DE102013011412A1

DE102013011412A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102013011412A1
Application number: DE102013011412.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Martin Erdmann; Jonas Stoll; Stephen Wade
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, mit einer an der Bipolarplatte (10) angespritzten Dichtung (20), wobei die Dichtung (20) an einen im Wesentlichen in Hochrichtung (z) der Bipolarplatte (10) elastisch verformbaren Federbereich der Bipolarplatte (10) angespritzt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte der in den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche angegebenen Art.
Eine gattungsgemäße Bipolarplatte ist aus der DE 10 2010 024 316 A1 bekannt. Die dort gezeigte Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, umfasst eine an der Bipolarplatte angespritzte Dichtung.
Die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle hängt in erheblichen Maße davon ab, wie gut entsprechend an der Bipolarplatte angebrachte Dichtungen ihre Funktionalität erfüllen. Insbesondere können bei angespritzten Dichtungen Fehler auftreten, so dass Leckpfade innerhalb der Brennstoffzelle auftreten können. Infolgedessen kann die Leistung der Brennstoffzelle erheblich reduziert oder gar ein Ausfall der Brennstoffzelle die Folge sein.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatte sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchen eine verbesserte Abdichtung einer Bipolarplatte ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte mit Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Zur verbesserten Abdichtung einer Bipolarplatte ist es bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte vorgesehen, dass die Dichtung an einen im Wesentlichen in Hochrichtung der Bipolarplatte elastisch verformbaren Federbereich der Bipolarplatte angespritzt ist. Bei dem Federbereich handelt es sich mit anderen Worten um eine sogenannte Dichtungsbrücke, welche erfindungemäß mit einer ausreichenden Steifigkeit, insbesondere Federsteifigkeit, ausgebildet ist, so dass beim Anspritzen der Dichtung eine entsprechend hohe Gegenkraft durch den Federbereich bereitgestellt werden kann, wodurch eine leckagefreie Anspritzung der Dichtung an die Bipolarplatte ermöglicht wird. Der Federbereich dient als eine Art Gegenform, welcher durch seine entsprechend hohe Steifigkeit einen Gegendruck auf die Spritzgussform ausüben kann, so dass im geschlossenen Werkzeug eine vollständige und zuverlässige Abdichtung während des Spritzgießverfahrens der Dichtung sichergestellt werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass durch den Federbereich bei einer vorgegebenen Verformung in Hochrichtung der Bipolarplatten ein Druck von mindestens 15 MPa, insbesondere von mindestens 20 MPa auf die Dichtung erfolgt. Mit anderen Worten ist die Federsteifigkeit des als Dichtungsbrücke dienenden Federbereiches derart ausgebildet, dass während des Spritzgießvorgangs der Federbereich bei einer entsprechende Stauchung durch das Werkzeug einen ausreichenden Gegendruck gegen die betreffende Werkzeughälfte des Spritzgießwerkzeuges aufbringen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Federbereich einen im Wesentlichen bogenförmigen Querschnitt aufweist. Dadurch kann auf besonders zuverlässige Art und Weise der besagte Gegendruck während des Spritzgießvorgangs auf die Dichtung und die entsprechende Werkzeughälfte ermöglicht werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine weitere Dichtung an einer von dem Federbereich abgewandten Seite der Bipolarplatte angespritzt ist. Dadurch wird eine nochmals verbesserte Abdichtung der Bipolarplatte ermöglicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bipolarplatte eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte aufweist, welche an jeweiligen Abdichtungsbereichen bereichsweise aneinander anliegend angeordnet sind, wobei der Federbereich an der Kathodenplatte ausgebildet ist. Die jeweiligen Abdichtungsbereiche sind dabei im Wesentlichen plattenförmig bzw. flach ausgebildet, so dass ein entsprechendes Werkzeug bzw. eine entsprechende Form des Spritzgusswerkzeuges an die jeweiligen Abdichtungsbereiche zum Abdichten des Werkzeugs angelegt werden kann. Ferner können durch die entsprechend vorgesehenen Abdichtungsbereiche und ein Anlegen des Spritzgießwerkzeugs an diese Abdichtungsbereiche eine Fixierung der Kathodenplatte und der Anodenplatte während des Spritzgießvorgangs der Dichtung sichergestellt werden.
