DE102009018527A1 - Formteil aus wenigstens zwei Teilelementen und Verfahren sowie Vorrichtung zu seiner Herstellung - Google Patents

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Can Kreuz
Sebastian Brokamp
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Zentrum fur Brennstoffzellen-Technik GmbH
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ZENTRUM fur BRENNSTOFFZELLEN
Zentrum fur Brennstoffzellen-Technik GmbH
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Abstract

Dargestellt und beschrieben sind ein Formteil sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Formteils aus wenigstens zwei Teilelementen (1, 2) aus einem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff, der wenigstens einen Kunststoff und wenigstens einen elektrisch leitfähigen Füllstoff enthält, wobei die Teilelemente (1, 2) einander zugeordnete Kontaktflächen (3, 4) aufweisen. Damit ein flächiger Stoffschluss der zu verbindenden Teilelemente erreicht wird, mit dem Ziel, den internen Kontaktübergangswiderstand und damit auch dessen Anpresskraft-Abhängigkeit deutlich zu reduzieren, ist vorgesehen, dass als Füllstoff Graphit verwendet wird, der in einem thermoplastischen Kunststoff gebunden ist, und dass die Teilelemente (1, 2) an ihren Kontaktflächen (5) miteinander verschweißt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Formteil aus wenigstens zwei Teilelementen aus einem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff, der wenigstens einen Kunststoff und wenigstens einen elektrisch leitfähigen Füllstoff enthält, wobei die Teilelemente einander zugeordnete Kontaktflächen, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Herstellung.
  • Formteile aus mehreren Teilelementen aus elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffen sind für unterschiedlichste Anwendungen bekannt. Die Verwendung von thermoplastischem Kunststoff mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff eignet sich insbesondere zur Herstellung hochleitfähiger Artikel für unterschiedlichste Bereiche, beispielsweise elektrische Kontaktplatten für Elektrolysezwecke oder Bipolarplatten für Brennstoffzellenanwendungen.
  • Graphit wird aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften in vielen Industriebreichen, wie der chemischen, elektrotechnischen, metallurgische, elektrochemischen, Kern- und Raketenindustrie verwand. Die positiven Eigenschaften des Graphits, wie der hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie der chemischen Beständigkeit steht eine aufwendige Verarbeitung zu strukturierten Formteilen, in Verbindung mit einer hohen Porosität und sehr geringen Duktilität gegenüber.
  • Um die positiven Eigenschaften des Graphits mit massenproduktionstauglichen Herstellungsprozessen zu verbinden und um die negativen Eigenschaften zu verringern, werden graphitische Kunststoffverbundwerkstoffe eingesetzt, welche Füllgrade bis zu 95 Gew.-% Graphit sowie ggf. weitere eigenschaftsverändernde Additive aufweisen können. Die Verarbeitung eines solchen Verbundwerkstoffs zu strukturierten oder unstrukturierten Formteilen geschieht vorzugsweise in Maschinen der kunststofftechnischen Industrie, da sich mit Spritzguß, Spritzpräge- oder Extrusionsmaschinen reproduzierbare Ergebnisse bei äußerst kurzen Zykluszeiten realisieren lassen.
  • Formteile aus elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffen können hochkomplexe Geometrien aufweisen. Diese werden beispielsweise bei der Herstellung von Polarplatten für PEM-Brennstoffzellen verlangt. Um diese im Vergleich zu ihrer Ausdehnung äußerst dünnen Formteile zur Kühlung auch in ihrem Inneren mit Kanälen versehen zu können, sind sog. Bipolarplatten, welche aus zwei gefügten Platten hergestellt werden, entwickelt worden. Eine solche kühlbare Bipolarplatte aus zwei gefügten Platten ist aus der DE 10 2006 044 763 A1 bekannt. Die daraus bekannten Bipolarplatten bestehen jeweils aus zwei Formteilen, welche miteinander gefügt werden, um eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel erzeugen zu können. Der Aufbau der dort beschriebenen jeweils eine Bipolarplatte bildenden Teilelemente ist geometrisch äußerst kompliziert und verlangt daher einen hohen Herstellungsaufwand. Auch das Fügen der Teilelemente durch Schweißen, Kleben, Löten oder Bördeln erfordert einen hohen konstruktiven Aufwand.
