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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, umfassend zumindest zwei Teilplatten, welche zumindest randseitig miteinander verbunden werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine mittels des Verfahrens hergestellt Bipolarplatte.
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Aus der
DE 102 51 775 A1 ist ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Plattenelementen einer Brennstoffzelleneinheit bekannt. Dabei wird ein strahlungsaktivierbares Klebemittel auf mindestens eines der mindestens zwei Plattenelemente aufgebracht. Das Klebemittel wird während einer vorbestimmten Zeitdauer bestrahlt und die mindestens zwei Plattenelemente in der gewünschten Fügeposition angeordnet und unter Druck- und/oder Wärmeeinwirkung gefügt. Das Verfahren wird z. B. bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln verwendet.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 11 2004 000 147 T5 ein Bipolplattenzusammenbau mit einem Plattenpaar, einer elektrisch leitenden Lage und einer Fluiddichtung bekannt. Das Plattenpaar weist zueinander weisende Plattenflächen auf, wobei jede der zueinander weisenden Plattenflächen einen inneren Abschnitt und einen äußeren Umfangsabschnitt umfasst. Jeder innere Abschnitt weist eine abwechselnde Vielzahl sowohl von daran ausgebildeten Kühlmittelnuten als auch Kühlmittelstegen auf. Die elektrisch leitende Lage ist über zumindest den Kühlmittelstegen jeder Platte abgeschieden. Die zueinander weisenden Plattenflächen sind verbunden, um sowohl eine Vielzahl elektrischer Verbindungsleitungen zwischen jeweiligen zueinander weisenden Paaren der Kühlmittelstege als auch eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen zwischen jeweiligen zueinander weisenden Paaren der Kühlmittelnuten zu bilden. Die Fluiddichtung ist zwischen dem inneren Abschnitt und dem Umfangsabschnitt der zueinander weisenden Plattenflächen angeordnet, wobei die Fluiddichtung jeden inneren Abschnitt umgibt.
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Zudem beschreibt die
DE 11 2004 000 147 T5 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Membranelektrodenanordnungen, die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind, und einem Bipolplattenzusammenbau, der zwischen jeweiligen Paaren der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist. Jeder Bipolplattenzusammenbau umfasst ein Paar ausgerichteter Platten, von denen jede eine Vielzahl von Reaktandengaskanälen an einer ersten Plattenfläche, die zu den Membranelektrodenanordnungen weist, und eine Vielzahl von abwechselnden Kühlmittelnuten und -stegen an einer zweiten Plattenfläche aufweist, die von den Membranelektrodenanordnungen weg weist. Die zweite Plattenfläche weist eine elektrisch leitende Lage auf, die zumindest über den Kühlmittelstegen abgeschieden ist. Der Bipolplattenzusammenbau ist verbunden, um sowohl eine Vielzahl elektrischer Verbindungsleitungen zwischen jeweiligen zueinander weisenden Paaren der Kühlmittelstege als auch eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen zwischen jeweiligen zueinander weisenden Paaren der Kühlmittelnuten zu bilden. Die Fluiddichtung umgibt die Kühlmittelkanäle und die Kühlmittelstege jedes Bipolplattenzusammenbaus, um die Reaktandengaskanäle von der elektrisch leitenden Lage zu isolieren. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Isolieren von Reaktandengasdurchlässen von mit Kühlmittel in Kontakt stehenden Flächen in einem Brennstoffzellenstapel beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle und eine solche Bipolarplatte anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich der Bipolarplatte durch die in Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, welche zumindest zwei Teilplatten umfasst, sieht vor, dass die Teilplatten zumindest randseitig miteinander verbunden werden. Erfindungsgemäß wird in beide Teilplatten randseitig umlaufend eine Vertiefung eingebracht und die Teilplatten werden derart aneinander angeordnet, dass eine erste Vertiefung einer ersten Teilplatte in eine zweite Vertiefung einer zweiten Teilplatte hineinragt, wobei eine Außenfläche der ersten Vertiefung bereichsweise in Berührungsbereichen an einer Innenfläche der zweiten Vertiefung anliegt.
