) 0.2 mm to 2 mm, in particular 0.3 mm to 50 mm.
6. Bipolarplatte (200) aus zwei Halbzeugen (100) nach einem der 6. Bipolar plate (200) made of two semi-finished products (100) according to one of the
vorangegangenen Ansprüche, wobei die Halbzeuge (100) derart aneinandergefügt sind, preceding claims, wherein the semi-finished products (100) are joined together in such a way
dass die zweite Materialschicht (20) des ersten Halbzeugs (100) und die zweite Materialschicht (20) des zweiten Halbzeugs (100) aneinander angeordnet sind und sich die jeweiligen zweiten Materialschichten (20) unter Ausbildung von Kühlkanälen (104) kontaktieren. that the second material layer (20) of the first semifinished product (100) and the second material layer (20) of the second semifinished product (100) are arranged next to each other and the respective second material layers (20) contact each other to form cooling channels (104).
7. Brennstoffzelle (300), aufweisend einen Elektrolyten (202), zwei Elektroden (206), zwei Gasdiffusionsschichten (204) und zwei Bipolarplatten (200) nach Anspruch 6. 7. A fuel cell (300) comprising an electrolyte (202), two electrodes (206), two gas diffusion layers (204) and two bipolar plates (200) according to claim 6.
8. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges (100) für eine Bipolarplatte (200) einer Brennstoffzelle (300) umfassend die nachfolgenden Schritte: a) Bereitstellung (700) eines thermoplastisch formbaren, leitfähigen, mechanisch stabilen Graphit-Polymer Materialverbundes (11) aus mindestens einer elektrisch leitenden Kohlenstoff- Kormponente (12) und mindestens einer polymeren Komponente (14), 8. A method for producing a semi-finished product (100) for a bipolar plate (200) of a fuel cell (300) comprising the following steps: a) providing (700) a thermoplastically formable, conductive, mechanically stable graphite-polymer material composite (11) of at least one electrically conductive carbon component (12) and at least one polymeric component (14),
b) Ausformung (702) des Graphit-Polymer Materialverbundes (11) zu einer ersten Materialschicht (10), b) shaping (702) of the graphite-polymer material composite (11) to form a first material layer (10),
cl) Strukturierung (704) der ersten Materialschicht (10), Bereitstellen (706) einer zweiten Materialschicht (20), die Metall (22) aufweist, und Anordnen (708) der zweiten Materialschicht (20) an die erste Materialschicht (10) zu einem Schichtverbund (15) zur Herstellung des Halbzeuges (100), cl) structuring (704) the first material layer (10), providing (706) a second material layer (20) comprising metal (22) and arranging (708) the second material layer (20) on the first Material layer (10) to form a layer composite (15) for producing the semi-finished product (100),
oder or
c2) Bereitstellen (804) einer zweiten Materialschicht (20), die Metall (22) aufweist, Anordnen (806) der zweiten Materialschicht (20) an die erste Materialschicht (10) zu einem Schichtverbund (15), und Strukturierung (808) des Schichtverbundes (15) zur Herstellung des Halbzeuges (100). c2) providing (804) a second material layer (20) comprising metal (22), arranging (806) the second material layer (20) on the first material layer (10) to form a layer composite (15), and structuring (808) the Layer composite (15) for producing the semi-finished product (100).
9. Verfahren nach Anspruch 8, 9. The method according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass in Schritt cl) oder c2) die zweite Materialschicht (20) mindestens ein weiteres Material (24), insbesondere in Form einer Beschichtung, aufweist und an die der ersten Materialschicht (10) abgewandten Seite angeordnet (900) wird. that in step c1) or c2) the second material layer (20) has at least one further material (24), in particular in the form of a coating, and is arranged (900) on the side facing away from the first material layer (10).
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, 10. The method according to claim 8 or 9,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass mindestens eine weitere Materialschicht (30) bereitgestellt wird und vor oder nach dem Strukturieren (704) der ersten Materialschicht (10) in Schritt c1) oder vor dem Anordnen (806) der zweiten Materialschicht (20) an die erste Materialschicht (10) in Schritt c2) die mindestens eine weitere Materialschicht (30) zwischen der ersten Materialschicht (10) und der zweiten Materialschicht (20) angeordnet wird. that at least one further material layer (30) is provided and before or after structuring (704) the first material layer (10) in step c1) or before arranging (806) the second material layer (20) on the first material layer (10) in Step c2) the at least one further material layer (30) is arranged between the first material layer (10) and the second material layer (20).
11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 10, 11. The method according to any one of the preceding claims 8 to 10,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass in Schritt b) der Graphit-Polymer Materialverbund (11) zu einer ersten Materialschicht (10) mit einer Schichtdicke von 5 mm bis 5 mm, that in step b) the graphite-polymer material composite (11) forms a first material layer (10) with a layer thickness of 5 mm to 5 mm,
insbesondere 10 mm bis 900 mm, ausgeformt wird und die Schichtdicke der in Schritt c1) oder c2) an die erste Materialschicht (10) angeordneten zweiten Materialschicht (20) 0,2 mm bis 2 mm, insbesondere 0,3 mm bis 50 mm, beträgt. in particular 10 mm to 900 mm, and the layer thickness of the second material layer (20) arranged on the first material layer (10) in step c1) or c2) is 0.2 mm to 2 mm, in particular 0.3 mm to 50 mm, amounts.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, 12. The method according to any one of the preceding claims 8 to 11, characterized,
dass ein erstes Halbzeug (100) und ein zweites Halbzeug (100), welche jeweils gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 hergestellt sind, unter Ausbildung von Kühlkanälen (104) zu einer Bipolarplatte (200) gefügt (210) werden. that a first semifinished product (100) and a second semifinished product (100), each manufactured according to a method according to one of claims 8 to 11, are joined (210) to form a bipolar plate (200) with the formation of cooling channels (104).
PCT/EP2020/054983 2019-03-21 2020-02-26 Semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell, bipolar plate, fuel cells, and methods for producing a semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell and a bipolar plate of a fuel cell WO2020187538A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019203884.0A DE102019203884A1 (en) 2019-03-21 2019-03-21 Semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell, bipolar plate, fuel cells and a method for producing a semi-finished product for a bipolar plate of a fuel cell and a bipolar plate of a fuel cell
DE102019203884.0 2019-03-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020187538A1 true WO2020187538A1 (en) 2020-09-24

