DE102012023472B4

DE102012023472B4 - Process for producing a bipolar plate sealing unit and tool for carrying out the process

Info

Publication number: DE102012023472B4
Application number: DE102012023472.4A
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott; Christian Pfahl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2020-02-06
Anticipated expiration: 2032-12-01
Also published as: DE102012023472A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit (28) für eine Brennstoffzelle (10), umfassend eine Bipolarplatte (26) und wenigstens eine, auf wenigstens einer Außenfläche der Bipolarplatte (26) angeordnete Dichtung (30), wobei die Bipolarplatte (26) wenigstens einen Hohlraum (44) ausbildet, welcher von wenigstens einer Wandung (31) der Bipolarplatte (26) begrenzt wird, und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Druckbehaftetes Herstellen oder Aufbringen der wenigstens einen Dichtung (30) auf einer, dem wenigstens einen Hohlraum (44) abgewandten Seite der wenigstens einen Wandung (31) der Bipolarplatte (26);- wenigstens zeitweises gleichzeitiges Beaufschlagen einer, dem wenigstens einen Hohlraum (44) zugewandten Seite der wenigstens einen Wandung (31) mit einem Gegendruck mittels eines Fluids (45).A method for producing a bipolar plate sealing unit (28) for a fuel cell (10), comprising a bipolar plate (26) and at least one seal (30) arranged on at least one outer surface of the bipolar plate (26), the bipolar plate (26) forms at least one cavity (44), which is delimited by at least one wall (31) of the bipolar plate (26), and the method comprises the following steps: - pressurized manufacture or application of the at least one seal (30) on one, the at least one Cavity (44) facing away from the at least one wall (31) of the bipolar plate (26); - at least temporarily simultaneously applying a back pressure to the side of the at least one wall (31) facing the at least one cavity (44) by means of a fluid (45 ).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit für eine Brennstoffzelle. Die Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit umfasst eine Bipolarplatte und wenigstens eine, auf wenigstens einer Außenfläche der Bipolarplatte angeordnete Dichtung, wobei die Bipolarplatte wenigstens einen Hohlraum ausbildet, welcher von wenigstens einer Wandung der Bipolarplatte begrenzt wird.The invention relates to a method for producing a bipolar plate sealing unit for a fuel cell. The bipolar plate sealing unit comprises a bipolar plate and at least one seal arranged on at least one outer surface of the bipolar plate, the bipolar plate forming at least one cavity which is delimited by at least one wall of the bipolar plate.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly) as a core component, which is a composite of an ion-conducting, in particular proton-conducting membrane and an electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane electrode unit on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a large number of MEAs arranged in a stack, the electrical powers of which add up. During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H ₂ or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H ₂ to H ⁺ takes place with the release of electrons. A (water-bound or water-free) transport of the protons H ⁺ from the anode space into the cathode space takes place via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and electrically insulates them. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, so that a reduction of O ₂ to O ² takes place with the uptake of the electrons. At the same time, these oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water. By directly converting chemical into electrical energy, fuel cells achieve an improved efficiency compared to other electricity generators due to the circumvention of the Carnot factor.

Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100 °C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einem durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160 °C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.The currently most developed fuel cell technology is based on polymer electrolyte membranes (PEM), in which the membrane itself consists of a polymer electrolyte. Acid-modified polymers, in particular perfluorinated polymers, are often used here. The most common representative of this class of polymer electrolytes is a membrane made from a sulfonated polytetrafluoroethylene copolymer (trade name: Nafion; copolymer made from tetrafluoroethylene and a sulfonyl acid fluoride derivative of a perfluoroalkyl vinyl ether). The electrolytic conduction takes place via hydrated protons, which is why the presence of water is a prerequisite for proton conductivity and the operation of the PEM fuel cell requires the operating gases to be humidified. Due to the need for water, the maximum operating temperature of these fuel cells at standard pressure is limited to below 100 ° C. In contrast to high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (HT-PEM fuel cells), whose electrolytic conductivity is based on an electrolyte bonded to a polymer structure of the polymer electrolyte membrane by electrostatic complex binding (for example phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) membrane) and those at temperatures of 160 ° C operated, this type of fuel cell is also referred to as a low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (NT-PEM fuel cell).

Wie einleitend erwähnt, wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten und üblicherweise auch einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.As mentioned in the introduction, the fuel cell is formed by a multiplicity of individual cells arranged in a stack, so that one speaks of a fuel cell stack. Bipolar plates are generally arranged between the membrane electrode assemblies, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, that is to say the reactants and usually also a cooling liquid. In addition, the bipolar plates ensure an electrically conductive contact with the membrane electrode units.

In 1 ist schematisch eine Brennstoffzelle 10 dargestellt, welche einen Brennstoffzellenstapel 12 mit mehreren Einzelzellen 14, zwei Endplatten 16 und Zugelementen 18 umfasst. Die Einzelzellen 14 umfassen jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit 20, mit einer protonenleitenden Membran 22 (Polymerelektrolytmembran) und beidseitig an der Membran 22 angeordnete Elektroden (Anode und Kathode; nicht dargestellt). Zudem kann die Membran-Elektroden-Einheit 20 beidseitig jeweils eine Gasdiffusionslage umfassen, wobei dann die Elektroden zwischen der Membran 22 und den Gasdiffusionslagen angeordnet sind. Die Elektroden können entweder beidseitig auf die Membran 22 beschichtet sein oder mit den Gasdiffusionslagen als so genannte Gasdiffusionselektroden verbunden sein. Die Membran-Elektroden-Einheiten 20 sind wiederum zwischen Bipolarplatten 26 angeordnet. Die Bipolarplatten 26 versorgen die Membran-Elektroden-Einheiten 20 über deren Gasdiffusionslagen mit den Reaktanden, wozu in der Regel geeignete Kanäle (Betriebsmittelkanäle) in den Bipolarplatten 26 vorgesehen sind. Zudem verbinden die Bipolarplatten 26 zwei angrenzende Membran-Elektroden-Einheiten 20 elektrisch leitfähig, wodurch diese in Reihe geschaltet sind.In 1 is a fuel cell schematically 10 shown which is a fuel cell stack 12 with several single cells 14 , two end plates 16 and tension elements 18 includes. The single cells 14 each comprise a membrane electrode assembly 20 , with a proton-conducting membrane 22 (Polymer electrolyte membrane) and on both sides of the membrane 22 arranged electrodes (anode and cathode; not shown). In addition, the membrane electrode unit 20 each comprise a gas diffusion layer on both sides, the electrodes then between the membrane 22 and the gas diffusion layers are arranged. The electrodes can either be on both sides of the membrane 22 be coated or connected to the gas diffusion layers as so-called gas diffusion electrodes. The membrane electrode units 20 are again between bipolar plates 26 arranged. The bipolar plates 26 supply the membrane electrode units 20 Via their gas diffusion layers with the reactants, usually suitable channels (equipment channels) in the bipolar plates 26 are provided. In addition, the bipolar plates connect 26 two adjacent membrane electrode units 20 electrically conductive, which means that they are connected in series.

Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 20 und den Bipolarplatten 26 sind Dichtungen 30 angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus dem Brennstoffzellenstapel 12 verhindern. Between the membrane electrode units 20 and the bipolar plates 26 are seals 30 arranged, which seal the anode and cathode spaces to the outside and an escape of the operating media from the fuel cell stack 12 prevent.

Um eine Funktionsfähigkeit der Dichtungen 30, sowie einen elektrisch leitfähigen Kontakt der Bipolarplatten 26 zu den Membran-Elektroden-Einheiten 20 auch bei Vibrationen zu gewährleisten, wird der Brennstoffzellenstapel 12 verpresst. Dies erfolgt in der Regel über zwei Endplatten 16, welche an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnet sind, in Kombination mit mehreren Zugelementen 18. Die Zugelemente 18 leiten Zugkräfte in die Endplatten 16, so dass die Endplatten 16 den Brennstoffzellenstapel 12 zusammenpressen.To ensure the functionality of the seals 30 , as well as an electrically conductive contact of the bipolar plates 26 to the membrane electrode units 20 The fuel cell stack will also ensure vibrations 12 pressed. This is usually done via two end plates 16 which at both ends of the fuel cell stack 12 are arranged in combination with several tension elements 18 , The tension elements 18 conduct tensile forces into the end plates 16 so the end plates 16 the fuel cell stack 12 compress.