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In die beiden Teilplatten wird jeweils eine Vertiefung eingebracht, so dass sich die Teilplatten beim Zusammenbau der Bipolarplatte durch die Vertiefungen in besonders vorteilhafter Weise selbst zentrieren. Eine Positionierung der beiden Teilplatten zueinander ist mittels der beiden Vertiefungen vorgegeben, da für einen Zusammenbau der beiden Teilplatten die erste Vertiefung in die zweite Vertiefung hineinragt. Somit stellen die beiden Vertiefungen eine Montagehilfe beim Zusammenbau der Bipolarplatte dar, wodurch in Gewinn bringender Weise ein Zeitaufwand und somit auch ein Kostenaufwand bei der Herstellung der Bipolarplatte verringert werden kann.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird auf die Außenfläche der ersten Vertiefung und/oder auf die Innenfläche der zweiten Vertiefung ein Fügematerial derart aufgebracht, dass sich das Fügematerial nach einem Aneinanderanordnen der Teilplatten in einem von der Außenfläche der ersten Vertiefung, der Innenfläche der zweiten Vertiefung sowie von den Berührungsbereichen begrenzten Hohlraum befindet.
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Der Hohlraum stellt in besonders vorteilhafter Weise einen Aufnahmebereich zur Anordnung des Fügematerials dar, so dass die beiden Teilplatten stoffschlüssig aneinander befestigt werden. Zudem bildet das Fügematerial vorzugsweise eine Dichtung, so dass zwischen den beiden Teilplatten vorhandene Zwischenräume gegenüber der Umwelt abgedichtet sind. Besonders bevorzugt ist die randseitig umlaufende mittels der Vertiefungen gebildete Verbindungsstelle der beiden aneinander angeordneten Teilplatten mediumdicht ausgebildet ist.
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Da die Verbindungsstelle derart dicht ausgebildet wird, können Kanäle, beispielsweise zum Kühlmitteldurchfluss, welche durch Ausformungen in den Teilplatten und der Aneinanderanordnung gebildet sind, entsprechend eng und tief ausgebildet werden.
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Somit kann eine Effizienz der Brennstoffzelle gesteigert werden, da die mittels der beiden Teilplatten gebildete Bipolarplatte verbesserte elektrische Kennwerte aufweist.
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Besonders bevorzugt werden bzw. wird als Fügematerial ein Lot und/oder ein Klebstoff auf die Außenfläche der ersten Vertiefung und/oder auf die Innenfläche der zweiten Vertiefung aufgebracht, so dass die beiden Teilplatten stoffschlüssig aneinander befestigt werden und dadurch gleichzeitig die Verbindungsstelle besonders vorteilhaft abgedichtet wird.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass auf einen Dichtungsabschnitt, welcher sich auf einer dem Fügematerial abgewandten Seite der ersten Vertiefung der ersten Teilplatte und/oder der zweiten Vertiefung der zweiten Teilplatte erstreckt, ein Dichtwerkstoff aufgebracht wird. Dieser Dichtwerkstoff wird aufgebracht, um eine Verbindungsstelle nebeneinander angeordneter Bipolarplatten zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels abzudichten, wodurch die Effizienz der Brennstoffzelle oder der Brennstoffzellen erhöht werden kann.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird der Dichtwerkstoff auf den Dichtungsabschnitt oder die Dichtungsabschnitte heiß aufgespritzt, so dass durch die Wärme des heißen Dichtwerkstoffes, welche in dem jeweiligen Dichtungsabschnitt absorbiert wird und dadurch auf den Hohlraum, in welchem das Fügematerial angeordnet ist, übertragen wird, der Klebstoff und/oder das Lot zur stoffschlüssigen Verbindung der Teilplatten aktiviert wird.
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Wird der Dichtwerkstoff heiß aufgespritzt, kann ein Arbeitsvorgang, nämlich der des Erwärmens, zumindest des Erwärmens der Teilplatten im Bereich der Vertiefungen von außen, entfallen. Dadurch kann in Gewinn bringender Weise eine Zeitersparnis und somit auch eine Kostenersparnis bei der Herstellung einer Bipolarplatte erzielt werden.
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Alternativ oder zusätzlich können die Teilplatten zur Aufschmelzung des in dem Hohlraum angeordneten Fügematerials auch wärmebehandelt werden, wobei hierzu wenigstens ein vorgewärmtes, vorzugsweise beheizbares Werkzeug verwendet werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels eines solchen Werkzeuges gleichzeitig ein Anpressdruck auf die Teilplatten im Bereich der Vertiefungen ausgeübt werden.