  • Insbesondere in der elektrotechnischen und elektrochemischen Industrie sind niedrige Kontakt- oder Übergangswiderstände zwischen den zu verbindenden Formteilen anzustreben, um Spannungsverluste weitgehend herabzusetzen.
  • Aufgrund einer möglichen funktionsbedingten Strukturierung ist in vielen Fällen die einteilig ausgeführte Herstellung solcher Formteile nicht oder nur sehr aufwändig realisierbar. Die elektrische Kontaktierung der mehrteiligen Ausführung durch mechanische Anpressung ist abhängig vom Anpressdruck und bedarf eines zusätzlichen Konstruktionsaufwands. Da der Anpressdruck funktionsbedingt nicht beliebig hoch angesetzt werden kann, sind sehr hohe Kontaktwiderstände die Folge.
  • Durch den zweiteiligen Aufbau von Bipolarplatten kommt es zwischen diesen in der Trennebene zu signifikanten elektrischen Kontaktübergangswiderständen, welche sich negativ auf die elektrische Leistung im PEM-Brennstoffzellenbetrieb auswirken.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, das eingangs genannte Formteil sowie das Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Herstellung so auszugestalten und weiterzubilden, dass ein flächiger Stoffschluss der zu verbindenden Teilelemente erreicht wird, mit dem Ziel, den internen Kontaktübergangswiderstand und damit auch dessen Anpresskraft-Abhängigkeit deutlich zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Formteil mit dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass als Füllstoff Graphit verwendet wird, der in einem thermoplastischen Kunststoff gebunden ist und dass die Teilelemente an ihren Kontaktflächen miteinander verschweißt sind.
  • Verfahrensmäßig erfolgt die Lösung der Aufgabe durch die folgenden Schritte:
    • – Zusammenpressen der zu fügenden Teilelemente mit einem definierten Druck,
    • – Beaufschlagen der zu fügenden Teilelemente mit einem definierten elektrischen Strom zum Erweichen oder Aufschmelzen der Kontaktflächen und
    • – Abkühlen des eine Fügenaht aufweisenden Formteils
  • Zur Durchführung dieses Verfahrens eignet sich insbesondere eine Vorrichtung mit einer ebenen oder als Negativ zu den Formteilen passend strukturierten Oberfläche.
  • Dadurch, dass die Teilelemente an ihren Kontaktflächen durch die Beaufschlagung mit Strom erweichen bzw. aufschmelzen, bildet sich zwischen den Teilelementen eine flächige stoff- und formschlüssige Verbindung, welche eine definierte Festigkeit aufweist und den elektrischen Widerstand deutlich reduziert. Eine flächige Fügung führt auch zur Trennung der Reaktionsmedien.
  • Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung werden als Füllstoff neben dem Graphit zusätzlich weitere leitfähigkeits- und/oder eigenschaftsverändernde Additive verwendet. Diese können insbesondere aus nanoskaligen Werkstoffen bestehen, welche zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit in die Kunststoffmatrix des Formteils eingebunden sind.
  • Um die Erfindung mit massenproduktionstauglichen Herstellungsprozessen verwirklichen zu können ist nach weiteren alternativen Ausgestaltungen der Erfindung eine spritzgieß-, spritzpräge-, heißpress- oder extrusionstechnische Herstellung vorgesehen. Die eigentliche Herstellung der Teilelemente des Formteils erfolgt dabei in handelsüblichen Maschinen der kunststofftechnischen Industrie.