Die Dichtungen 30 können seitens der Membran-Elektroden-Einheiten 20 oder der Bipolarplatten 26 vorgesehen und insbesondere mit diesen Komponenten verbunden sein.The seals 30 can on the part of the membrane electrode units 20 or the bipolar plates 26 provided and in particular connected to these components.

Zu diesem Zweck kann die Dichtung 30 ein- oder beidseitig auf die Bipolarplatte 26 aufvulkanisiert sein. Ferner kann die Dichtung 30 in Form einer Dichtraupe auf der Bipolarplatte 26 mittels eines Roboters aufgetragen werden. Die mit dem Roboter aufgetragene Dichtung 30 kann erhebliche Toleranzen aufweisen, welche zu Leckagen führen können. Diesem Problem wurde bisher durch eine Prozessoptimierung des Auftragens der Dichtraupe mit dem Roboter entgegengewirkt.For this purpose the seal 30 on one or both sides of the bipolar plate 26 be vulcanized. Furthermore, the seal 30 in the form of a sealing bead on the bipolar plate 26 can be applied using a robot. The seal applied with the robot 30 can have considerable tolerances which can lead to leakages. So far, this problem has been countered by optimizing the process of applying the sealing bead with the robot.

Beim Umspritzen, bzw. Anspritzen einer Dichtung innerhalb eines Werkzeugs treten hohe Drücke auf, um ein Material der Dichtung im Werkzeug zu verteilen, auszuhärten und um möglichst geringe Toleranzen zu erreichen. Im Verlauf der Dichtung existieren Bereiche auf der Bipolarplatte, in welchen die Betriebsmedien zwischen der Anoden- und Kathodenseite (bzw. zwischen Anoden- und Kathodenplatten der Bipolarplatte) durchgeführt werden. Eine mechanische Abstützung ist in diesen Bereichen meist nicht umsetzbar, da diese Bereiche einen Hinterschnitt aufweisen. Eine Verformung durch das Anspritzen der Dichtung führt in diesem Bereich zu einer mechanischen Beschädigung der Bipolarplatte. Als zusätzlicher negativer Nebeneffekt bildet sich bei der Verformung der Bipolarplatte ein Spalt zwischen der Bipolarplatte und dem Werkzeug, durch den das Material der Dichtung in Bereiche außerhalb der für die Dichtung vorgesehenen Bereiche (Dichtungsbereiche) ausströmen kann.When molding or injecting a seal within a tool, high pressures occur in order to distribute a material of the seal in the tool, to harden it and to achieve the smallest possible tolerances. In the course of the seal there are areas on the bipolar plate in which the operating media are carried out between the anode and cathode sides (or between anode and cathode plates of the bipolar plate). Mechanical support is usually not feasible in these areas because these areas have an undercut. A deformation due to the injection molding of the seal leads to mechanical damage to the bipolar plate in this area. As an additional negative side effect, when the bipolar plate is deformed, a gap is formed between the bipolar plate and the tool, through which the material of the seal can flow out into areas outside the areas intended for the seal (sealing areas).

Die DE 199 10 487 C1 beschreibt ein Verfahren und ein Werkzeug zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen mit Flüssigkeits- und Gaskanälen und mit Dichtelementen aus einem polymeren Material. Ein Prägen der Bipolarplatten bzw. ein Einprägen von Flüssigkeits- und Gaskanälen in die Bipolarplatten und ein Anbringen der Dichtelemente an den Bipolarplatten wird in einem Werkzeug in zwei aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt. Die Druckschrift offenbart dazu ein Anspritzen der Dichtelemente an die Bipolarplatten. Ein Gegendruck kann durch einen Stempel des Werkzeugs auf die Bipolarplatte ausgeübt werden. Wenn die Bipolarplatten mit Nuten für die Dichtelemente versehen sind, wird zudem vorgeschlagen, gegenüberliegende Nuten zueinander seitlich versetzt anzubringen. Dadurch kann beim Einbringen der Dichtelemente in die Nuten ein Gegendruck durch das Werkzeug aufgebaut werden.The DE 199 10 487 C1 describes a method and a tool for producing bipolar plates for fuel cells with liquid and gas channels and with sealing elements made of a polymeric material. A stamping of the bipolar plates or a stamping of liquid and gas channels into the bipolar plates and an attachment of the sealing elements to the bipolar plates is carried out in one tool in two successive steps. For this purpose, the publication discloses injection molding of the sealing elements onto the bipolar plates. A counter pressure can be exerted on the bipolar plate by a stamp of the tool. If the bipolar plates are provided with grooves for the sealing elements, it is also proposed to make opposite grooves laterally offset from one another. As a result, a counter pressure can be built up by the tool when the sealing elements are introduced into the grooves.

Die DE 103 45 147 A1 offenbart ein Herstellungsverfahren für Bipolarplatten von Brennstoffzellen, mittels welchem unter Verwendung eines Unterdrucks ein Plattenpaar der Bipolarplatte verschweißt wird. Der Unterdruck wird zwischen dem Plattenpaar erzeugt, um die gepaarten Metallplatten während des Schweißprozesses in einen Kontakt von Metall zu Metall zu ziehen und zusammenzuhalten. Als Alternative kann auch ein Außendruck auf das Plattenpaar aufgebracht werden, sodass dieses zum Verschweißen zusammengedrückt wird.The DE 103 45 147 A1 discloses a manufacturing method for bipolar plates of fuel cells, by means of which a pair of plates of the bipolar plate is welded using a negative pressure. The vacuum is created between the pair of plates to pull and hold the paired metal plates in metal-to-metal contact during the welding process. As an alternative, an external pressure can also be applied to the pair of plates so that it is pressed together for welding.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbringen einer Dichtung auf eine Bipolarplatte bereitzustellen, bei dem eine plastische Verformung der Bipolarplatte verhindert wird.The object of the invention is to provide a method for applying a seal to a bipolar plate, in which a plastic deformation of the bipolar plate is prevented.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit für eine Brennstoffzelle gelöst. Die Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit umfasst eine Bipolarplatte und wenigstens eine, auf wenigstens einer Außenfläche der Bipolarplatte angeordnete Dichtung, wobei die Bipolarplatte wenigstens einen Hohlraum ausbildet, welcher von wenigstens einer Wandung der Bipolarplatte begrenzt wird. Das Verfahren umfasst einen Schritt des druckbehafteten Herstellens oder Aufbringens der wenigstens einen Dichtung auf einer, dem Hohlraum abgewandten Seite der wenigstens einen Wandung der Bipolarplatte. Gleichzeitig erfolgt ein wenigstens zeitweises Beaufschlagen einer, dem wenigstens einen Hohlraum zugewandten Seite der wenigstens einen Wandung mit einem Gegendruck mittels eines Fluids.This object is achieved by a method for producing a bipolar plate sealing unit for a fuel cell. The bipolar plate sealing unit comprises a bipolar plate and at least one seal arranged on at least one outer surface of the bipolar plate, the bipolar plate forming at least one cavity which is delimited by at least one wall of the bipolar plate. The method comprises a step of producing or applying the at least one seal under pressure on a side of the at least one wall of the bipolar plate facing away from the cavity. At the same time, a back pressure is applied, at least temporarily, to a side of the at least one wall facing the at least one cavity by means of a fluid.

Das wenigstens zeitweise Beaufschlagen mit dem Gegendruck kann somit während des Herstellens oder Aufbringens der Dichtung in wenigstens einem Zeitraum kleiner einem Zeitraum des Herstellens oder Aufbringens der Dichtung oder auch während des gesamten Zeitraums des Herstellens oder Aufbringens der Dichtung oder auch während eines längeren Zeitraums erfolgen.The at least temporary application of the counterpressure can thus take place during the manufacture or application of the seal in at least one period less than a period of manufacture or application of the seal or also during the entire period of manufacture or application of the seal or even over a longer period of time.