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Neben der Aktivierung des Fügematerials mittels Wärme wird zugleich ein Anpressdruck auf die beiden Teilplatten ausgeübt, um die stoffschlüssige Verbindung herzustellen und die aus der stoffschlüssigen Verbindung resultierende Abdichtung der Verbindungsstelle sicherstellen zu können. Dabei wird ein auf die Teilplatten wirkender Anpressdruck vorteilhaft mittels der an die Vertiefungen beidseitig angrenzenden Bereiche der Teilplatten begrenzt, da die Bereiche der beiden Teilplatten aneinander anliegen.
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Wird der Anpressdruck, wie oben beschrieben, mittels des Werkzeuges auf die Teilplatten ausgeübt, kann das Werkzeug besonders bevorzugt hinsichtlich eines auszuübenden Anpressdruckes eingestellt werden. Bevorzugt wird der Anpressdruck nur so hoch eingestellt, dass ein Materialversagen der beiden Teilplatten im Bereich der Vertiefungen weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird in einen an die erste Vertiefung und/oder in einen an die zweite Vertiefung angrenzenden Bereich der ersten Teilplatte und/oder der zweiten Teilplatte eine Anzahl von Entlüftungslöchern und/oder Entlüftungsschlitzen eingebracht, die mit dem zwischen der Außenfläche der ersten Vertiefung und der Innenfläche der zweiten Vertiefung und den Berührungsbereichen gebildeten Hohlraum strömungstechnisch verbunden sein können, um ein Ausdünsten des Fügematerials, insbesondere des Klebstoffes, zu ermöglichen.
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Diese Entlüftungslöcher und/oder Entlüftungsschlitze dienen insbesondere der Entlüftung des Hohlraumes, da durch das Einpressen der ersten Vertiefung in die zweite Vertiefung Luft verdrängt wird, die ohne die Entlüftungslöcher und/oder Entlüftungsschlitze nicht entweichen könnte, und dadurch die Gefahr bestehen könnte, dass die stoffschlüssige Verbindung und somit die Abdichtung zwischen den beiden Teilplatten im Bereich der Vertiefungen nicht sichergestellt werden kann.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Bipolarplatte, welche nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird und aus den zwei Teilplatten gebildet ist. Dabei weisen die Teilplatten randseitig umlaufend eine Vertiefung auf und die Teilplatten sind derart aneinander angeordnet, dass eine erste Vertiefung einer ersten Teilplatte in eine zweite Vertiefung einer zweiten Teilplatte hineinragt, wobei eine Außenfläche der ersten Vertiefung bereichsweise in Berührungsbereichen an einer Innenfläche der zweiten Vertiefung anliegt. Mittels einer solchen gebildeten Bipolarplatte kann eine Leistungsfähigkeit der Bipolarplatte innerhalb einer Brennstoffzelle gesteigert werden, da mittels der Vertiefungen die Möglichkeit einer effizienten Abdichtung der Bipolarplatte gegenüber ihrer Umwelt gegeben ist.
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Zwischen einer Außenfläche der ersten Vertiefung, einer Innenfläche der zweiten Vertiefung und den Berührungsbereichen ist ein Hohlraum gebildet, in welchem ein Fügematerial angeordnet ist, mittels welchem die beiden Teilplatten stoffschlüssig aneinander befestigt sind. Das Fügematerial dient in besonders vorteilhafter Weise sowohl der stoffschlüssigen Verbindung als auch der Abdichtung im Bereich der Verbindung der beiden Teilplatten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der mittels der beiden Teilplatten hergestellten Bipolarplatte weist ein an die erste Vertiefung und/oder an die zweite Vertiefung angrenzender Randbereich der ersten Teilplatte und/oder der zweiten Teilplatte eine Anzahl von Entlüftungslöchern und/oder Entlüftungsschlitzen auf, die mit dem zwischen der Außenfläche der ersten Vertiefung und der Innenfläche der zweiten Vertiefung und den Berührungsbereichen gebildeten Hohlraum strömungstechnisch verbunden sind.