Bei dem erfindungsgemäßem Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, wird eine Dichtung an die Bipolarplatte angespritzt, wobei sich das erfindungsgemäß Verfahren dadurch auszeichnet, dass die Bipolarplatte in einem Spritzgießwerkzeug angeordnet und ein elastisch verformbarer Federbereich der Bipolarplatte mittels des Spritzgießwerkzeugs in Hochrichtung der Bipolarplatte gestaucht und anschließend die Dichtung an dem Federbereich angespritzt wird. Durch das Stauchen des Federbereiches der Bipolarplatte wird durch diesen ein entsprechender Gegendruck gegen die entsprechende Werkzeughälfte aufgebracht, so dass eine vollständige Abdichtung der entsprechenden Werkzeughälfte beim Anspritzen der Dichtung sichergestellt werden kann, wodurch eine fehlerfreie und insbesondere leckagefreie Herstellung der Dichtung erfolgen kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine Perspektivansicht auf eine teilweise dargestellte Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle eines Kraftwagens, welche eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte umfasst, wobei die Kathodenplatte einen Federbereich mit einem im Wesentlichen bogenförmigen Querschnitt aufweist, an welchem eine Dichtung angeordnet ist;
2 eine Querschnittsansicht der Bipolarplatte entlang der in 1 gekennzeichneten Schnittebene;
3 eine schematische Querschnittsansicht, in welcher ein Spritgießwerkzeug dargestellt ist, in welchem die Kathodenplatte und die Anodenplatte der Bipolarplatte angeordnet sind, wobei mittels des Spritzgießwerkzeugs sowohl an der Kathodenplatte als auch an der Anodenplatte eine Dichtung angespritzt wird;
4 schematische Querschnittsansichten von drei unterschiedlichen Ausführungsformen des Federbereiches der Kathodenplatte;
5 schematische Querschnittsansichten von drei unterschiedlichen Ausführungsformen jeweils an der Anodenplatte vorgesehener Dichtungen; und in
6 schematische Querschnittsansichten von drei unterschiedlichen Ausführungsformen jeweils an der Kathodenplatte vorgesehener Dichtungen.
Eine Bipolarplatte 10 ist in einer Perspektivansicht teilweise in 1 dargestellt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine Bipolarplatte für eine hier nicht dargestellte Brennstoffzelle eines Kraftwagens. Die Bipolarplatte 10 umfasst eine Kathodenplatte 12 und eine Anodenplatte 14, welche an jeweiligen außen liegenden Abdichtungsbereichen 16 aneinander anliegend angeordnet sind.
Die Kathodenplatte 12 umfasst einen im Wesentlichen in Hochrichtung z der Bipolarplatte 10 elastisch verformbaren Federbereich 18, an welchem eine Dichtung 20 angespritzt ist. Wie zu erkennen, weißt der Federbereich 18 einen im Wesentlichen bogenförmigen Querschnitt auf. Bei einer Stauchung des Federbereiches 18 bei einer entsprechend vorgegebenen Verformung in Hochrichtung z der Bipolarplatte 10 wird ein Druck von mindestens 15 Megapascal, insbesondere von 20 Megapascal auf die Dichtung 20 ausgeübt. Die Dichtung 20 dient dabei dazu, jeweilige Bipolarplatten 10 innerhalb einer Brennstoffzelle gegeneinander abzudichten, und zwar so, dass es nicht zu einer Vermischung von Reaktionsgasen untereinander bzw. mit Reaktionsflüssigkeit kommen kann.
In 2 ist eine schematische Querschnittsansicht der Bipolarplatte 10 entlang der in 1 gekennzeichneten Schnittebene 22 dargestellt. Im vorliegenden Fall ist die Dichtung 20 nicht gezeigt. Hier ist nochmals der bogenförmige Querschnitt des Federbereichs 1 gut zu erkennen, infolgedessen bei einer vorgegebenen Verformung in Hochrichtung z, also bei einer Stauchung des Federbereichs 18, eine entsprechende Gegenkraft durch den Federbereich 18 aufgebracht wird.
