用于制造分离器板的方法
阅读说明：本技术 用于制造分离器板的方法 (Method for manufacturing a separator plate ) 是由 F·瓦朱拉 H·瓦尔塔 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于制造用于燃料电池的分离器板(12)的方法,对此使用至少一个设有导电的填充物的可硬化的材料(28)。根据本发明的方法特征在于,在使材料(28)硬化之前的方法步骤中使导电的填充物经由电场和/或磁场(23)取向,并且然后使带有导电的填充物的材料(28)在取向的定向中硬化。(The invention relates to a method for producing a separator plate (12) for a fuel cell, for which at least one hardenable material (28) provided with an electrically conductive filler is used. The method according to the invention is characterized in that the electrically conductive filler is oriented via an electric and/or magnetic field (23) in a method step prior to hardening the material (28), and then the material (28) with the electrically conductive filler is hardened in the oriented orientation.)
技术领域
本发明涉及一种根据在权利要求1的前序部分中所详细限定的类型的用于制造分离器板(Separatorplatte)的方法。此外，本发明涉及一种可按照根据本发明的方法获得的分离器板。
背景技术
分离器板(其还被实施为双极板，并且其在制造燃料电池时被应用在燃料电池中)就此而言由现有技术已知。其须具有一定的导电能力，因此其例如由石墨或金属来制造。此外原则上已知的是由塑料来制造这样的分离器板，经由能导电的颗粒例如炭黑或石墨作为填充物使该塑料具备导电能力。用于制造这样的分离器板的方法例如由文件DE 10 2016015 318 A1已知。在该方法中，塑料基质(Kunststoffmatrix)被施加到薄膜上且设有期望的造型。然后使材料硬化。在材料中存在由石墨或炭黑构成的能导电的颗粒，使得该结构总体以很大程度上均匀的导电能力来制造。
在实践中现在显示出，更高的导电能力将是绝对值得希望的。其可例如通过更高份额的能导电的填充物来实现，然而这在相同尺寸的情况下不利地影响机械材料特性或需要更大的尺寸，这鉴于燃料电池的功率密度或功率体积是极其不希望的。
此外，就此而言可参考文件EP 1 331 685 B1。这里还利用聚合物基质，其设有导电的填充物。为了在相对小的填充度的情况下显著地提高分离器板的导电能力，在EP专利中提出，通过热解(Pyrolyse)来破坏聚合物基质的部分以获得能导电的颗粒的直接接合。热解在此尤其可通过电磁辐射(例如微波辐射)的作用来实现。这里缺点是该相对复杂的方法，在其中须经由电磁辐射和热解来再加工已完成的分离器板。此外相对复杂的是将热解限制于期望的区域并且如此实现导电能力的针对性提高。此外如此使得基质材料由于热解而丧失，从而与提高填充度类似须在制造中已设置附加的基质材料以保证机械材料特性。这典型地伴随分离器板的体积的增大。鉴于以这样的分离器板构建的燃料电池的功率体积，这是缺点。
发明内容
这里本发明的目的现在在于说明一种用于制造分离器板的方法以及一种可根据该方法获得的分离器板，其在未削减机械材料特性且未削减结构尺寸的情况下实现更高的导电能力。
根据本发明，该目的通过带有在权利要求1中、并且这里尤其在权利要求1的特征部分中的特征的方法来实现。有利的设计方案和改进方案由从属于此的从属权利要求得出。相应的分离器板在权利要求8中来说明。
根据本发明的用于制造用于燃料电池的分离器板的方法、例如像开头提到的以文件DE 10 2016 015 318 A1的形式的现有技术那样利用可硬化的材料，其设有导电的填充物。例如通过将其如在提到的DE文件中那样涂覆到载体薄膜(Traegerfolie)上和通过构造带有提高的和降低的区域的流动场(Stroemungsfeld)等，可相应地来加工该混合物。然而这仅可示例性地来理解并且对于根据本发明的方法不是强制性的。