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Diese Entlüftungslöcher und/oder Entlüftungsschlitze sind beispielsweise vorgesehen, dass Luft, welche beim Anpressen der beiden Teilplatten aneinander verdrängt wird, entweichen kann und somit die Abdichtung der Verbindung zwischen den beiden Teilplatten im Bereich der Vertiefungen sichergestellt werden kann. Weiterhin dienen die Entlüftungslöcher und/oder Entlüftungsschlitze auch einem Ausdünsten des Klebstoffes als Fügematerial.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Randbereiches einer mittels zwei aneinander befestigten Teilplatten gebildeten Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle,
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2 schematisch die Schnittdarstellung gemäß 1 mit Dichtwerkstoff im komprimierten Zustand,
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3 schematisch eine Schnittdarstellung des Randbereiches der mittels zwei aneinander befestigten Teilplatten gebildeten Bipolarplatte im Bereich eines Entlüftungsschlitzes,
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4 schematisch eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform des Randbereiches der Bipolarplatte mit ausgebildeten Versteifungen,
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5 schematisch eine Schnittdarstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform des Randbereiches einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle,
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6 schematisch einen Randbereich der Bipolarplatte im Bereich ausgeformter Entlüftungsschlitze und
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7 schematisch eine Draufsicht eines Werkzeuges zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Schnittdarstellung von Randbereichen zweier aneinander befestigter Teilplatten 1, 2, mittels welcher eine nicht gezeigte Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gebildet wird, dargestellt.
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Eine erste Teilplatte 1 bildet die Anode und eine zweite Teilplatte 2 bildet die Kathode der Bipolarplatte, wobei den Randbereichen abgewandt eine Innenplatte 3 zwischen den beiden Teilplatten 1, 2 angeordnet ist.
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Die beiden Teilplatten 1, 2 weisen jeweils in ihrem Randbereich diesen vollständig umlaufend eine rinnenförmige Vertiefung 1.1, 2.1 auf, welche beispielsweise in einem Tiefzieh- und/oder Streckziehverfahren in die jeweilige Teilplatte 1, 2 eingebracht wird.
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Dabei sind die Vertiefungen 1.1, 2.1 in deren jeweiliger Position zum Zusammenbau in gleicher Orientierung in die Teilplatten 1,2 eingebracht, so dass eine erste Vertiefung 1.1 der ersten Teilplatte 1 in eine zweite Vertiefung 2.1 der zweiten Teilplatte 2 hineinragt.
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Die erste Vertiefung 1.1 der ersten Teilplatte 1 ist so ausgeformt, dass ein der Öffnung gegenüberliegender Abschnitt 1.1.1 weitestgehend gerade verläuft. Die die erste Vertiefung 1.1 seitlich begrenzenden Wandungen 1.1.2 verlaufen leicht abgeschrägt, wobei die Wandungen 1.1.2 ungleich hoch ausgebildet sind.
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Ein der Öffnung der zweiten Vertiefung 2.1 gegenüberliegender Abschnitt 2.1.1 weist randseitig sich gegenüberliegende Ausbuchtungen 2.1.1.1 auf, so dass die seitlichen Wandungen 2.1.2 im Vergleich zu den seitlichen Wandungen 1.1.2 der ersten Vertiefung 1.1 länger ausgebildet sind. Dabei ist eine dem Randbereich abgewandt ausgebildete Wandung 1.1.2 weniger hoch ausgebildet als die gegenüberliegende Wandung 2.1.2 der zweiten Vertiefung 2.1, wodurch an die Vertiefung 2.1 unmittelbar angrenzende Bereiche 2.2 der zweiten Teilplatte 2 in verschiedenen Ebenen, die parallel zueinander angeordnet sind, verlaufen.
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Hinsichtlich der ersten Teilplatte 1 verlaufen an die erste Vertiefung 1.1 angrenzende Bereiche 1.2 in verschiedenen Ebenen parallel zueinander.
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Die Wandungen 1.1.2, 2.1.2 der beiden Vertiefungen 1.1, 2.1 sind verschieden hoch ausgebildet, da wie oben beschrieben, zwischen den Teilplatten 1, 2 die Innenplatte 3 angeordnet ist.
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Bei Herstellung der Bipolarplatte wird auf eine Außenfläche A des der Öffnung gegenüberliegenden Abschnittes 1.1.1 der ersten Vertiefung 1.1 und/oder auf eine Innenfläche I des der Öffnung gegenüberliegenden Abschnittes 2.1.1 der zweiten Vertiefung 2.1 ein Fügematerial 4, beispielsweise ein Klebstoff und/oder ein Lot, aufgebracht. Bei dem Klebstoff handelt es sich vorzugsweise um ein Polymer, welches durch Erwärmung aktiviert wird, wobei es sich bei dem Lot um ein Werkstoff zum Niedertemperaturlöten handelt, wobei Niedertemperaturlöten in einem Temperaturbereich von 400° bis 500° durchgeführt wird.