Unter dem „druckbehafteten Herstellen oder Aufbringen“ wird ein Herstellen oder Aufbringen der Dichtung verstanden, bei dem gewollt oder als Nebeneffekt ein Druck auf die, dem Hohlraum abgewandte Seite der Wandung, also die Außenseite der Bipolarplatte ausgeübt wird. The “pressurized manufacture or application” is understood to mean the manufacture or application of the seal, in which pressure or as a side effect is exerted on the side of the wall facing away from the cavity, that is to say the outside of the bipolar plate.

Beim Herstellen oder Aufbringen der Dichtung wird die Dichtung mit der Wandung verbunden, sodass danach die Dichtung mit der Wandung insbesondere stoffschlüssig verbunden ist.When producing or applying the seal, the seal is connected to the wall, so that afterwards the seal is connected to the wall, in particular with a material bond.

Ein beim Herstellen oder Aufbringen der Dichtung entstehender Druck wirkt auf die, dem Hohlraum abgewandte Seite der Wandung. Die, dem Hohlraum zugewandte Seite der Wandung steht mit dem Hohlraum und damit auch mit dem Fluid in Kontakt. Zum Beaufschlagen der, dem Hohlraum zugewandten Seite der Wandung mit dem Gegendruck wird das Fluid unter Druck (den Gegendruck) gesetzt.A pressure which arises during the manufacture or application of the seal acts on the side of the wall facing away from the cavity. The side of the wall facing the cavity is in contact with the cavity and thus also with the fluid. To apply the back pressure to the side of the wall facing the cavity, the fluid is pressurized (the back pressure).

Die Bipolarplatte umfasst typischerweise zwei oder mehr Lagen Blech, welche die wenigstens eine Wandung bilden und zwischen welchen der wenigstens eine Hohlraum angeordnet ist.The bipolar plate typically comprises two or more layers of sheet metal, which form the at least one wall and between which the at least one cavity is arranged.

Der Gegendruck wirkt somit dem, beim Herstellen oder Aufbringen der Dichtung entstehenden Druck entgegen und verhindert somit eine bleibende Verformung der Wandung. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit Dichtungen mittels eines druckbehafteten Verfahrens auf die Bipolarplatten aufgebracht werden, ohne dass sich die Bipolarplatte dabei zumindest wesentlich bleibend verformt.The counter pressure thus counteracts the pressure that arises during the manufacture or application of the seal and thus prevents permanent deformation of the wall. The method according to the invention can thus be used to apply seals to the bipolar plates by means of a pressurized method without the bipolar plate being at least substantially deformed in the process.

Der Gegendruck wirkt dabei üblicherweise nicht nur auf die Bereiche der Dichtung, sondern auch auf jene Bereiche, auf denen keine Dichtung vorgesehen ist. Typischerweise können schematisch wenigstens drei Bereiche auf einer Bipolarplatte festgelegt werden, welche einen Bereich der Dichtung (Dichtungsbereich) und/oder den Hohlraum aufweisen. In einem ersten Bereich grenzt auf einer Seite der Wandung der Hohlraum und auf der anderen Seite die Dichtung an. In diesem ersten Bereich wird erfindungsgemäß durch den Gegendruck einer möglichen Verformung der Wandung durch den Druck beim Herstellen oder Aufbringen der Dichtung entgegengewirkt. An einen zweiten Bereich grenzt zwar die Dichtung, aber nicht der Hohlraum an. In diesem Bereich wirkt normalerweise das Werkzeug (typischerweise in Kombination mit einer Geometrie der Bipolarplatte) einer Verformung der Wandung entgegen. In einem dritten Bereich ist zwar der Hohlraum, aber keine Dichtung vorhanden. Hier erfolgt üblicherweise eine Abstützung der Wandung auf der dem Hohlraum abgewandten Seite durch das Werkzeug.The back pressure usually acts not only on the areas of the seal, but also on those areas where no seal is provided. Typically, at least three areas can be defined schematically on a bipolar plate which have an area of the seal (sealing area) and / or the cavity. In a first area, the cavity borders on one side of the wall and the seal on the other side. In this first area, counter-pressure counteracts a possible deformation of the wall due to the pressure during the manufacture or application of the seal. The seal borders on a second area, but not the cavity. In this area, the tool normally counteracts deformation of the wall (typically in combination with a geometry of the bipolar plate). The cavity is present in a third area, but there is no seal. Here, the wall is usually supported on the side facing away from the cavity by the tool.

Die Bipolarplatte weist wenigstens einen Verteilerbereich auf. In der Regel weist eine Bipolarplatte jedoch zwei Verteilerbereiche auf, welche zur Zuführung und Verteilung von Reaktanten auf chemisch aktive Bereiche von zwei, beidseitig der Bipolarplatte angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten dienen. Die Verteilerbereiche sind in üblicherweise von der wenigstens einen Dichtung (insbesondere von jeweils einer Dichtung) umlaufend umschlossen. Die Verteilerbereiche sind an den beiden Flachseiten der Bipolarplatte angeordnet. Als „Flachseiten“ werden jene Seiten (Flächen) bezeichnet, deren Ausdehnungen verglichen mit anderen Seiten der Bipolarplatte wesentlich größer sind.The bipolar plate has at least one distributor area. As a rule, however, a bipolar plate has two distributor areas, which are used for supplying and distributing reactants to chemically active areas of two membrane electrode units which are adjacent to the bipolar plate on both sides. The distributor areas are usually encircled by the at least one seal (in particular one seal each). The distributor areas are arranged on the two flat sides of the bipolar plate. "Flat sides" are those sides (surfaces) whose extents are significantly larger compared to other sides of the bipolar plate.

Zudem weist die Bipolarplatte typischerweise wenigstens eine Öffnung zur Durchführung von Betriebsmedien auf, welche von der wenigstens einen Dichtung umlaufend umschlossen ist.In addition, the bipolar plate typically has at least one opening for the passage of operating media, which is encircled by the at least one seal.

Die wenigstens eine Dichtung kann zudem vorteilhaft zwei Dichtlippen aufweisen, wodurch zwei voneinander unabhängige Dichtbereiche realisiert sind.The at least one seal can also advantageously have two sealing lips, whereby two mutually independent sealing areas are realized.

Bevorzugt umfasst das druckbehaftete Herstellen der wenigstens einen Dichtung einen Schritt des Anspritzens der Dichtung. Dies kann beispielsweise in einem Spritzgusswerkzeug erfolgen. Typischerweise wird in diesem Schritt ein Reaktionsgemisch, welches ein zu vernetzendes polymeres oder monomeres Material umfasst, in ein Spritzgusswerkzeug und an die Bipolarplatte gespritzt. In diesem Fall umfasst das druckbehaftete Herstellen der Dichtung üblicherweise einen Schritt des Vernetzens des Reaktionsgemisches der Dichtung.The pressurized production of the at least one seal preferably comprises a step of molding the seal. This can be done, for example, in an injection molding tool. In this step, a reaction mixture, which comprises a polymeric or monomeric material to be crosslinked, is typically injected into an injection mold and onto the bipolar plate. In this case, the pressurized manufacture of the seal usually includes a step of crosslinking the reaction mixture of the seal.

Der Gegendruck kann prinzipiell einen konstanten oder variablen zeitlichen Verlauf aufweisen. Vorzugsweise weist der Gegendruck einen zeitlichen Verlauf in Abhängigkeit eines, beim Herstellen oder Aufbringen der wenigstens einen Dichtung entstehenden Drucks auf. Somit kann der Gegendruck optimal an das jeweilige Verfahren zum Herstellen oder Aufbringen der Dichtung abgestimmt sein.The back pressure can in principle have a constant or variable time course. The back pressure preferably has a time profile as a function of a pressure which arises when the at least one seal is produced or applied. The back pressure can thus be optimally matched to the respective method for producing or applying the seal.