Family

ID=69701209

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/054983 WO2020187538A1 (en) 2019-03-21 2020-02-26 Semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell, bipolar plate, fuel cells, and methods for producing a semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell and a bipolar plate of a fuel cell

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102019203884A1 (en)
WO (1) WO2020187538A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3129252A1 (en) * 2021-11-16 2023-05-19 Hycco System and method for joining bipolar plates made of composite material to an electrochemical device
DE102021214703A1 (en) * 2021-12-20 2023-06-22 Vitesco Technologies GmbH Process for connecting bipolar plates for fuel cells

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060194095A1 (en) * 2005-02-28 2006-08-31 Gayatri Vyas Method to make conductive hydrophilic fuel cell elements
US20070178357A1 (en) * 2006-01-27 2007-08-02 Gayatri Vyas Super-hydrophilic nanoporous electrically conductive coatings for PEM fuel cells
US20070238006A1 (en) * 2005-08-30 2007-10-11 Gayatri Vyas Water management properties of pem fuel cell bipolar plates using carbon nano tube coatings
DE102007038171A1 (en) 2006-08-17 2008-03-27 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Production of a bipolar plate for collecting electrodes and distributing between fuel cells comprises creating an electrically conducting fuel cell component and applying a graphite-containing/conducting carbon layer on one side