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Anschließend daran werden die beiden Teilplatten 1, 2 so aneinander angeordnet, dass die erste Vertiefung 1.1 in die zweite Vertiefung 2.1 hineinragt. Durch die derartige Anordnung der beiden Teilplatten 1, 2 ist mittels einer Außenfläche Ader ersten Vertiefung 1.1, einer Innenfläche I der zweiten Vertiefung 2.1 sowie mittels Berührungsbereichen, welche durch Anliegen der Außenfläche A an der Innenfläche I gebildet sind, ein Hohlraum H gebildet. In diesem Hohlraum H befindet sich das Fügematerial 4, nachdem die beiden Teilplatten 1, 2 aneinander angeordnet sind.
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Die Abwinklungen der die jeweilige Vertiefung 1.1, 2.1 seitlich begrenzenden Wandungen 1.1.2, 2.1.2 beider Teilplatten 1, 2 sind vorzugsweise abhängig voneinander vorgegeben, so dass zumindest ein maximales Maß hinsichtlich des Hineinragens der ersten Vertiefung 1.1 in die zweite Vertiefung 2.1 vorgegeben ist. Insbesondere korrespondiert dazu ein vorgegebener Nistwinkel α der ersten Teilplatte 1 mit einem vorgegebenen Freiwinkel β der zweiten Teilplatte 2, so dass die erste Vertiefung 1.1 nur bis zu dem vorgegebenen Maß in die zweite Vertiefung 2.1 der zweiten Teilplatte 2 hineinragt.
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Die erste Teilplatte 1 weist einen Dichtungsabschnitt D zum Aufbringen eines Dichtungswerkstoffes D1 auf, wobei sich der Dichtungsabschnitt D auf einer dem Fügematerial 4 abgewandten Seite der ersten Vertiefung 1.1 befindet. Dabei ist der Dichtungswerkstoff D1 hinsichtlich der ersten Teilplatte 1 in der ersten Vertiefung 1.1 angeordnet.
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Ein Dichtungsabschnitt D der zweiten Teilplatte 2 ist auf einer dem Fügematerial 4 abgewandten Seite der zweiten Vertiefung 2.1 angeordnet. Dabei ist der Dichtungsabschnitt D zwischen den beiden Ausbuchtungen 2.1.1.1 des der Öffnung der zweiten Vertiefung 2.1 gegenüberliegenden Abschnittes 2.1.1 aufgebracht.
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Auf den Dichtungsabschnitt D der ersten Vertiefung 1.1 ist ein anderer Dichtungswerkstoff D2 als auf den Dichtungsabschnitt D der zweiten Vertiefung 2.1 aufgebracht, wobei auch vorgesehen sein kann, für beide Dichtungsabschnitte D denselben Dichtungswerkstoff D1, D2 aufzubringen.
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Die mittels der beiden stoffschlüssig aneinander befestigten Teilplatten 1, 2 gebildete Bipolarplatte ist Bestandteil eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellenstapels, wobei dabei eine an die erste Teilplatte 1 und eine an die zweite Teilplatte 2 nicht dargestellte angrenzende weitere Teilplatte 1, 2 angeordnet ist. Dabei grenzt an die erste Teilplatte 1 eine nicht näher dargestellte zweite Teilplatte 2 einer weiteren Bipolarplatte und an die zweite Teilplatte 2 eine nicht näher gezeigte erste Teilplatte 1 ebenfalls einer weiteren Bipolarplatte.
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Durch die Anordnung der mittels der beiden Teilplatten 1, 2 gebildeten Bipolarplatte in einem Brennstoffzellenstapel werden die an den vorgesehenen Dichtungsabschnitten D der Vertiefungen 1.1, 2.1 angeordneten Dichtungswerkstoffe D1, D2 komprimiert, wie in 2 mittels der gestrichelten Linie dargestellt ist.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung des mittels der beiden Teilplatten 1, 2 gebildeten Randbereiches der Bipolarplatte mit einer randseitig ausgebildeten Entlüftungsmöglichkeit in Form eines Entlüftungsschlitzes E, welcher in 6 im Detail dargestellt ist.