Insbesondere entspricht der Gegendruck im Wesentlichen dem, beim Herstellen oder Aufbringen der wenigstens einen Dichtung entstehenden Druck. Dadurch wird in einem Bereich, an welchen sowohl die Dichtung als auch der Hohlraum angrenzen, ein Kräftegleichgewicht erreicht, wodurch Verformungen der Wandung zumindest weitestgehend verhindert werden. Vorzugsweise erfolgt das Beaufschlagen der wenigstens einen Wandung mit dem Gegendruck zeitgleich mit dem Nachdrücken des Reaktionsgemisches oder eines Dichtungsmaterials. Beim Nachdrücken, also dem abschließenden Teil eines Anspritzvorgangs treten die höchsten Drücke des Anspritzvorgangs auf, weshalb beim Nachdrücken eine Druckverformung der Bipolarplatte am wahrscheinlichsten ist.In particular, the counter pressure essentially corresponds to the pressure which arises when the at least one seal is produced or applied. As a result, an equilibrium of forces is achieved in an area where both the seal and the cavity adjoin, which at least largely prevents deformations of the wall. Preferably, the at least one wall is subjected to the back pressure at the same time as the reaction mixture or a sealing material is pressed on. The highest pressures of the gating process occur during the pressing, that is to say the final part of a gating process, which is why a compression deformation of the bipolar plate is most likely during the pressing.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine Hohlraum wenigstens ein Betriebsmittelkanal der Bipolarplatte. Durch die Betriebsmittelkanäle einer Bipolarplatte erfolgt im Betrieb der Brennstoffzelle eine Medienzuführung von Betriebsmedien zu einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) (insbesondere deren chemisch aktiven Bereich) der Brennstoffzelle. Die Betriebsmittelkanäle zur Zuführung der Reaktanten weisen in beidseitig der Bipolarplatte angeordneten Verteilerbereichen der Bipolarplatte Überströmbereiche auf. Durch die Überströmbereiche können die Reaktanten aus den Betriebsmittelkanälen austreten und zu den Membran-Elektroden-Einheiten gelangen. Ebenso wird mit den Betriebsmittelkanälen ein Kühlfluid durch die Bipolarplatte geführt. Typischerweise erfolgt eine Zuführung des Fluids zu den Betriebsmittelkanälen der Bipolarplatte über Öffnungen zur Durchführung von Betriebsmedien. Die Öffnungen zur Durchführung von Betriebsmedien sind durchgehende Ausnehmungen durch die Bipolarplatte, durch welche die aufeinandergestapelten Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten miteinander strömungstechnisch gekoppelt sind. According to a preferred embodiment of the invention, the at least one cavity is at least one operating medium channel of the bipolar plate. A media feed of operating media to a membrane-electrode unit (MEA) (in particular its chemically active area) of the fuel cell takes place through the operating medium channels of a bipolar plate during operation of the fuel cell. The operating agent channels for supplying the reactants have overflow areas in distribution areas of the bipolar plate arranged on both sides of the bipolar plate. Through the overflow areas, the reactants can emerge from the operating medium channels and reach the membrane electrode units. A cooling fluid is also conducted through the bipolar plate with the operating medium channels. Typically, the fluid is supplied to the operating medium channels of the bipolar plate via openings for carrying operating medium. The openings for the passage of operating media are continuous recesses through the bipolar plate, through which the stacked bipolar plates and membrane electrode assemblies are fluidly coupled to one another.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung strömt das Fluid durch den wenigstens einen Hohlraum und ein Werkzeug, wobei der Gegendruck aus einem Strömungswiderstand innerhalb des wenigstens einen Hohlraums und/oder des Werkzeugs stromab des wenigstens einen Hohlraums resultiert. Somit kann der Gegendruck auch bei undichten Hohlräumen aufgebaut werden. Insbesondere bevorzugt resultiert der Gegendruck aus einem Strömungswiderstand in einem stromabliegenden Endbereich des wenigstens einen Hohlraums. Insbesondere die Überströmbereiche sind innerhalb des Werkzeugs nur schwer abzudichten, weshalb hier ein Austritt des Fluids und somit ein Druckverlust zu erwarten ist. Ferner kann es beim Austreten des Fluids durch die Überströmbereiche zu einem unerwünschten Ausströmen des Fluids zwischen Werkzeug und Bipolarplatte kommen, was zu einem Eindringen des Fluids in den Dichtungsbereich führen kann. Um dies zu verhindern, können Entlüftungsöffnungen vorgesehen sein. Ein über die Entlüftungsöffnungen ausströmendes Fluid wird durch nachströmendes Fluid ersetzt, wodurch der Gegendruck aufrechterhalten wird.According to a preferred embodiment of the invention, the fluid flows through the at least one cavity and a tool, the back pressure resulting from a flow resistance within the at least one cavity and / or the tool downstream of the at least one cavity. This means that the back pressure can also be built up in the event of leaky voids. The back pressure particularly preferably results from a flow resistance in a downstream end region of the at least one cavity. In particular, the overflow areas are difficult to seal within the tool, which is why an escape of the fluid and thus a loss of pressure can be expected here. Furthermore, when the fluid emerges through the overflow areas, an undesired outflow of the fluid between the tool and the bipolar plate can occur, which can lead to the fluid penetrating into the sealing area. To prevent this, ventilation openings can be provided. A fluid flowing out via the vent openings is replaced by a flowing fluid, as a result of which the back pressure is maintained.

Bevorzugt ist das Fluid ein Gas oder ein Gasgemisch, insbesondere umfassend Luft. Ferner kann das Fluid auch eine Flüssigkeit, insbesondere umfassend Wasser sein. Insbesondere ist das Gasgemisch Luft oder das Fluid Wasser. Vorzugsweise ist das Wasser deionisiertes Wasser oder umfasst dieses. Flüssigkeiten sind schwieriger zu handhaben, da diese nach dem Herstellen (bevorzugt Spritzgießen) oder Aufbringen der Dichtung aus dem Werkzeug entfernt werden müssen. Deshalb wird ein Aufbau des Gegendrucks mit Druckluft oder einem anderen geeigneten Gas, zum Beispiel Stickstoffgas, bevorzugt.The fluid is preferably a gas or a gas mixture, in particular comprising air. Furthermore, the fluid can also be a liquid, in particular comprising water. In particular, the gas mixture is air or the fluid is water. Preferably the water is or comprises deionized water. Liquids are more difficult to handle because they have to be removed from the mold after manufacturing (preferably injection molding) or applying the seal. Therefore, building the back pressure with compressed air or another suitable gas, for example nitrogen gas, is preferred.

Ferner wird ein Werkzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung gestellt. Das Werkzeug umfasst wenigstens zwei Werkzeughälften, welche in einem geschlossenen Zustand einen Hohlraum zur Aufnahme der Bipolarplatte und zum Herstellen oder Aufbringen der wenigstens einen Dichtung bilden, wobei wenigstens eine der zwei Werkzeughälften wenigstens einen Fluidkanal zum Aufbau des Gegendrucks mittels des Fluids aufweist, welcher mit dem wenigstens einen Hohlraum der Bipolarplatte strömungstechnisch verbindbar ist.Furthermore, a tool for performing the method according to the invention is provided. The tool comprises at least two tool halves, which in a closed state form a cavity for receiving the bipolar plate and for producing or applying the at least one seal, at least one of the two tool halves having at least one fluid channel for building up the counterpressure by means of the fluid which is connected to the at least one cavity of the bipolar plate is fluidically connectable.

Bevorzugt ist das Werkzeug ein Spritzgusswerkzeug. Innerhalb des Spritzgusswerkzeugs kann die wenigstens eine Dichtung an die Bipolarplatte angespritzt werden.The tool is preferably an injection molding tool. The at least one seal can be injection molded onto the bipolar plate within the injection molding tool.

