Titel

Halbzeug für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, Bipolarplate,

Brennstoffzellen sowie Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges für eine

Bipolarplatte einer Brennstoffzelle und einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle

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.

Stand der Technik

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche chemische Energie eines Brennstoffes durch eine elektrochemische Reaktion in Elektrizität wandelt. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen. Ein spezieller

Brennstoffzellentyp ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton- Exchange-Membran, PEM-Brennstoffzelle). In diesen Brennstoffzellentypen sind neben Membranen, Elektroden und einem Katalyt auch sogenannte

Bipolarplatten vorgesehen. Diese elektrisch leitenden Platten dienen dazu, den elektrischen Strom als Elektroden zu leiten und außerdem ein Fluid durch entsprechend angeordnete Strömungskanäle zu führen. Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel sind aus abwechselnd übereinander angeordneten Membranelektrodeneinheiten und Bipolarplatten aufgebaut. Hierbei dienen die Bipolarplatten zur Versorgung der Elektroden mit Edukten und zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels. 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.

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

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.

In der Druckschrift DE 10 2007 038 171 Al wird eine Bipolarplatte, welche Metallplatten und auf die Metallplatten aufgebrachte graphithaltige/leitende Kohlenstoffschichten umfasst, offenbart.

Offenbarung der Erfindung

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

Halbzeuges für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8.

Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den

Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit 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.

Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Halbzeug für eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, wobei das Halbzeug eine erste

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

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

Materialschicht zusätzlich mindestens eine polymere Komponente aufweist.

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

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

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

Thermoplasten und können beispielsweise Polypropylen (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

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

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

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

Strukturungenauigkeiten von Halbzeugen vermindert werden kann.

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

beispielsweise geradlinig oder mäanderförmig sein.

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.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist bei einem Halbzeug vorgesehen, dass die erste Materialschicht wenigstens einen Zusatzstoff aus den nachfolgend aufgelisteten Zusatzstoffen aufweist:

- Hydrophobierende Zusatzstoffe

- Hydrophilierende Zusatzstoffe

- Korrosionsschützende Zusatzstoffe

- Füllkörper

- Plastifizierende Zusatzstoffe

- Vernetzende Zusatzstoffe

- Additive für verbesserte Kontaktübergangswiderstände an den Grenzflächen.

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

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.

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

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

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.

Auch kann die erste Materialschicht wenigstens einen hydrophilierenden

Zusatzstoff, insbesondere Hydroxygruppen-einführende Substanzen wie

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

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.

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

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.

Auch kann die erste Materialschicht wenigstens einen Füllkörper, beispielsweise Metallpartikel, als Zusatzstoff aufweisen, wodurch eine Erhöhung der

elektrischen und/oder thermischen Leitfähigkeit und/oder mechanischen

Festigkeit der ersten Materialschicht erreicht werden kann. Ferner kann durch das Vorhandensein von Füllkörpern ein geringes Gewicht des Halbzeugs erreicht werden.

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

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.

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

Materialschicht in die zweite Materialschicht wandern können, womit eine Leistungssteigerung einer Brennstoffzelle erreicht werden kann.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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

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

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

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.

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

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.

Weiter weist die vorliegende Erfindung in einem zweiten Aspekt eine

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

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,

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.

Gemäß einem dritten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine

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

Gasdiffusionsschicht erzeugen können. Insbesondere kann dabei die Vernetzung durch einen thermisch induzierten Laminationsschritt erfolgt sein. Diese

Vernetzung kann einen besonders stabilen Verbund an der Kontaktfläche erzeugen und kann zusätzlich besonders strukturverstärkend wirken. Die

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.

Die Brennstoffzelle kann auch als Brennstoffzellenstapel verstanden werden.

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:

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

Komponente,

b) Ausformung des Graphit-Polymer Materialverbundes zu einer ersten

Materialschicht,

cl) Strukturierung der ersten Materialschicht, Bereitstellen einer zweiten

Materialschicht, die Metall aufweist, und Anordnen der zweiten

Materialschicht an die erste Materialschicht zu einem Schichtverbund zur Herstellung des Halbzeuges,

oder

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.

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

Komponenten und ein vorteilhaftes Kompaktieren erfolgen. Als Komponenten können erfindungsgemäße Kohlenstoff- Komponenten und/oder polymere Komponente und/oder Zusatzstoffe verstanden werden. Durch das

Compoundierverfahren kann beispielsweise ein besonders homogener Graphit- Polymer Materialverbund für die Herstellung der ersten Materialschicht bereitgestellt werden.

In dem Schritt b) kann beispielsweise mittels Extrusion und/oder Kalandrieren oder Heißpressen der Graphit-Polymer Materialverbund zu einer ersten

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

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

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.

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.