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Im Bereich des Entlüftungsschlitzes E sind die die jeweilige Vertiefung 1.1, 2.1 seitlich begrenzenden Wandungen 1.1.2, 2.1.2 im Wesentlichen gleich hoch ausgebildet, so dass die dem Randbereich der Bipolarplatte zugewandten an die Vertiefung 1.1, 2.1 angrenzenden Bereiche 1.2, 2.2 der beiden Teilplatten 1, 2 zueinander beabstandet sind.
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Alternativ dazu kann die Entlüftungsmöglichkeit als Entlüftungsloch ausgebildet sein, wobei die Entlüftungsmöglichkeit der Entlüftung hinsichtlich des Fügematerials 4, insbesondere des Klebstoffes, bei einem Fügevorgang, d. h. bei einer stoffschlüssigen Verbindung der beiden Teilplatten 1, 2, dient. Mittels des Entlüftungsschlitzes E kann das Fügematerial 4, insbesondere der Klebstoff, während des Aushärtens effizient ausdünsten.
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Zur stoffschlüssigen Befestigung der beiden Teilplatten 1, 2 aneinander sind zumindest zwei Alternativen vorgesehen.
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Bei einer ersten Alternative sind die Teilplatten 1, 2 aneinander angeordnet, so dass die erste Vertiefung 1.1 der ersten Teilplatte 1 bis zu dem vorgegebenen Maß in die zweite Vertiefung 2.1 der zweiten Teilplatte 2 hineinragt, wobei sich in dem Hohlraum H zwischen der Außenfläche A der ersten Vertiefung 1.1 und der Innenfläche I der zweiten Vertiefung 2.1 und den Berührungsbereichen der Wandungen 1.1.2, 2.1.2 das Fügematerial 4 befindet. Dabei bilden die Vertiefungen 1.1, 2.1 eine Montagehilfe bei der Anordnung der beiden Teilplatten 1, 2 aneinander, da sich die Teilplatten 1, 2 mittels der Vertiefungen 1.1, 2.1 selbst zentrieren.
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Gemäß der ersten Alternative wird der jeweilige Dichtungswerkstoff D1, D2 auf den jeweiligen Dichtungsabschnitt D heiß aufgespritzt, wobei die Wärme des Dichtungswerkstoffes D1, D2 von den beiden Teilplatten 1, 2 im Dichtungsabschnitt D absorbiert wird, in den Hohlraum H übertragen und somit dem Fügematerial 4 zugeführt wird, wodurch der Klebstoff als Fügematerial 4 polymerisiert.
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Durch die zugeführte Wärme wird das Fügematerial 4 in Form des Klebstoffes und/oder des Lotes aufgeschmolzen, d. h. aktiviert, so dass die beiden Teilplatten 1, 2 über die Vertiefungen 1.1, 2.1 stoffschlüssig aneinander befestigt werden. Eine Viskosität des Fügematerials 4 wird bei Zufuhr von Wärme verringert, so dass sich das Fügematerial 4 in dem Hohlraum H verteilt. Bevorzugt wird bei der ersten Alternative nur Klebstoff als Fügematerial 4 verwendet, so dass die Verfahrensschritte des stoffschlüssigen Befestigens und des Aufspritzens des Dichtungswerkstoffes D1, D2 gleichzeitig in einem Verfahrensschritt ausgeführt werden können.
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Die beiden Teilplatten 1, 2 werden aneinander gepresst, wobei ein maximaler Anpressdruck durch die an die Vertiefungen 1.1, 2.1 unmittelbar angrenzenden Bereiche 1.2, 2.2 der Teilplatten 1, 2 begrenzt ist. Liegen die an die Vertiefungen 1.1, 2.1 angrenzenden Bereiche 1.2, 2.2 aufeinander auf oder aneinander an, ist eine optimale Positionierung der beiden Teilplatten 1, 2 zur Bildung der Bipolarplatte weitestgehend erreicht.
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Ein weiteres stärkeres Anpressen hätte mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Materialversagen zumindest eines der beiden Teilplatten 1, 2, insbesondere im Bereich der Vertiefungen 1.1, 2.1, zur Folge.