Vorzugsweise weist das Werkzeug wenigstens eine Dichtung zur Abdichtung wenigstens eines Zwischenbereichs zwischen Werkzeug und Bipolarplatte auf. Die Dichtung zur Abdichtung eines Spaltes kann beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens auf das Werkzeug aufgebracht worden sein. Diese Dichtung dient dazu, den Gegendruck möglichst ohne Fluidverluste in den wenigstens einen Hohlraum einzuleiten und/oder in dem Hohlraum aufrechtzuerhalten. Zudem kann mit dieser Dichtung ein Vordringen des Fluids in den Dichtungsbereich über einen Zwischenbereich zwischen Werkzeug und der Bipolarplatte verhindert werden.The tool preferably has at least one seal for sealing at least one intermediate region between the tool and the bipolar plate. The seal for sealing a gap can, for example, have been applied to the tool by means of a screen printing process. This seal serves to introduce the counter pressure into the at least one cavity and / or to maintain it in the cavity as far as possible without loss of fluid. In addition, this seal can be used to prevent the fluid from penetrating into the sealing area via an intermediate area between the tool and the bipolar plate.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der wenigstens eine Fluidkanal eine Aststruktur mit einer Einlassöffnung und mehreren Auslassöffnungen auf, wobei die Auslassöffnungen derart ausgebildet sind, dass je eine Auslassöffnung mit je einem Betriebsmittelkanal einer in dem Werkzeug aufnehmbaren Bipolarplatte strömungstechnisch verbindbar ist. Dadurch kann eine möglichst verlustfreie Einleitung des Fluids über die Fluidkanäle in die Betriebsmittelkanäle erfolgen. Typischerweise sind die Auslassöffnungen mit den Betriebsmittelkanälen direkt (also ohne Zwischenelemente) strömungstechnisch verbindbar.According to a preferred embodiment of the invention, the at least one fluid channel has a branch structure with an inlet opening and a plurality of outlet openings, the outlet openings being designed in such a way that one outlet opening each can be connected in terms of flow technology to one operating medium channel of a bipolar plate which can be accommodated in the tool. As a result, the fluid can be introduced as loss-free as possible into the operating medium channels via the fluid channels. Typically, the outlet openings can be connected in terms of flow technology directly (that is to say without intermediate elements).

Ferner wird eine Fertigungsmaschine zur Verfügung gestellt. Die Fertigungsmaschine umfasst das Werkzeug und ein Mittel zum Druckaufbau des Fluids, welches mit dem wenigstens einen Fluidkanal des Werkzeugs strömungstechnisch verbunden ist. Typischerweise ist das Mittel zum Druckaufbau des Fluids ein Kompressor oder eine Pumpe. Vorzugsweise ist die Fertigungsmaschine eine Spritzgussmaschine.A production machine is also made available. The production machine comprises the tool and a means for building up the pressure of the fluid, which is connected in terms of flow technology to the at least one fluid channel of the tool. Typically, the means for building the pressure of the fluid is a compressor or a pump. The production machine is preferably an injection molding machine.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine Brennstoffzelle in schematischer Darstellung,
2 eine Bipolarplatte in einer schematischen Darstellung,
3 ein Schnittbild einer Bipolarplatte in einem Werkzeug,
4 ein Schnittbild durch einen, durch das Werkzeug abgestützten Bereich der Bipolarplatte, und
5 eine Aststruktur eines Fluidkanals.

The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 a fuel cell in a schematic representation,
2 a bipolar plate in a schematic representation,
3 1 shows a sectional view of a bipolar plate in a tool,
4 a sectional view through an area of the bipolar plate supported by the tool, and
5 a branch structure of a fluid channel.

Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.On 1 has already been received to explain the prior art.

2 zeigt exemplarisch eine schematische Draufsicht auf eine Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit 28. Die Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit 28 ist mit dem Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit 28 herstellbar. Die Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit 28 umfasst eine Bipolarplatte 26 und wenigstens eine mit der Bipolarplatte 26 verbundene Dichtung 30. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Bipolarplatte 26 beidseitig jeweils eine Dichtung 30, welche einerseits jeweils einen Verteilerbereich 32 und gleichzeitig auch Öffnung 34 zur Durchführung von Betriebsmedien umschließt. Die Dichtung 30 verläuft entlang einer Wandung 31 der Bipolarplatte 26. 2 shows an example of a schematic plan view of a bipolar plate sealing unit 28 , The bipolar plate sealing unit 28 is with the process of manufacturing a bipolar plate seal unit 28 produced. The bipolar plate sealing unit 28 includes a bipolar plate 26 and at least one with the bipolar plate 26 connected seal 30 , In the exemplary embodiment shown, the bipolar plate comprises 26 one seal on each side 30 which each have a distribution area 32 and at the same time opening 34 for carrying out operating media. The seal 30 runs along a wall 31 the bipolar plate 26 ,

Im Beispiel dienen zwei der Öffnungen 34 zur Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels. Diese zwei Öffnungen 34 sind durch Kanäle derart miteinander verbunden, dass zwischen den Öffnungen 34 kein Kühlmittel aus der Bipolarplatte 26 austreten kann.In the example, two of the openings are used 34 for supplying and removing a coolant. These two openings 34 are connected by channels in such a way that between the openings 34 no coolant from the bipolar plate 26 can leak.

Die anderen Öffnungen 34 dienen zur Zufuhr von Reaktanten und zur Abfuhr von Reaktionsprodukten. Im Betrieb der Bipolarplatte 26 innerhalb einer Brennstoffzelle 10 strömen die Reaktanten durch die Öffnungen 34 und über nicht dargestellte Betriebsmittelkanäle innerhalb der Bipolarplatte 26 zum Verteilerbereich 32. Innerhalb des Verteilerbereichs 32 sind Überströmbereiche 36 vorgesehen, durch welche die Reaktanten aus der Bipolarplatte 26 austreten können. Der Verteilerbereich 32 sorgt ferner für eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Reaktanten auf einen chemisch aktiven Bereich einer angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 22 bzw. eine angrenzende Gasdiffusionslage (GDL).The other openings 34 are used to supply reactants and to remove reaction products. In operation of the bipolar plate 26 inside a fuel cell 10 the reactants flow through the openings 34 and via operating channels, not shown, within the bipolar plate 26 to the distribution area 32 , Within the distribution area 32 are overflow areas 36 provided by which the reactants from the bipolar plate 26 can exit. The distribution area 32 also ensures that the reactants are distributed as evenly as possible over a chemically active area of an adjacent membrane electrode assembly (MEA) 22 or an adjacent gas diffusion layer (GDL).

Die in den 3 und 4 gezeigten und nachfolgend beschriebenen Bipolarplatten-Dichtungs-Einheiten 28 unterscheiden sich konstruktiv von der in 2 lediglich schematisch dargestellten Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit 28.The in the 3 and 4 shown and described below bipolar plate sealing units 28 differ constructively from that in 2 only schematically shown bipolar plate sealing unit 28 ,

3 zeigt einen schematisch vereinfachten Ausschnitt einer Schnittdarstellung durch eine Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit 28 während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit 28. Üblicherweise wurde die Bipolarplatte 26 bereits in einem vorhergehenden Bearbeitungsschritt z. B. aus zwei Blechen (welche nun die Wandungen 31 bilden) hergestellt. Die Bleche sind typischerweise dreidimensional geformt und miteinander verschweißt. Ferner sind auch Bipolarplatten mit mehr als drei Blechen bekannt, welche ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren Verwendung finden können. 3 shows a schematically simplified section of a sectional view through a bipolar plate sealing unit 28 during the implementation of the method according to the invention for producing the bipolar plate sealing unit 28 , Usually the bipolar plate 26 already in a previous processing step z. B. from two sheets (which are now the walls 31 form). The sheets are typically three-dimensional and welded together. Furthermore, bipolar plates with more than three sheets are also known, which can also be used for the method according to the invention.