根据本发明现在如此使得在材料硬化之前的方法步骤中使能导电的填充物经由电场和/或磁场取向，并且然后使带有导电的填充物的材料在取向的定向中硬化。整个材料混合物因此无破坏且以期望的方式保持，从而可在没有附加的材料和/或体积的情况下获得期望的机械工件特性。经由电磁场或电场或者磁场现在使材料中(只要其还是液态的或粘性的)导电的填充物中的至少一些取向。通过在材料中导电的填充物的该取向(Ausrichtung)产生更高的导电能力，因为其例如沿着场线定向并且在那里集中。然后在填充物的定向的该状态中进行硬化，例如通过使材料通过预加热变高粘性，从而在使不继续处于电磁场中的填充物保持在期望的定向中地与材料硬化(例如通过热作用、通过UV光等，如尤其由开头提到的文件DE 10 2016 015 318 A1已知的那样)之前防止能导电的填充物的再定向。
根据本发明的方法的一非常有利的设计方案在此设置成，导电的填充物以金属填充物的形式来构造。根据该构思的一有利的改进方案，金属填充物在此可尤其具有银，其在足够的材料稳定性的情况下保证较高的导电能力。
此外，该构思的一特别有利的设计方案在此设置成，导电的填充物以粉末形式或者以纳米颗粒、纳米管或纳米线(Nanodraht)的形式来构造。通过放弃纤维状的填充物或者说应用纳米颗粒、纳米管或纳米线作为填充物获得在后来的塑料基质的还液态的或粘性的材料中填充物的高可移动性，从而可使导电的填充物在电磁场中特别简单地取向，这鉴于按照根据本发明的方法所制造的分离器板的要获得的高传导能力是决定性的优点。
该构思的一特别有利的改进方案在此设置成，填充物以银-纳米线的形式来构造或至少具有这样的银-纳米线。这样的银-纳米线在此具有30至50nm的直径和10至40μm的长度。典型地，其以稳定化的分散(Dispersion)来提供，例如在将基质材料涂覆到载体薄膜上之前，其可与还液态的基质材料理想地混合，以便遵循文件DE 10 2016 015 318 A1的优选的但非强制必要的上面已多次提到的方法。该银-纳米线在此在还液态的材料中具有足够的可移动性并且确保在取向之后非常好的导电能力，而不在银-纳米线相应地集中和取向的区域中不利地影响分离器板的机械材料特性。
此外，根据本发明的方法的一极其有利的改进方案设置成，电场和/或磁场构造成使得构造出带有导电能力的区域和带有电绝缘的区域。如此即可通过相应的场实现分离器板的针对性单个区域具有较高的导电能力，因为导电的填充物、尤其由银构成的纳米线在那里集中和取向。尤其沿着场的场线，这可以是该情况。在此之间产生带有导电的填充物较小取向和较小集中的区域，从而在这些区域中电绝缘或至少与相邻区域相比非常明显减小的导电能力是可能的。这对于相应的分离器板的设计可以是决定性的优点，因为如此可提供与相应的要求和相应的流场单独适配的导电能力。在用作双极板时，例如可在无附加额外耗费且无附加的构件和结构空间的情况下使这两个面对燃料电池的相应单元的表面相互电隔绝、尤其绝缘。
现在可将根据按照本发明的方法在上面所说明的设计方案中的一个中可获得的分离器板作为分离器板或双极板相应地应用在燃料电池堆中，例如以便构造轻的、紧凑的且成本适宜地制造的PEM-燃料电池堆，其例如可被应用在机动车中用于提供电功率。
附图说明
该构思的另外的有利的设计方案还从接下来参照附图详细说明的实施例得出。其中：
图1示出了用于制造用于燃料电池的分离器板的生产设备的示意图，以及
图2以俯视图示出了对所制造的分离器板的放大的图示。
接下来根据由文件DE 10 2016 015 318 A1已知的方法来阐述根据本发明的方法。其不必强制性地以按照该方法的所有步骤来执行，因为仅能导电的填充物的电磁取向的步骤体现本发明。然而其能够以这样的方法来应用并且接下来根据这样的方法纯示例性地来说明。
具体实施方式
在图1中示意性地示出的生产设备10用于制造分离器板，其中，在图2中以俯视图示出了以双极板12的形式的双极分离器板，其可在生产设备10中来制造。双极板12设置用于燃料电池堆(如其例如可应用在机动车中)的燃料电池。
在生产双极板12时，首先提供当前以载体薄膜14的形式的载体材料。在此，载体薄膜14能够卷起在辊子16上地存在。尤其可将热稳定化的塑料用作载体薄膜14。
将载体薄膜14从辊子16展开并且接下来输送给生产设备10的另外的加工站。在第一加工站18处将混合物28施加到载体薄膜14上，混合物包括能导电的材料20，其中，可使混合物28硬化。例如可经由隙缝喷嘴(Schlitzduese)22或类似的施加装置(Aufbringungsvorrichtung)以混合物28来加载载体薄膜14，混合物包括聚合物树脂(例如环氧树脂和/或丙烯酸树脂)、至少一个溶剂、光引发剂(Photoinitiator)和能导电的填充物。此外，混合物28还可具有另外的填充物。能传导的填充物以导电的金属填充物的形式来构造。其优选地可具有银并且特别优选地以粉末的形式或以纳米粒子(Nanoteilchen)的形式来构造。纳米粒子在此可包括纳米颗粒、纳米管或尤其纳米线。如果金属填充物为了实现导电能力以银-纳米线(其具有在30至50nm数量级中的直径和10至40μm的长度)的形式来构造，是特别有利的。其一方面确保良好的导电能力而另一方面可在混合物28(只要其还是液态的或相对强粘性的)中很大程度上自由地运动。
