发明内容

因此，本发明的目的是提供在燃料电池的双极板的制造中提高劳动生产率的方法。

根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的方法来解决。本发明的有利实施方式和改进可以通过从属权利要求中记载的特征来实现。

一种改进是制造燃料电池的方法，其中整个生产过程可以在一个工艺链或一条生产线上进行。为此，应在连续过程中执行尽可能多的制造步骤，并在工艺链中应尽可能晚地在BIP或BIP+GDL或BIP+MEA中分离带材。此方案是卷对板(roll-to-plate)过程。在工艺链结束时，可以从这样的单个BIP构建由大量堆叠的BIP+MEA和相应的密封技术以及端件组成的整个燃料电池堆。

在该方法中，当需要预清洁时，可以将一个金属带材或两个金属带材穿过第一装置，该第一装置被配置为预清洁所述一个金属带材或两个金属带材。

在预清洁之后，如果需要，将一个金属带材或两个金属带材穿过第二装置和/或第三装置。第二装置适用于执行金属带材的精细清洁和/或渗氮，第三装置适用于在具有金属层的表面的一侧上执行提高附着力的表面涂覆。

在第四装置中将碳层施加到如此处理的表面上。

随后，在以这种方式预处理的金属带材中的一者的进给移动期间，可以进行优选地在进给轴线方向上的中心分离和被分离的金属带材中的一者的180°旋转。

如果使用两个金属带材并以此方式对其预处理，则可能需要将以这种方式预处理的两个金属带材中的一者旋转180°。

再次，在分离和/或旋转之后，如果需要，或者直接在碳层形成之后，进行金属带材成形操作，其中，形成用于供应燃料和氧化剂以及去除电化学反应的反应产物的通道。因此，这些成形的带材不再是平面的，而是具有带有凸起和/或凹陷的三维表面结构。可以实现例如在0.1mm至2mm范围内的通道宽度和0.05mm至1.5mm的通道深度。以这种方式形成的带材也可以例如在通道结构的区域中具有开口并且因此没有封闭的表面。通道结构也可以是晶格结构。

将成形的金属带材朝向彼此移动并定位成使得要进行整体结合的表面区域彼此直接接触，并且结合是用至少一个激光束形成的，该激光束射入朝向彼此移动的成形的金属带材之间的间隙中，并且仅在间隙形成焊接接合点。该焊接过程也可以与如下焊接过程相结合：在该焊接过程中，从金属带材中的一者的方向，该带材和第二金属带材以焊接接合点的形式接合在一起。

装置中的预处理、必要时的分离和旋转、以及成形和接合的各个步骤应在连续生产过程中相继地进行。

在涂覆金属带材前应将其清洁，因为金属带材上仍有可能存在在轧制工艺中残留的油。清洁通常可以使用湿化学工艺进行。

如果表面上只有非常薄的油膜，则清洁也可以采用使剩余的油碳化、同时预加热带材的形式。为此，例如温度约为150℃。例如，烃化合物可以在热处理期间被氧化，然后去除氧化产物。

如果金属带材已经被清洁或无油，则可不需要预清洁。

在预清洁和同时预加热一个金属带材或两个金属带材后，在表面上进行渗氮和/或等离子体精细清洁。为此，应将一个金属带材或两个金属带材加热到320℃至450℃的温度。等离子体精细清洁可以有利地与渗氮结合进行，由此可以在加入氮用于渗氮之前首先进行等离子体精细清洁。如果等离子体精细清洁不与渗氮结合使用，则可以减少每次可以达到的渗氮深度。

等离子体渗氮是钢表面的热化学处理(特别是用例如氮进行)，并且通常用于改善磨损性能。然而，在低的渗氮温度下，也可以提高耐腐蚀性。所需的长的渗氮时间对于实现大的渗氮深度尤为关键。然而，这些在本发明中，这些不是必需的。

然而，短的渗氮时间以及相应地减少的例如几微米的渗氮深度也足以仅仅提高随后碳涂层的附着力并在靠近边缘处形成渗氮区域。替选地，渗氮可被省略并由例如溅射工艺或其他涂覆工艺代替。这种溅射工艺可以进行为金属离子溅射，例如通过借助电弧过程产生铬离子并将它们加速到要涂覆的表面上来进行。以这种方式，可以形成提高附着力和防腐蚀保护的铬层。

随后并且作为最后的涂覆过程，层厚度<200nm但优选<50nm的碳层在第四装置中被施加到的一个金属带材或两个金属带材上。在此，一个金属带材或两个金属带材应保持在温度T>300℃，并且碳离子应注入到一个金属带材或两个金属带材的表面中。