Die Bipolarplatte 26 ist in einem Hohlraum eines Werkzeugs 38 mit zwei, bereits geschlossenen Werkzeughälften 40, 41 eingelegt, wobei der Hohlraum zur Aufnahme der Bipolarplatte 26 und zum Herstellen oder Aufbringen der Dichtung 30 ausgebildet ist. Das Werkzeug 38 ist in diesem Fall ein Werkzeug, welches zur Durchführung eines Spritzgussprozesses ausgebildet ist. Zu diesem Zweck weist es Kanäle zur Zuführung eines Dichtungsmaterials bzw. eines Reaktionsgemisches auf, welche in einem Dichtungsbereich mit dem Hohlraum zum Herstellen oder Aufbringen der Dichtung 30 verbunden sind.The bipolar plate 26 is in a cavity of a tool 38 with two mold halves already closed 40 . 41 inserted, the cavity for receiving the bipolar plate 26 and for making or applying the seal 30 is trained. The tool 38 in this case is a tool which is designed to carry out an injection molding process. For this purpose, it has channels for supplying a sealing material or a reaction mixture which are in a sealing area with the cavity for producing or applying the seal 30 are connected.

Das Werkzeug 38 weist wenigstens einen Fluidkanal 42 auf, welcher über wenigstens eine Auslassöffnung 56 mit wenigstens einem Hohlraum 44 der Bipolarplatte 26 verbunden ist. Im erörterten Beispiel sind mehrere Fluidkanäle 42 über mehrere Auslassöffnungen 56 mit mehreren Hohlräumen 44 der Bipolarplatte 26 verbunden, wobei in der gezeigten Schnittdarstellung exemplarisch jeweils nur eines dieser Elemente ersichtlich ist. Der Hohlraum 44 kann ein Betriebsmittelkanal 44 z. B. zur Zuführung von Reaktanten an eine Membran-Elektroden-Einheit 22 sein. Ein Ende des Betriebsmittelkanals 44 ist mit einer der Öffnungen 34 zur Durchführung von Betriebsmedien strömungstechnisch verbunden. Über die Öffnungen 34 zur Durchführung von Betriebsmedien ist auch der Fluidkanal 42 über dessen Auslassöffnung 56 mit dem Betriebsmittelkanal 44 strömungstechnisch verbunden. Am anderen Ende des Betriebsmittelkanals 44 endet dieser in einem Überströmbereich 36 des Verteilerbereichs 32. Der Verteilerbereich 32 der Bipolarplatte 26 ist strömungstechnisch mit einer Entlüftungsöffnung 48 des Werkzeugs 38 verbunden.The tool 38 has at least one fluid channel 42 on which via at least one outlet opening 56 with at least one cavity 44 the bipolar plate 26 connected is. In the example discussed there are several fluid channels 42 through several outlet openings 56 with multiple cavities 44 the bipolar plate 26 connected, only one of these elements being shown by way of example in the sectional illustration shown. The cavity 44 can be a resource channel 44 z. B. for supplying reactants to a membrane electrode assembly 22 his. One end of the resource channel 44 is with one of the openings 34 fluidically connected to carry operating media. Over the openings 34 the fluid channel is also used to carry operating media 42 through its outlet opening 56 with the resource channel 44 fluidically connected. At the other end of the equipment channel 44 this ends in an overflow area 36 of the distribution area 32 , The distribution area 32 the bipolar plate 26 is fluidic with a vent 48 of the tool 38 connected.

4 zeigt einen weiteren schematisch vereinfachten Ausschnitt einer Schnittdarstellung durch die Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit 28 und das Werkzeug 38. Der Ausschnitt ist in einer Richtung, welche der Blickrichtung auf 3 entspricht, zur 3 versetzt. In diesem Teilbereich der Bipolarplatte 26 verlaufen die Dichtungen 30 nicht im Bereich eines Hohlraums 44. Vielmehr liegen die Wandungen 31 aneinander an und werden auf den, den Dichtungen 30 gegenüberliegenden Außenseiten der Bipolarplatte 26 durch die beiden Werkzeughälften 40, 41 gestützt. 4 shows another schematically simplified section of a sectional view through the bipolar plate seal unit 28 and the tool 38 , The section is in one direction, which is the direction of view 3 corresponds to 3 added. In this part of the bipolar plate 26 the seals run 30 not in the area of a cavity 44 , Rather, the walls lie 31 to each other and are on the seals 30 opposite outer sides of the bipolar plate 26 through the two tool halves 40 . 41 supported.

5 zeigt eine Detailansicht einer Draufsicht auf die Werkzeughälfte 41. Demnach kann der Fluidkanal 42, welcher sich (wie auch in 3 ersichtlich) teilweise auf der Oberfläche der Werkzeughälfte 41 erstrecken kann eine Aststruktur 52 aufweisen. Der sich verästelnde Fluidkanal 42 verläuft zwischen einer Einlassöffnung 54 und mehreren Auslassöffnungen 56. Die Einlassöffnung 54 ist typischerweise mit einem Kompressor oder einer Pumpe strömungstechnisch verbunden. Die Auslassöffnungen 56 sind dazu ausgebildet, mit dem Hohlraum 44, insbesondere mit den Betriebsmittelkanälen 44 strömungstechnisch verbunden zu werden. Zu diesem Zweck kann die Werkzeughälfte 41 Sockel 58 ausbilden, welche Umrisse 60 aufweisen. Die Umrisse 60 entsprechen den jeweiligen Umrissen der dazugehörigen Öffnungen 34 der Bipolarplatte 26, sodass die Sockel 58 in die Öffnungen 34 passen und diese ausfüllen. 5 shows a detailed view of a plan view of the tool half 41 , Accordingly, the fluid channel 42 which (as in 3 visible) partly on the surface of the tool half 41 can extend a branch structure 52 exhibit. The branching fluid channel 42 runs between an inlet opening 54 and several outlet openings 56 , The inlet opening 54 is typically fluidly connected to a compressor or a pump. The outlet openings 56 are designed to work with the cavity 44 , especially with the equipment channels 44 to be connected fluidically. For this purpose, the tool half 41 base 58 train what outlines 60 exhibit. The Outlines 60 correspond to the respective outlines of the associated openings 34 the bipolar plate 26 so that the plinth 58 into the openings 34 fit and fill it out.

Zur erfindungsgemäßen Herstellung der Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit 28 werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die folgenden Schritte durchgeführt: For the production of the bipolar plate sealing unit according to the invention 28 According to a preferred embodiment of the invention, the following steps are carried out:

Zunächst wird die Bipolarplatte 26 in eine der Werkzeughälften 40, 41 des geöffneten Werkzeugs 38 eingelegt und anschließend das Werkzeug 38 geschlossen. Das Werkzeug 38 ist in der beschriebenen, bevorzugten Ausgestaltung ein Spritzgusswerkzeug und Teil einer Spritzgussmaschine.First, the bipolar plate 26 in one of the tool halves 40 . 41 of the opened tool 38 inserted and then the tool 38 closed. The tool 38 is an injection molding tool and part of an injection molding machine in the described preferred embodiment.

Somit befindet sich die Bipolarplatte 26 im Hohlraum des Werkzeugs 38, welcher zur Aufnahme der Bipolarplatte und zum Herstellen der wenigstens einen Dichtung 30 ausgebildet ist. Dieser Hohlraum weist im Dichtungsbereich der Dichtungen 30 eine Negativform der herzustellenden Dichtungen 30 auf. Um die Dichtungen 30 herzustellen, wird z. B. ein Reaktionsgemisch, welches ein zu vernetzendes Polymer oder Monomere und ggf. ein Vernetzungsmittel umfasst, in den Dichtungsbereich des Werkzeugs 38 eingespritzt. Bei diesem Anspritzvorgang an die Bipolarplatte 26 verteilt sich das Reaktionsgemisch durch einen Druck beim Anspritzen (Spritzdruck) der Dichtungen 30 gleichmäßig in den, die Negativformen der Dichtungen 30 ausbildenden Hohlräumen. Dieser Vorgang dauert typischerweise mehrere Sekunden. Am Ende des Anspritzvorganges findet ein Aufeinandertreffen der Fronten des eingespritzten Reaktionsgemisches statt, weshalb der Druck typischerweise kurzfristig erhöht wird. Es erfolgt somit ein „Nachdrücken“ des Reaktionsgemisches, um verbleibende Luft aus dem Dichtungsbereich zu entfernen.The bipolar plate is thus located 26 in the cavity of the tool 38 which for receiving the bipolar plate and for producing the at least one seal 30 is trained. This cavity points in the sealing area of the seals 30 a negative form of the seals to be manufactured 30 on. To the seals 30 to manufacture, z. B. a reaction mixture, which comprises a polymer or monomers to be crosslinked and optionally a crosslinking agent, in the sealing region of the tool 38 injected. During this injection process on the bipolar plate 26 the reaction mixture is distributed by a pressure when the seals are sprayed on (injection pressure) 30 even in the, the negative forms of the seals 30 forming cavities. This process typically takes several seconds. At the end of the injection process, the fronts of the injected reaction mixture meet, which is why the pressure is typically increased briefly. The reaction mixture is thus "pressed in" in order to remove any remaining air from the sealing area.