  • Insbesondere in der elektrotechnischen und elektrochemischen Industrie sind niedrige Kontakt- oder Übergangswiderstände zwischen zu verbindenden Teilelementen von Formteilen zu erzielen, um Spannungsverluste weitgehend herabzusetzen. Hierzu ist es besonders zweckmäßig, wenn nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung das herzustellende Formteil aus zwei identischen Teilelementen besteht.
  • Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung kann es sich bei den Teilelementen um Bipolar-Halbplatten für PEM-Brennstoffzellen handeln. Gerade bei Bipolarplatten ist eine einteilig ausgeführte Herstellung in der Regel nicht oder nur mit einem äußerst großen Aufwand technisch realisierbar. Die Verwendung von als Massenprodukt hergestellten identischen ausgebildeten Bipolarplattenhälften ist daher ein äußerst interessantes beispielhaftes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung.
  • Eine weitere bevorzugte Anwendung verwendet die erfindungsgemäßen Teilelemente zur Herstellung von elektrischen Kontakplatten für Elektrolyseanwendungen.
  • Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung beträgt der Füllstoffanteil des Verbundwerkstoffs zwischen 20 und 95 Gew.-%. Als Füllstoff können dabei Graphit und ggf. noch weitere eigenschaftsverändernde Additive eingesetzt werden.
  • Als elektrischer Strom zum Beaufschlagen der zu fügenden Teilelemente kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom eingesetzt werden. Hierbei ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung äußerst vorteilhaft, wenn die Beaufschlagung mit elektrischem Strom pulsartig erfolgt. Die Dauer des Strompulses beträgt dabei zwischen 10 ms und 30 s, vorzugsweise zwischen 100 ms und 2 s.
  • Ein in Bezug auf einzusetzende Energie und Herstellungsdauer besonders bevorzugtes Verfahren, sieht eine Beaufschlagung mit elektrischem Strom durch mehrmalige Strompulse mit Unterbrechungen zwischen 10 ms und 5 s vor. Der dazu benötigte elektrische Strom kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung durch Kondensatorentladungen bereitgestellt werden.
  • Eine besonders interessante Art der Herstellung, insbesondere für geometrisch kompliziertere Teilelemente kann darin liegen, dass der elektrische Strom nacheinander durch Teilbereiche der Kontaktflächen der Teilelemente geleitet wird. Auf diese Weise kann auf die geometrische Ausführung wie beispielsweise die Breite von zu fügenden Stegen reagiert werden, um ein zu starkes oder zu geringes Erweichen bzw. Aufschmelzen zuverlässig auszuschließen. Keinesfalls darf bei der Erwärmung die Schmelztemperatur des Verbundstoffes überschritten werden.
  • In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eins der zu fügenden Teilelemente wenigstens im Bereich seiner Kontaktflächen ganz oder bereichsweise vorgeheizt wird. Auch auf diese Weise kann vermieden werden, dass die Erwärmung immer unterhalb der Schmelztemperatur der Teilelemente liegt. Die Erwärmung kann dabei insbesondere durch Werkzeugbeheizung, Warmgas, Mikrowellenerwärmung, Induktionserwärmung oder Hochfrequenzerwärmung erfolgen.
  • Eine weitere wesentliche Lehre der Erfindung sieht vor, dass zusätzlich zu der Beaufschlagung mit Druck und Strom Relativbewegungen zwischen den zu fügenden Teilelementen erzeugt werden, wobei die Kontaktflächen durch die entstehende Reibungswärme erhitzt werden. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Richtung der Relativbewegungen parallel zu den Kontaktflächen der Teilelemente verläuft. Die Relativbewegungen zum Erzeugen der Vibrationsschwingungen können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung durch Ultraschall und/oder mechanische Anregung erzeugt werden.
  • Der für das Anpressen der Formteile beim Herstellungsprozess notwendige Anpressdruck liegt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zwischen 1 kPa und 100 MPa, bevorzugt zwischen 200 kPa und 5 MPa.