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060194095A1 (en) * 2005-02-28 2006-08-31 Gayatri Vyas Method to make conductive hydrophilic fuel cell elements
US20070238006A1 (en) * 2005-08-30 2007-10-11 Gayatri Vyas Water management properties of pem fuel cell bipolar plates using carbon nano tube coatings
US20070178357A1 (en) * 2006-01-27 2007-08-02 Gayatri Vyas Super-hydrophilic nanoporous electrically conductive coatings for PEM fuel cells
DE102007038171A1 (en) 2006-08-17 2008-03-27 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Production of a bipolar plate for collecting electrodes and distributing between fuel cells comprises creating an electrically conducting fuel cell component and applying a graphite-containing/conducting carbon layer on one side

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
OH ET AL: "The electrical and physical properties of alternative material bipolar plate for PEM fuel cell system", ELECTROCHIMICA ACTA, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 50, no. 2-3, 30 November 2004 (2004-11-30), pages 777 - 780, XP005148030, ISSN: 0013-4686, DOI: 10.1016/J.ELECTACTA.2004.03.061 *
RENATO A. ANTUNES ET AL: "Carbon materials in composite bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells: A review of the main challenges to improve electrical performance", JOURNAL OF POWER SOURCES, vol. 196, no. 6, 1 March 2011 (2011-03-01), CH, pages 2945 - 2961, XP055679178, ISSN: 0378-7753, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.12.041 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019203884A1 (en) 2020-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112005000978B4 (en) Hybrid bipolar plate assembly and devices containing it and their use
DE10392176B4 (en) Separator plate for a PEM fuel cell and method for its production
DE102008028549A1 (en) Thermoplastic bipolar plate
DE102006025123B4 (en) Coating of a separator plate of a fuel cell
DE10207743A1 (en) Electrode for polymer electrolyte fuel cell e.g. for electric vehicle or motorized wheelchair, has solid polymer electrolyte membrane, electrode layers and reinforcing members integrally formed by sealing member
DE102018114003A1 (en) FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
DE3512866A1 (en) ELECTRODE SUBSTRATE FOR FUEL CELLS
DE102010033525A1 (en) Continuous porous flow distributor for a fuel cell
WO2020187538A1 (en) Semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell, bipolar plate, fuel cells, and methods for producing a semifinished product for a bipolar plate of a fuel cell and a bipolar plate of a fuel cell
DE102008029628A1 (en) Low electrical resistance bipolar plate diffusion media assembly
DE102018214645A1 (en) Gas distribution structure for a fuel cell system
DE102009001185A1 (en) Separator plate for a fuel cell stack and method of manufacture
WO2021023441A1 (en) Fuel cell stack and method for the production and use of a fuel cell stack
WO2020182433A1 (en) Gas diffusion layer for a fuel cell, and fuel cell
WO2021001216A1 (en) Bipolar plate for a fuel cell, method for producing a bipolar plate for a fuel cell and fuel cell
DE102015002500A1 (en) Polymer electrolyte fuel cell
WO2018130388A1 (en) Method for producing a bipolar plate, bipolar plate for a fuel cell and fuel cell
WO2021198137A1 (en) Method for producing a gas- and/or electron-conducting structure and fuel/electrolysis cell
WO2017025557A1 (en) Membrane electrode assembly for a fuel cell, and fuel cell
DE102004023712B4 (en) Bipolar plate and method for producing a bipolar plate of a fuel cell
WO2018166733A1 (en) Bipolar plate for a fuel cell, and fuel cell, and method for producing a bipolar plate
DE102018203826A1 (en) Electrochemical energy converter with reduced contact resistance
DE102020213716A1 (en) Spreader plate, bipolar plate, electrochemical cell having a spreader plate and method of making a spreader plate
DE102018123040A1 (en) Manufacturing method for a fuel cell separator
DE102020216098A1 (en) Electrochemical cell and method of making an electrochemical cell

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20707256

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20707256

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1