对此，在将还液态的或相对强粘性的混合物28涂覆到载体薄膜14上之后，现在在第一加工站21中实现电磁场23作用于带有在其中还可自由移动的金属填充物的混合物28。电磁场23能够以唯一的形式或还以多个彼此相叠的电磁场或还在生产方向10上依次布置的电磁场的形式来构造。在图1的图示中纯示例性地示出了两个主动元件(Aktivelement)25，其带有构造在其之间的场线27，场线相应地作用于带有金属填充物的处于载体薄膜14上的混合物。
通过在加工站21中电磁场23或者相叠的或相继起作用的电磁场23的相应设计，现在导致金属填充物沿着电磁场23的场线27针对性地取向。由此可很大程度上自由地设计该结构的导电能力，从而产生带有较高导电能力的区域，金属填充物在其中集中和相应地取向。同时可实现带有剩余金属填充物的很大程度上均匀的分布和低集中度的区域，从而这里存在较低的导电能力或在理想情况中甚至存在电绝缘特性。对于分离器板、尤其双极板12的设计，这开启了全新方式。例如可将区域相互隔绝或仅在之后面向燃料电池堆的相应相邻的单元并且因此需要该导电能力的区域中提供导电能力，而在流动场中背对相邻单元的表面的区域不需要导电能力并且与此相应地可无导电能力地来构造。尤其地，还可使双极板12的这两个相对而置的表面相互电绝缘或至少通过较小导电能力的区域彼此电分离，这是另外的优点。
在接下来的加工站24处进行从混合物28中吹出(Ablueften)溶剂。由此混合物28的浓度和粘度改变。接下来例如借助于加热装置26将施加到载体薄膜14上的混合物28预干燥。在加热装置26处以热量加载混合物28当前导致混合物28的胶化或结冻(Angelieren)。在接下来的、可选的加工站30处可附加地使混合物28部分硬化或预硬化，其中，保持金属填充物的经由电磁场预设的定向。为此，可在加工站30处以光、尤其以辐射例如UV光来加载混合物28。
接下来将结构(例如以通道32的形式(参见图2)，其在完成的双极板12中形成流动场34)引入胶化的或部分硬化的混合物28中，。通过相应设置混合物28中的溶剂和固体的份额可实现可在预干燥的或胶化的并且/或者通过在加工站30处的UV光部分硬化的材料20中构造期望的表面结构。
为了构造双极板12的包括流动场34的表面结构，作为工具36例如可使用尤其两件式的压模(Praegewerkzeug)。附加地或备选地，可通过适合于滚压成型(Rollformern)或滚压成轮廓(Rollprofilieren)的工具36来进行该结构化。尤其地，能够以该方式在混合物28中构造通道32或槽结构。
借助于相应的工具36构造的流动场34(参见图2)实现以反应物、例如以氢气作为燃料或者以氧气或空气作为氧化剂加载(未示出的)燃料电池的膜片-电极组件。
此外，可借助于工具36在表面结构处提供结构元件，其在双极板12中设置在流动场34与用于参与燃料电池反应的反应物的相应的入口或出口之间的相应的过渡区域40中(参见图2)。
由于在混合物28中设置光引发剂，可使混合物28在接下来的加工步骤中完全地硬化。为此，在另外的加工站处设置有相应的光源38、尤其UV光源。在例如借助于由光源38发出的UV光使材料20硬化之后，相应的结构持久地构造在混合物28中。
在接下来的加工步骤中例如可通过冲压42来构造多个通过口(Durchlass)44(参见图2)。通常通过这样的通过口44来提供燃料入口和燃料出口、氧化剂入口和氧化剂出口以及冷却剂入口和冷却剂出口。在彼此堆叠的燃料电池中，这些通过口44形成用于输入和输出反应物或冷却剂的相应的通道。通过添加金属填充物，由于其更高的导热能力，双极板的冷却能力提高。
在接下来的加工步骤中或在接下来的加工站中，通过裁剪46可如所期望的那样来制造双极板12的外轮廓56。为了裁剪46，尤其可应用激光等。此外，借助于激光可从硬化的混合物28中蚀刻区域，以便在双极板12中构造期望的结构。
硬化的混合物28此外可通过适宜的接合方法、尤其通过粘合与另外的如前面所描述的由混合物28形成的部件连接。与此相应地可提供双极板12的第一子板(Teilplatte)，可将其通过接合48与双极板12的第二子板相连接。以该方式可在两个这样的子板之间的空腔或间隙50(参见图2)中提供用于冷却剂的流动场。优选地，硬化的混合物28的厚度52(参见图2)非常小。尤其地，厚度52优选地明显小于槽或通道32(其构造在用于反应物的流动场34的区域中或在用于冷却剂的流动场的区域中)的深度54。
此外，硬化的混合物28相对于空气或氧气且相对于氢气密封。此外，其具有足够的机械的强度和结构完整性用于提供应该应用在燃料电池堆的燃料电池中的双极板12。
在通过相应的另外的加工步骤例如双极板12的冲压42、裁剪46或接合48赋予其最终型式之前，设有硬化的混合物28的载体薄膜14还可首先作为中间产品或半成品来提供。尤其可将中间产品卷起成辊。
此外可设置成，从设有硬化的混合物28的载体薄膜14中分离出区域、例如通过口44，并且如此来提供包括带有硬化的混合物28的载体薄膜14的中间产品或半成品且尤其卷起成辊。在从载体薄膜14剥离硬化的混合物28之后，然后可通过裁剪46和接合48从这样的中间产品来形成带有期望的外轮廓56的双极板12。尤其地，可首先裁剪中间产品并且在从载体薄膜14剥离材料20之后通过接合如此获得的子板来构造双极板12。