  • Wie bereits zum Verfahren ausgeführt, sieht eine weitere Lehre der Erfindung vor, dass das Werkzeug zur Herstellung der erfindungsgemäßen Formteile über segmentierte Stromeinleitungsbereiche verfügt, um unterschiedliche Flächenbereiche zeitlich separiert mit unterschiedlichen Parametern fügen zu können.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen
  • 1 zwei zu einem Formteil zu verbindende Teilelemente, beabstandet in perspektivischer Ansicht,
  • 2 ein aus den beiden Teilelementen aus 1 hergestelltes Formteil,
  • 3 eine Bipolarplattenhälfte für PEM-Brennstoffzellen in. Draufsicht,
  • 4 den Gegenstand aus 3 in Seitenansicht,
  • 5 den Gegenstand aus den 3 und 4 in einer Ansicht von unten und
  • 6 eine aus zwei identischen Bipolarplattenhälften hergestellte Bipolarplatte.
  • Die 1 und 2 zeigen lediglich schematisch, wie zwei Teilelemente 1, 2, welche übereinander zugeordnete Kontaktflächen 3, 4 verfügen, zur Ausbildung beliebiger innerer Hohlraumgeometrien eines fertigen Formteiles beitragen können. Dadurch, dass das Formteil aus einzelnen Teilelementen 1, 2 besteht, lassen sich durch Fräsen, Ätzen, Erodieren oder dergleichen die gewünschten Oberflächenbearbeitung zur Herstellung von Hohlräumen oder Teilhohlräumen im späteren Formteil herstellen. Auch wenn die Teilelemente 1, 2 aus 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel identisch sind, umfasst die vorliegende Erfindung auch hoch komplizierte Strukturen innerhalb herzustellender Formteile.
  • 2 zeigt nun eine erfindungsgemäß hergestelltes Formteil, welches durch Zusammenpressen der zu fügenden Teilelemente 1, 2 mit einem definierten Druck, Beaufschlagen mit einem definierten elektrischen Strom zum Erweichen oder Aufschmelzen der Kontaktflächen 3, 4 und Abkühlen des eine Fügenaht 5 aufweisenden Formteils hergestellt wurde.
  • Um darzustellen, dass mit dem erfindungemäßen Verfahren auch komplizierte Formteile herstellbar sind ist in den 3 bis 5 einer Hälfte zweier identischer Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen dargestellt. Eine solche Bipolarplattenhälfte 7 kann beispielsweise im Spritzgießverfahren hergestellt werden.
  • In 3 erkennt man deutlich die Oberseite der Bipolarplattenhälfte, auf der im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Flowfield aus sechs mäanderförmig parallel verlaufender Gaskanäle 8 erkennbar ist. Die in den Eckbereichen enthaltenen Langlöcher 9 dienen, jeweils diagonal, zur Gasführung. Auf der Ober- und Unterseite der Bipolarplattenhälfte 7 sind mittig Bohrungen 10 vorgesehen, welche als Positionierungsbohrungen für den Zusammenbau der Bipolarplattenstapel (nicht dargestellt) dienen.
  • 5 zeigt nun die Unterseite der Bipolarplattenhälfte 7, in der die Zuführung der nicht näher bezeichneten Gasein-/auslassbereiche um die Langlöcher 9 gut erkennbar ist. Zur Kühlung der aus den dargestellten und insoweit bevorzugten Bipolarplattenhälften hergestellten Bipolarplatten verfügen diese in ihrem Inneren über eine Vielzahl von parallel zu den Stirnseiten verlaufenden Stegen 11, welche besonders deutlich auch in der Seitenansicht in 4 zu erkennen sind.