在涂覆过程之后，一个金属带材被分成至少两个金属带材，其中一者成为BIP的阳极侧，另一者成为各自的BIP的阴极侧。然后将通过分离获得的金属带材中的一者旋转180°。替选地，可以在涂覆之前将两个金属带材分开并以相同或两条不同的线涂覆。在这种情况下，没有胶带分离。由于两个金属带材的涂覆通常从下方进行，因此形成BIP半壳的这两个金属带材中的一者应在成形过程之前旋转180°。这也可以线内进行。优选地，两个金属带材的预处理进行使得两个金属带材彼此平行对齐并以相同的速度移动通过装置和用于旋转两个金属带材中的一者的装置，优选地，在成形和随后进行的接合期间也应保持该速度。

替选地，也可以在涂覆期间竖直地引导带材。在这种情况下，可以将金属带材例如在两侧上都涂覆，或可以将金属带材的两侧在正反上不同区域涂覆，这样就不需要在成形或接合之前将金属带材旋转180°。

金属带材的成形过程可以通过各种已知方法实现，例如深拉、滚压、压印、冲压或基于活性介质的成形过程，例如执行为液压成形。为此，可以设计至少一个成形工具，例如设计为压印辊或压印模具的形式。与滚压或深拉相比，液压成形只需要一个冲压工具各自(以模具的形式)用于阴极侧和阳极侧。

在液压成形中，将活性介质送入板材的面对模具的一侧，以将金属带材压在模具的轮廓上；原则上，这也可以分几个阶段进行。

对于滚压，应使用一对辊的至少两个辊，一个用于阴极侧，一个用于阳极侧。一对辊可以由作为辊的凸模和凹模组成，该凸模和凹模的径向外表面已相应地构造。对于多阶段成形过程，可以串联布置几对辊。用于阳极侧和阴极侧的成形过程应在一次带材运行中同步进行。阴极侧和阳极侧的压印结构通常不同。

在非连续成形过程和随后的连续的进一步处理(例如通过激光焊接)的情况下，应该可以在成形之前和之后提供例如以环的形式的带材蓄积器，该带材蓄积器可以在涂覆或带材分离与成形之间、或者也可以在成形与激光焊接之间改变金属带材的路径。这为激光焊接领域中所有描述的成形过程提供了优势，能够以精确配合来接合成形的金属带材。在这种情况下，精确配合意指将要接合的金属带材的位置放在一起并以使得它们彼此直接接触的方式定位。

从两个金属带材中的一者的方向至少在双极板和介质供应的边缘区域中、在其外边缘处，可以使用至少一个激光束周向地接合金属带材。

预处理的金属带材的成形应该有利地进行，使得金属带材的利用激光辐射要材料连续性接合的区域要么未成形，要么以如下方式成形：使得在进行成形后，这些表面区域在接合期间相对于彼此定位成使得它们彼此直接接触并在接合之前以一定角度朝向彼此会聚，从而在要接合的成形的金属带材之间形成间隙，在该间隙中至少一个激光束可以被定向到要接合的表面区域上。所述至少一个激光束可以用于在这些区域中通过焊接产生紧密的整体结合。在这里，应最少化激光束的热输入，以最小化BIP的热变形。

对于激光焊接过程，在每种情况下都可以使用装置辊或也可以使用具有几何结构的成形辊，就像它们在面向一个金属带材或两个金属带材上的涂层的一侧上用于成形过程一样。在多阶段压印过程中，辊的设计也可以与用于成形的其表面上之前使用的压印工具不同。每个装置辊都应该在要形成焊缝或焊点的位置具有标高。

两个装置辊可以不设计为凸模和凹模。

在要接合的预处理和成形的金属带材上焊接不应对BIP上的功能涂层造成任何损坏。为此，焊缝或焊点应位于BIP内。这没有降低焊缝处涂层的缓蚀效果。

如果需要，可以随后进行双极板和在材料供应位置处的附加的周向焊接作为搭接焊缝。涂层也可以在此过程中被损坏。

在接合BIP半壳后，它们可以被分离或在连续过程中进一步加工，优选地用于完成完整的燃料电池。

然后可以立即将半成品以被涂覆、成形和整体结合的形式分离，并随后加工成燃料电池。

在分离过程之前(该分离过程可以使用例如激光切割工艺的分离工艺执行)，也可以施加密封剂，并且如果需要，可以单独施加MEA的材料或者可以将完整的MEA施加到BIP。这些过程步骤也可以包括在根据本发明的制造过程中。

也可使用不同厚度的金属带材用于制造。以这种方式，可以影响强度和操作条件，特别是燃料电池上局部变化的热条件。

举例来说，可以使用以下描述的各个过程来制造BIP：

用于接合预处理和成形的金属带材的激光焊接可以例如通过IR(波长例如1000nm至1100nm)单模光纤激光器进行。在激光源和表面之间，激光束可以通过光纤被引导，在光纤末端准直，以及通过具有至少一个反射元件的扫描器偏转。例如，可以将扫描器设计为具有两个反射元件的振镜扫描器。然后可以使用f-theta光学器件来聚焦激光束。聚焦宽度通常为10μm至200μm。