Nach dem Anspritzen der Dichtung 30 an die Bipolarplatte 26 erfolgt ein Erwärmen des Reaktionsgemischs über eine vordefinierte Dauer zum Auslösen einer Vernetzung und/oder einer Polymerisation. Anschließend kann das Werkzeug 38 geöffnet und die Bipolarplatten-Dichtungs-Einheit 28 entnommen werden.After molding the seal 30 to the bipolar plate 26 the reaction mixture is heated over a predefined period to initiate crosslinking and / or polymerization. Then the tool 38 opened and the bipolar plate sealing unit 28 be removed.

Während des oben geschilderten Herstellungsprozesses der Dichtung 30 wird in dem Hohlraum 44, also typischerweise den Betriebsmittelkanälen 44 der Bipolarplatte 26 mittels eines Fluids 45 ein Gegendruck aufgebaut (siehe 3). Der Gegendruck wirkt dem Druck beim Herstellen oder Aufbringen der Dichtung 30, in diesem Fall also dem Druck beim Anspritzen der Dichtung 30, auf der gegenüberliegenden Seite der Wandung 31 entgegen. Dies erfolgt mittels eines Fluids 45, insbesondere Luft. Das Fluid 45 wird zu diesem Zweck von einem Mittel zum Druckaufbau (z. B. einem Kompressor) durch die Fluidkanäle 42 in die Betriebsmittelkanäle 44 gedrückt. Bei Verwendung von Luft als Fluid 45 befindet sich diese in der Regel bereits in den Betriebsmittelkanälen 44 und braucht zum Aufbau des Gegendrucks nur nachgefördert zu werden.During the seal manufacturing process described above 30 is in the cavity 44 , typically the equipment channels 44 the bipolar plate 26 using a fluid 45 a counter pressure builds up (see 3 ). The back pressure acts on the pressure when manufacturing or applying the seal 30 , in this case the pressure when molding the seal 30 , on the opposite side of the wall 31 opposite. This is done using a fluid 45 , especially air. The fluid 45 is used for this purpose by a means for pressure build-up (e.g. a compressor) through the fluid channels 42 into the equipment channels 44 pressed. When using air as a fluid 45 this is usually already in the equipment channels 44 and only needs to be added to build up the back pressure.

Die Betriebsmittelkanäle 44 können zwischen ihren zugehörigen Öffnung 34 geschlossen ausgeführt sein, also keine Überströmbereiche 36 aufweisen. In diesem Fall kann das Fluid besonders einfach über die Öffnungen 34 in die Betriebsmittelkanäle 44 eingebracht und der Gegendruck aufgebaut werden. Solche Betriebsmittelkanäle sind typischerweise Kühlmittelkanäle.The resource channels 44 can between their associated opening 34 be closed, so no overflow areas 36 exhibit. In this case, the fluid can be particularly easily through the openings 34 into the equipment channels 44 introduced and the back pressure built up. Such resource channels are typically coolant channels.

Ferner können die Betriebsmittelkanäle 44 zwischen ihren zugehörigen Öffnung 34 im Verteilerbereich 32 Überströmbereiche 36 aufweisen. Dabei besteht die Gefahr, dass das den Gegendruck aufbauende Fluid 45 über einen Zwischenbereich 46 zwischen der Bipolarplatte 26 und der Werkzeughälfte 40 in den Dichtungsbereich der Dichtung 30 vordringt. Dadurch kann es zu einer unerwünschten Vermischung des Reaktionsgemisches der Dichtung 30 mit dem Fluid 45 kommen. Um dies zu verhindern, kann das Werkzeug im Zwischenbereich 46 und auch in den Anschlussbereichen 50 Dichtungen (welche z. B. mittels eines Siebdruckverfahrens auf das Werkzeug 38 aufgebracht wurden) aufweisen, welche ein Überströmen des Fluids 45 zu den Dichtungen 30 verhindern.Furthermore, the resource channels 44 between their associated opening 34 in the distribution area 32 overflow areas 36 exhibit. There is a risk that the fluid building up the back pressure 45 over an intermediate area 46 between the bipolar plate 26 and the tool half 40 in the sealing area of the seal 30 forced out. This can lead to undesired mixing of the reaction mixture of the seal 30 with the fluid 45 come. To prevent this, the tool can be in the intermediate area 46 and also in the connection areas 50 Seals (which are applied to the tool e.g. by means of a screen printing process 38 have been applied), which overflow the fluid 45 to the seals 30 prevent.

Ferner kann eine Entlüftungsöffnung 48 vorgesehen werden, um ein Ausströmen des Fluids 45 aus dem Werkzeug 38 zu ermöglichen. Um den Gegendruck aufzubauen, wird ein Fluidstrom über die Fluidkanäle 42 des Werkzeugs 38 in die Betriebsmittelkanäle 44 der Bipolarplatte 26 eingeleitet werden. Das Fluid 45 durchströmt die Betriebsmittelkanäle 44 und verlässt die Bipolarplatte 26 anschließend durch die Überströmbereiche 36. In Folge strömt das Fluid 45 über Entlüftungsöffnungen 48 des Werkzeugs 38 aus dem Werkzeug 38. Die Entlüftungsöffnungen 48 stehen üblicherweise in einem strömungstechnischen Kontakt mit der Umgebung.Furthermore, a vent opening 48 be provided to allow fluid to flow out 45 out of the tool 38 to enable. In order to build up the back pressure, a fluid flow is created via the fluid channels 42 of the tool 38 into the equipment channels 44 the bipolar plate 26 be initiated. The fluid 45 flows through the equipment channels 44 and leaves the bipolar plate 26 then through the overflow areas 36 , As a result, the fluid flows 45 via ventilation openings 48 of the tool 38 out of the tool 38 , The vents 48 are usually in fluidic contact with the environment.

Der Gegendruck resultiert dabei aus einem Druckanstieg infolge von Strömungswiderständen innerhalb der Betriebsmittelkanäle 44 (insbesondere an ihren stromabliegenden Enden z. B. in den Überströmbereichen 36) und/oder der Entlüftungsöffnungen 48. Somit ist der Gegendruck auf eine Art Staudruck zurückzuführen, der durch einen dynamischen Druck des Fluids entsteht. Durch einen bereits erfolgten Druckabfall stromab der Überströmbereiche 36 wird ein Überströmen durch den Zwischenbereich 46 verhindert - eine zusätzliche Dichtung im Zwischenbereich 46 kann entfallen. Um den Fluidstrom möglichst verlustfrei in die Betriebsmittelkanäle einzuleiten, weist der Fluidkanal typischerweise die oben beschriebene Aststruktur auf.The back pressure results from an increase in pressure as a result of flow resistance within the equipment channels 44 (especially at its downstream ends, e.g. in the overflow areas 36 ) and / or the ventilation openings 48 , Thus, the back pressure can be traced back to a kind of back pressure, which arises from a dynamic pressure of the fluid. Due to a pressure drop already occurring downstream of the overflow areas 36 becomes an overflow through the intermediate area 46 prevented - an additional seal in the intermediate area 46 can be omitted. In order to introduce the fluid flow into the operating medium channels with as little loss as possible, the fluid channel typically has the branch structure described above.