  • Eine aus zwei Bipolarplattenhälften 7 zusammengesetzte Bipolarplatte 12 ist in 6 dargestellt. Hier erkennt man sehr deutlich die von den miteinander form- und stoffschlüssig verbundenen Stegen 11 gebildeten Luftkühlnuten 13. Zur besseren Darstellung ist ein Teilbereich der Bipolarplatte 12 aufgeschnitten dargestellt. Dort ist die Mündung der Flowfield-Gaskanäle 8 der Bezugszeichen 14 bezeichnet. Auch ist erkennbar, dass eine zur Abdichtung erforderliche umlaufende Dichtung 15 in einem in der Bipolarplattenhälfte hergestellten nicht näher bezeichneten Kanal enthalten sein kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102006044763 A1 [0005]

Claims (28)

  1. Formteil aus wenigstens zwei Teilelementen (1, 2) aus einem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff, der wenigstens einen Kunststoff und wenigstens einen elektrisch leitfähigen Füllstoff enthält, wobei die Teilelemente (1, 2) einander zugeordnete Kontaktflächen (3, 4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff Graphit verwendet wird, der in einem thermoplastischen Kunststoff gebunden ist, und dass die Teilelemente (1, 2) an ihren Kontaktflächen (5) miteinander verschweißt sind.
  2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff zusätzlich weitere leitfähigkeits- und/oder eigenschaftsverändernde Additive verwendet werden.
  3. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine spritzgießtechnische Herstellung.
  4. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine spritzprägetechnisch Herstellung.
  5. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine heißpresstechnische Herstellung.
  6. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine extrusionstechnische Herstellung.
  7. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil aus zwei identischen Teilelementen besteht.
  8. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Teilelementen um Bipolar-Halbplatten für PEM-Brennstoffzellen handelt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Teilelementen um elektrische Kontaktplatten für Elektrolyseanwendungen handelt.
  10. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoffanteil des Verbundwerkstoffs zwischen 20 und 95 Gew.-% beträgt.
  11. Verfahren zum Fügen aus Teilelementen (1, 2) bestehenden Formteilen aus einem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Zusammenpressen der zu fügenden Teilelemente (1, 2) mit einem definierten Druck, – Beaufschlagen der zu fügenden Teilelemente (1, 2) mit einem definierten elektrischen Strom zum Erweichen oder Aufschmelzen der Kontaktflächen (3, 4) und – Abkühlen des eine Fügenaht (5) aufweisenden Formteils.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrischer Strom Wechselstrom eingesetzt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrischer Strom Gleichstrom eingesetzt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung mit elektrischem Strom pulsartig erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Strompulses zwischen 10 ms und 30 s beträgt.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Strompulses zwischen 100 ms und 2 s beträgt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung mit elektrischem Strom durch mehrmalige Strompulse mit Unterbrechungen zwischen 10 ms und 5 s erfolgt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom durch Kondensatorentladungen bereitgestellt wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom nacheinander durch Teilbereiche der Kontaktflächen (3, 4) geleitet wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der zu fügenden Teilelemente (1, 2) wenigstens im Bereich seiner Kontaktflächen (3, 4) ganz oder bereichsweise vorgeheizt wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Beaufschlagung mit Druck und Strom Relativbewegungen zwischen den zu fügenden Teilelementen (1, 2) erzeugt werden, wobei die Kontaktflächen (3, 4) durch die entstehende Reibungswärme erhitzt werden.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Relativbewegungen parallel zu den Kontaktflächen (3, 4) der Teilelemente (1, 2) verläuft.
  23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Relativbewegungen um Vibrationsschwingungen handelt, die durch Ultraschall erzeugt werden.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Relativbewegungen um Vibrationsschwingungen handelt, die durch mechanische Anregung erzeugt werden.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelemente (1, 2) mit einem Anpressdruck zwischen 1 kPa und 100 Mpa zusammengepresst werden.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelemente (1, 2) mit einem Anpressdruck zwischen 200 kPa und 5 MPa zusammengepresst werden.
  27. Vorrichtung zum Herstellen eines Formteils mittels einem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 26, gekennzeichnet durch eine ebene oder als Negativ zu dem Formteil passende strukturierte Oberfläche.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch, das Werkzeug über segmentierte Stromeinleitungsbereiche, um unterschiedliche Flächenbereiche zeitlich separiert mit unterschiedlichen Parametern fügen zu können.
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