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Bei auf die Teilplatten 1, 2 im Bereich der Vertiefung 1.1, 2.1 wirkendem Anpressdruck verteilt sich das erwärmte Fügematerial 4 in Abhängigkeit seiner Menge in dem Hohlraum H, wobei sich der Hohlraum H beim Anpressen der beiden Teilplatten 1, 2 gegeneinander volumenmäßig verkleinern kann. Die in der zweiten Vertiefung 2.1 ausgebildeten Ausbuchtungen 2.1.1.1 bilden beim Anpressen der Teilplatten 1, 2 aneinander ein Reservoir R, in welchem sich überschüssiges Fügematerial 4 sammeln kann, wie in 4 näher gezeigt ist.
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Das Fügematerial 4 ist in dem Hohlraum H angeordnet und verteilt sich in diesem, so dass die beiden Teilplatten 1, 2 mittels des Fügematerials 4 stoffschlüssig und durch das Hineinragen der ersten Vertiefung 1.1 in die zweite Vertiefung 2.1 gegebenenfalls formschlüssig aneinander befestigt sind.
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Dabei bildet das Fügematerial 4 neben der stoffschlüssigen Befestigung eine Abdichtung innerhalb einer Verbindungsstelle der beiden Teilplatten 1, 2 im Bereich der Vertiefungen 1.1, 2.1.
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Die zweite mögliche Alternative zur Befestigung der beiden Teilplatten 1, 2 aneinander sieht vor, dass das Fügematerial 4 mittels zumindest eines vorgewärmten Werkzeuges 5, welches beispielhaft in 7 dargestellt ist, erwärmt und somit aktiviert wird, wobei das Werkzeug 5 vorzugsweise beheizbar ist.
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Wird als Fügematerial 4 ein Lot verwendet, ist ein eingesetztes Werkzeug 5 vorzugsweise ein Durchlaufofen, welcher nicht näher gezeigt ist.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug 5 bevorzugt so ausgebildet ist, dass die aneinander zu befestigenden Teilplatten 1, 2 mittels des Werkzeuges 5 aneinander gepresst werden, wobei das Fügematerial 4 aktiviert wird und gleichzeitig eine Anpresskraft zur stoffschlüssigen Verbindung auf die Teilplatten 1, 2 ausgeübt wird.
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Sind die beiden Teilplatten 1, 2 stoffschlüssig im Bereich der Vertiefungen 1.1, 2.1 aneinander befestigt, wird der jeweilige Dichtungswerkstoff D1, D2 auf die Dichtungsabschnitte D im Bereich der Vertiefungen 1.1, 2.1 aufgebracht, wobei der jeweilige Dichtungswerkstoff D1, D2 bei der zweiten möglichen Alternative nicht heiß auf die Dichtungsabschnitte D aufgebracht wird. Der oder die Dichtungswerkstoffe D1, D2 werden insbesondere anschließend an die stoffschlüssige Befestigung auf die Dichtungsabschnitte D aufgebracht, wenn als Fügematerial 4 ausschließlich Lot verwendet wird.
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In 4 ist eine alternative Ausführungsform in Bezug auf die Gestaltung eines mittels der beiden Teilplatten 1, 2 gebildeten Randbereiches einer Bipolarplatte gezeigt.
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Dargestellt ist der Randbereich im Bereich eines Entlüftungsschlitzes E, wobei bevorzugt in diesem Bereich Versteifungen V, insbesondere zum Versteifen des Randbereiches, ausgebildet sind. Die Versteifungen V sind dabei nur schemenhaft gezeigt. Vorzugsweise sind in dem Randbereich eine Mehrzahl von Versteifungen V ausgebildet, die in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind.
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5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des mittels der beiden Teilplatten 1, 2 gebildeten Randbereiches einer Bipolarplatte.
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Wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ragt die erste Vertiefung 1.1 der ersten Teilplatte 1 zur Befestigung der beiden Teilplatten 1, 2 aneinander bis zu dem vorgegebenen Maß in die zweite Vertiefung 2.1 der zweiten Teilplatte 2 hinein.
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Bei dieser Ausführungsform sind in der ersten Vertiefung 1.1 der ersten Teilplatte 1 Ausbuchtungen 1.1.1.1 als Kavernen sich gegenüberliegend ausgeformt. Die zweite Vertiefung 2.1 der zweiten Teilplatte 2 weist in der Schnittdarstellung im Wesentlichen den Querschnitt eines geraden Kegelstumpfes auf.