Der Gegendruck kann einen zeitlichen Verlauf in Abhängigkeit eines, beim Herstellen oder Aufbringen der Dichtung 30 entstehenden Drucks aufweisen. Der Gegendruck wird dabei insbesondere während des Anspritzens des Reaktionsgemisches aufgebracht. Im Speziellen kann sich das Aufbringen des Gegendrucks auf einen Zeitraum während des Nachdrückens des Reaktionsgemisches am Ende des Anspritzens beschränken. Um die Wandungen 31 optimal zu entlasten, kann der Gegendruck im Wesentlichen dem, beim Anspritzen, insbesondere beim Nachdrücken entstehenden Druck entsprechen.The back pressure can be a function of time, when manufacturing or applying the seal 30 resulting pressure. The back pressure is applied in particular during the injection of the reaction mixture. In particular, the application of the back pressure can be limited to a period of time during the pressing in of the reaction mixture at the end of the injection. Around the walls 31 To optimally relieve the pressure, the counter pressure can essentially correspond to the pressure that arises during injection molding, in particular during repressing.

In Bereichen der Bipolarplatte 26, welche auf den, den Dichtungen 30 gegenüberliegenden Seiten der Wandungen 31 keine Betriebsmittelkanäle 44 aufweisen, wird die Bipolarplatte 26 über die, der jeweiligen Dichtung 30 gegenüberliegende Werkzeughälfte 40, 41 abgestützt (siehe 4).In areas of the bipolar plate 26 which on the, the seals 30 opposite sides of the walls 31 no resource channels 44 have, the bipolar plate 26 about that, the respective seal 30 opposite tool half 40 . 41 supported (see 4 ).

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass in einem Werkzeug 38, z. B. einem Spritzgusswerkzeug Fluidkanäle (z. B. Luftkanäle) vorgesehen sind, die kritische Bereiche der Bipolarplatte mit einem Fluid 45 (vorzugsweise Druckluft) versorgen. Es kann entweder mit einem konstanten Druck oder mit einem genau abgestimmten Staudruck gearbeitet werden, um den Gegendruck in den nicht abgestützten Bereichen, also im Hohlraum 44 aufzubauen. Eine mögliche Verbesserung der Abdichtung zwischen den, mit dem Gegendruck beaufschlagten Bereichen und Dichtungsbereichen kann mittels Dichtungen im Werkzeug 38 erfolgen, welche z. B. im Siebdruck auf das Werkzeug 38 aufgetragen werden können.In summary, it can be stated that in one tool 38 , e.g. B. an injection mold fluid channels (z. B. air channels) are provided, the critical areas of the bipolar plate with a fluid 45 Supply (preferably compressed air). Either a constant pressure or a precisely coordinated back pressure can be used to counteract the pressure in the unsupported areas, i.e. in the cavity 44 build. A possible improvement of the seal between the areas and sealing areas subjected to the counter pressure can be achieved by means of seals in the tool 38 take place which z. B. in screen printing on the tool 38 can be applied.

Typischerweise ist der Gegendruck insbesondere bei einem Nachdrückvorgang von Bedeutung, da im Vergleich zum Nachdrückvorgang die Drücke beim restlichen Anspritzen der Dichtung 30 relativ gering sind. Generell können die Wandungen 31 mit dem Gegendruck aber auch während des gesamten Anspritzvorgangs der Dichtung 30 (typischerweise mehrere Sekunden) beaufschlagt werden. Außerdem ist dies auch während der gesamten Zeitdauer des Herstellens (typischerweise wenige Minuten) oder Aufbringens der Dichtung 30 möglich. Der Gegendruck kann zeitlich konstant gehalten oder variabel gestaltet werden. Somit ist eine optimale Adaptierbarkeit auf den jeweiligen Prozess zum Herstellen oder Aufbringen der Dichtung 30 gegeben, um eine bleibende Verformung der Wandungen 31 zu verhindern.Typically, the back pressure is particularly important in the case of a repressing process, since in comparison to the repressing process, the pressures during the remaining gating of the seal 30 are relatively small. Generally the walls 31 with the back pressure but also during the entire gating process of the seal 30 (typically several seconds). In addition, this is also during the entire period of manufacture (typically a few minutes) or application of the seal 30 possible. The back pressure can be kept constant over time or made variable. This is an optimal adaptability to the respective process for the manufacture or application of the seal 30 given to permanent deformation of the walls 31 to prevent.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Brennstoffzellefuel cell
1212: Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1414: Einzelzellesingle cell
1616: Endplatteendplate
1818: Zugelementtension element
2020: Membran-Elektroden-EinheitMembrane-electrode assembly
2222: Membranmembrane
2626: Bipolarplattebipolar
2828: Bipolarplatten-Dichtungs-EinheitBipolar plates seal unit
3030: Dichtungpoetry
3131: Wandungwall
3232: Verteilerbereichdistribution area
3434: Öffnung zur Durchführung von BetriebsmedienOpening for the passage of operating media
3636: Überströmbereichoverflow area
3838: WerkzeugTool
40, 4140, 41: Werkzeughälftentool halves
4242: Fluidkanalfluid channel
4444: Hohlraum, insbesondere BetriebsmittelkanalCavity, especially equipment channel
4545: Fluidfluid
4646: Zwischenbereichintermediate area
4848: Entlüftungsöffnungvent
5050: Anschlussbereichterminal area
5252: Aststrukturbranch structure
5454: Einlassöffnunginlet port
5656: Auslassöffnungoutlet
5858: Sockelbase
6060: Umrissoutline

Claims

A method for producing a bipolar plate sealing unit (28) for a fuel cell (10), comprising a bipolar plate (26) and at least one seal (30) arranged on at least one outer surface of the bipolar plate (26), the bipolar plate (26) forms at least one cavity (44) which is delimited by at least one wall (31) of the bipolar plate (26), and the method comprises the following steps: - Pressurized manufacture or application of the at least one seal (30) on a side of the at least one wall (31) of the bipolar plate (26) facing away from the at least one cavity (44); - At least occasionally simultaneously applying a counter pressure by means of a fluid (45) to a side of the at least one wall (31) facing the at least one cavity (44).

Procedure according to Claim 1 wherein the pressurized manufacture of the at least one seal (30) comprises a step of molding the seal (30).

Method according to one of the preceding claims, wherein the counter pressure has a time profile as a function of a pressure which arises when the at least one seal (30) is produced or applied.

Procedure according to Claim 3 , wherein the counter pressure essentially corresponds to the pressure which arises when the at least one seal (30) is produced or applied.

Method according to one of the preceding claims, wherein the fluid (45) flows through the at least one cavity (44) and a tool (38), the back pressure from a flow resistance within the at least one cavity (44) and / or the tool (38 ) downstream of the at least one cavity (44).

Method according to one of the preceding claims, wherein the at least one cavity (44) is at least one operating medium channel of the bipolar plate (26).

Method according to one of the preceding claims, wherein the fluid (45) is a gas or a gas mixture, in particular comprising air.

Tool (38) for carrying out the method according to at least one of the preceding claims, comprising two tool halves (40, 41) which, in a closed state, a cavity (44) for receiving the bipolar plate (26) and for producing or applying the at least one seal (30), at least one of the two tool halves (40, 41) having at least one fluid channel (42) for building up the counter pressure by means of the fluid (45), which can be connected to the at least one cavity (44) of the bipolar plate (26) in terms of flow technology is.

Tool after Claim 8 The tool (38) has at least one seal for sealing at least one intermediate region (46) between the tool (38) and the bipolar plate (26).

Tool according to one of the Claims 8 or 9 The at least one fluid channel (42) has a branch structure (52) with an inlet opening (54) and a plurality of outlet openings (56), the outlet openings being designed such that one outlet opening each has an operating medium channel (44) one in the tool recordable bipolar plate is fluidically connectable.