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

beispielsweise durch Pressen oder Kalandrieren ein Halbzeug besonders einfach und kostengünstig gefertigt werden. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform kann in dem

Verfahren vorgesehen sein, dass mindestens eine weitere Materialschicht bereitgestellt wird und vor oder nach dem Strukturieren der ersten

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

Materialschicht aufweisen kann, umfassen. Die erfindungsgemäßen

Verfahrensschritte und Vorteile, die die erste Materialschicht betreffen, können somit auch für die mindestens eine weitere Graphit-Polymerschicht gelten.

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

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

Designanforderungen einer Brennstoffzelle optimal angepasst werden können.

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

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.

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

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

Halbzeuges gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den

Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche

Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.

Es zeigen:

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,

Fig. 2 ein erstes Halbzeug 100 und ein zweites Halbzeug 100, welche unter Ausbildung von Kühlkanälen 104 zu einer Bipolarplatte 200 gefügt sind,

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

Beschichtung,

Fig. 4 eine Brennstoffzelle 300 aufweisend einen Elektrolyten 202, zwei

Elektroden 206, 207, zwei Gasdiffusionsschichten 204, 205, und zwei Bipolarplatten 200, 200,

Fig. 5 ein Brennstoffzellenstapel aufweisend mehrere aneinander angeordnete Brennstoffzellen 300,

Fig. 6 ein Verfahren, in dem ein strukturiertes Halbzeug 100 aus einer ersten Materialschicht 10 und einer zweiten, Metall aufweisenden,

Materialschicht 20 hergestellt wird,

Fig. 7 ein Verfahren, in dem ein strukturiertes Halbzeug 100 aus einer ersten Materialschicht 10 und einer zweiten, Metall aufweisenden,

Materialschicht 20 hergestellt wird, Fig. 8 ein Verfahren, in dem ein erstes Halbzeug 100 und ein zweites

Halbzeug 100 zu einer Bipolarplatte 200 gefügt wird,

Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Halbzeug 100 mit einer ersten Materialschicht 10, einer zweiten Materialschicht 20 und einer weiteren Materialschicht 30, und

Fig. 10 ein erfindungsgemäßes Halbzeug 100 mit einer ersten Materialschicht 10, einer zweiten Materialschicht 20 und einer weiteren Materialschicht 30.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt 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 fluidleitende Struktur 102 auf. Weiter weist die erste

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.

Fig. 2 zeigt eine Bipolarplatte 200 aus zwei Halbzeugen 100 einer Brennstoffzelle 300. Ein erstes Halbzeug 100, dessen erste Materialschicht 10 einer

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

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.

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

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

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

Beschichtung ein Carboncoating sein, wobei besonders vorteilhaft die

Schichtdicke des Carboncoating 1 - 2 mm beträgt. Besonders vorteilhaft kann das mindestens eine weitere Material 24 kontaktübergangsreduzierende

Eigenschaften besitzen und dadurch einen besonders günstigen

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

Brennstoffzelle 300 erreicht werden kann.

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

Bipolarplatten 200, durch die Wasserstoff zur Anode 206 und Sauerstoff/Luft zur Kathode 207 bzw. Wasser von der Kathode 207 und/oder 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.

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

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

Komponente 14 bereitgestellt 700. Über ein Compoundierverfahren,

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.

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,

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

Materialschicht 10 angeordneten 708 zweiten Materialschicht 20 2 mm bis 2 mm, insbesondere 0,3 mm bis 50 mm, beträgt.

In Fig. 7 wird nach der Ausformung 702 der ersten Materialschicht 10 eine zweite Materialschicht 20, die Metall aufweist, bereitgestellt 804 und die zweite

Materialschicht 20 wird beispielsweise mit Verfahren wie Laminieren,

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

Materialschicht 10 angeordneten 806 zweiten Materialschicht 20 2 mm bis 2 mm, insbesondere 0,3 mm bis 50 mm, beträgt.

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.

Fig. 9 zeigt ein erfindungsgemäßes Halbzeug 100 mit einer ersten

Materialschicht 10, einer zweiten Materialschicht 20 und einer weiteren

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.

Die eine weitere Materialschicht 30 kann neben der ersten Materialschicht 10 eine weitere erfindungsgemäße Graphit-Polymerschicht sein und die

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

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.

Fig. 10 illustriert ein weiteres erfindungsgemäßes Halbzeug 100 mit einer ersten Materialschicht 10, einer zweiten Materialschicht 20 und einer weiteren

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

Materialschicht 10 einseitig plan und auf der anderen Seite

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

Oberflächengeometrien, insbesondere Riblets oder eine Sägezahnform, im einstelligen mm-Bereich mit hoher Strukturgenauigkeit hergestellt werden, wodurch ein Leistungsverlust einer Brennstoffzelle 300 durch

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

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.