在第二装置中用于精细清洁的金属离子溅射中，一个或多个至少预清洁的金属带材的表面可以通过具有足够能量(10²eV至几10³eV)的轰击离子而被部分烧蚀。这是基于各个撞击离子与表面的动量传递。通过弹性“核心撞击”，脉冲被引入到在各个金属带材表面的材料中，并引发撞击级联。这允许表面原子接收向外的动量。如果入射离子的动能高于各个金属带材的材料原子的结合能，则它们主要以原子形式、但也以原子簇的形式从固体表面原子化。

通过向各个金属带材施加100V至1000V范围内的高电压，理想情况下，在第二装置的10^-3mbar至10²mbar压力范围内的真空室中，可以借助惰性气体产生低压等离子体。在激发的金属和气体离子的混合物中，高能粒子通过施加的电势向基板加速并烧蚀表面。这可以允许实现基板的等离子体精细清洁并增加金属带材表面粗糙度。

在无势精细清洁的情况下，金属离子通过附加电极加速到各个金属带材的表面上。替选地，可以向金属离子源施加电势。

用于钝化的金属表面的金属化本身是已知的。例如，金属表面被镀锌或镀铬以长期防止它们受到腐蚀。在燃料电池中，根据运行条件，部分地出现高氧化还原电势，这产生非常恶劣的环境。如果使用金属BIP，则它们可能腐蚀。使用金属BIP的目标是提高耐腐蚀性并实现良好的导电性。

可以通过金属带材的缓蚀涂层或渗氮来实现或提高耐腐蚀性。

等离子体渗氮是利用例如温度约<550℃的氮气的钢表面的热化学处理。其通常用于改善磨损性能。特别是在不锈钢中，由于铬与氮化铬(CrN)的结合，铬的钝化作用丧失。因此耐腐蚀性降低。通过在<420℃的较低温度下的等离子体渗氮，可以在很大程度上避免CrN的形成，甚至可以提高耐腐蚀性。将氮原子引入到金属带材的近表面区域中导致立方奥氏体原子结构的晶格膨胀。为此，氮气在真空氮气气氛中在大约0.1Pa的压力下被电离并朝着金属带材加速。

通过在第四装置中沉积基于碳的类石墨层体系，可以实现导电性的提高。

通过使用非脉冲或脉冲的碳离子源的沉积，例如在真空室中碳靶的电弧蒸发，可以沉积导电的耐腐蚀涂层。随着碳沉积期间特别是温度的同时升高，在层中形成碳的更少亚稳态sp³键和更多sp²键。生成的碳离子应通过金属带材和碳蒸发器之间的势差(>400V)被加速至高平均离子能量>100eV(理想情况下约为300eV)或通过辅助电极被加速，以实现碳离子的注入。

通过随后引入碳的渗碳不仅可以提高耐腐蚀性，还可以提高导电性。因此，用于制造BIP的金属带材的材料可以具有较低的接触电阻。在0.01Pa至10Pa范围内的压力下，通过电离的气体或等离子体实现表面改性。为了产生等离子体，可以在真空中在第二装置、或者在各个金属带材的进给方向上布置在第四装置上游的另外的装置中，在阴极和阳极之间施加几百伏的电压。根据所使用的至少一种含碳气体的导电性，在施加电压时产生一定的电流密度。通过辅助阳极，由电子源通过电弧放电释放的自由电子经历额外的加速并且可以实现等离子体的强化。含碳气体可以优选是二氧化碳、甲烷、丙烷或例如氢气、氮气和一氧化碳的含碳气体混合物。

渗碳可以防止降低激光焊接区域的腐蚀防护。

在根据本发明的方法中，也可以将一个金属带材或两个金属带材的表面碳氮共渗。

可以通过带材工艺和在接合期间使用辊将金属带材保持就位来简化带材处理。

通过接合的热输入以及因此BIP的热变形可以被最小化，因为一方面辊可以散热，另一方面焊缝或焊点可以做得更细。

通过使用所描述的解决方案，具有碳涂层的金属带材在涂覆之后不再需要被卷曲(减少损坏)并且可以防止潜在的污染。一个金属带材或两个金属带材都可以从辊上解绕，并在必要时在偏转辊上被引导。进给移动至少可以通过驱动辊对来支持。进给移动也可以仅通过成对的辊来实现，用于上述成形。

所需的过程时间可以被最小化，并且可以避免由于运输而造成的材料或部件的污染。

根据本发明制造的具有BIP的燃料电池可以用于汽车、飞机、运输或移动应用。

本发明随后旨在通过示例的方式更详细地解释。