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Im Bereich einer vom Randbereich abgewandten Ausbuchtung 1.1.1.1 der ersten Vertiefung 1.1 ist in die zweite Vertiefung 2.1 ein durchgehendes Loch L als Entlüftungsloch eingebracht, mittels welchem ein Lufteinschluss innerhalb der Ausbuchtungen 1.1.1.1 vermieden wird. Der auf den Dichtungsabschnitt D der zweiten Teilplatte 2 aufgebrachte Dichtungswerkstoff D2 kann durch das Loch L in die Ausbuchtung 1.1.1.1 fließen, wodurch eingeschlossene Luft verdrängt werden kann. Die in der ersten Vertiefung 1.1 ausgebildeten Ausbuchtungen 1.1.1.1 bilden zum einen die Kavernen und zum anderen eine versteifende Struktur im Bereich der Vertiefungen 1.1, 2.1 beider Teilplatten 1, 2.
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Mittels des Loches L in der zweiten Vertiefung 2.1 der zweiten Teilplatte 2 und der strömungstechnischen Verbindung zu dem Bereich der ersten Vertiefung 1.1 ist auch ein Durchspritzen eines der Dichtungswerkstoffe D1, D2 beispielsweise von dem einen Dichtungsabschnitt D zu dem gegenüberliegenden Dichtungsabschnitt D oder umgekehrt möglich.
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In 6 ist ein Randbereich der Bipolarplatte, welche aus den zwei stoffschlüssig aneinander befestigten Teilplatten 1, 2 gebildet ist, dargestellt.
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Im Detail sind die regelmäßig zueinander beabstandeten Entlüftungsschlitze E dargestellt, wobei die Entlüftungsschlitze E insbesondere durch partielle Ausformungen der zweiten Teilplatte 2 gebildet sind.
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Die Entlüftungsschlitze E sind strömungstechnisch mit dem nicht gezeigten Hohlraum H verbunden, wobei die strömungstechnische Verbindung in Richtung des Randbereiches der mittels der Teilplatten 1, 2 gebildeten Bipolarplatte realisiert ist.
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Die Entlüftungsschlitze E oder alternativ die Entlüftungslöcher sind vorzugsweise so ausgebildet, dass diese gleichzeitig auch die Versteifung V im Randbereich der Bipolarplatte bilden können, wobei die Entlüftungsschlitze E in regelmäßigen Abständen zueinander zwischen den beiden Teilplatten 1, 2 ausgebildet sind.
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In 7 ist eine schematische Darstellung des Werkzeuges 5 zur Bearbeitung einer der Teilplatten 1, 2, beider Teilplatten 1, 2 oder der mittels der beiden Teilplatten 1, 2 hergestellten Bipolarplatte in einer Draufsicht gezeigt. Dabei ist zumindest eine Teilplatte 1, 2 der Bipolarplatte auf dem Werkzeug 5 angeordnet.
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Das Werkzeug 5 weist drei Bereiche 5.1 bis 5.3 auf, die vorzugsweise unabhängig voneinander beheizbar und somit temperierbar sind. So ist es z. B. möglich, in einem ersten Bereich 5.1 das Niedertemperaturlöten, in einem zweiten Bereich 5.2 den Klebstoff als Fügematerial 4 zu aktivieren, insbesondere zu polymerisieren, und in einem dritten Bereich 5.3 das Fügematerial 4 aushärten zu lassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Teilplatte
- 1.1
- erste Vertiefung
- 1.1.1
- gegenüberliegender Abschnitt
- 1.1.1.1
- Ausbuchtung
- 1.1.2
- Wandung
- 1.2
- Bereich
- 2
- zweite Teilplatte
- 2.1
- zweite Vertiefung
- 2.1.1
- gegenüberliegender Abschnitt
- 2.1.1.1
- Ausbuchtung
- 2.1.2
- Wandung
- 2.2
- Bereich
- 3
- Innenplatte
- 4
- Fügematerial
- 5
- Werkzeug
- 5.1
- erster Bereich
- 5.2
- zweiter Bereich
- 5.3
- dritter Bereich
- A
- Außenfläche
- D
- Dichtungsabschnitt
- D1
- Dichtungswerkstoff
- D2
- weiterer Dichtungswerkstoff
- E
- Entlüftungsschlitz
- H
- Hohlraum
- I
- Innenfläche
- L
- Loch
- R
- Reservoir
- V
- Versteifung
- α
- Nistwinkel
- β
- Freiwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10251775 A1 [0002]
- DE 112004000147 T5 [0003, 0004]