In 3 ist in einer schematischen Querschnittsansicht ein Spritzgießwerkzeug 24 gezeigt, in welchem die Kathodenplatte 12 und die Anodenplatte 14 angeordnet sind, um die Dichtung 20 sowie eine weitere Dichtung 26 an die Bipolarplatte 10 anzuspritzen. Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen der Bipolarplatte 10 erläutert.
Zunächst werden die Kathodenplatte 12 und die Anodenplatte 14 in dem Spritzgießwerkzeug 24 angeordnet, wobei beispielsweise die Anodenplatte 14 auf einer unteren Werkzeughälfte 28 positioniert und anschließend die Kathodenplatte 12 auf der Anodenplatte 14 positioniert wird. Anschließend wird eine obere Werkzeughälfte 30 nach unten verfahren, wobei die Anodenplatte 14 und die Kathodenplatte 12 an ihren jeweiligen flachen Abdichtungsbereichen 16 mittels des Spritzgießwerkzeugs 24 fixiert werden. Gleichzeitig wird durch die Verfahrbewegung der oberen Werkzeughälfte 30 nach unten der Federbereich 18 in Hochrichtung z der Bipolarplatte 10 gestaucht, wobei anschließend die Dichtung 20 an den Federbereich 20 angespritzt wird und zudem noch die Dichtung 26 an den entsprechenden Bereich der Anodenplatte 14 angespritzt wird.
Durch die Stauchung des Federbereichs 18 bringt dieser einen entsprechenden Druck von zumindest 15 MPa auf die obere Werkzeughälfte 28 auf, so dass eine entsprechende Abdichtung gegenüber der oberen Werkzeughälfte 30 während des Anspritzens der Dichtung 20 an den Federbereich 18 gewährleistet wird. Darüber hinaus wird durch die Abdichtungsbereiche 16 eine Abdichtung insbesondere gegenüber der unteren Werkzeughälfte 28 sichergestellt, so dass die untere Dichtung 26 leckagefrei an die Anodenplatte 14 angespritzt werden kann.
In 4 sind drei schematische Querschnittsansichten jeweiliger Ausführungsformen des Federbereichs 18 dargestellt. Der als Dichtungsbrücke dienende Federbereich 18 kann wie aus den verschiedenen Ausführungsformen ersichtlich unterschiedlichste Formen aufweisen, so lange diese für den jeweiligen Einsatzzweck, also das Anspritzen der Dichtung 20, eine entsprechend hohe Rückfederkraft aufweisen, um eine zuverlässige Abdichtung während des Anspritzvorgangs der Dichtung 20 zu gewährleisten.
In 5 sind drei unterschiedliche schematische Schnittansichten der an der Anodenplatte 14 angebrachten Dichtungen 26 dargestellt. Je nach Randbedingungen, welche an die Dichtung 26 gestellt werden, können sie unterschiedlichste Formen aufweisen, so dass eine sichere Abdichtung gewährleistet werden kann.
Schließlich sind in 6 in drei schematischen Schnittdarstellungen jeweilige Ausführungsformen der Dichtung 20 dargestellt, welche an der Kathodenplatte 12, insbesondere an dem Federbereich 18, angespritzt sein können. Die Formgebung der jeweiligen Dichtungen 20 ist dabei im Wesentlichen variabel, sie weisen eine an jeweiligen Randbedingungen angepasste Formgebung auf, so dass eine sichere Abdichtung durch die Dichtung 20 ermöglicht werden kann.
Der Federbereich 18 kann entgegen der bisherigen Erläuterung auch an der Anodenplatte 14 in analoger Weise ausgebildet sein, so dass die federnde Abdichtwirkung auch über eine entsprechende Ausbildung des Federbereichs 18 an der Anodenplatte 14 statt an der Kathodenplatte 12 oder auch an beiden Platten 12, 14 bewerkstelligt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010024316 A1 [0002]

Claims

Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, mit einer an der Bipolarplatte (10) angespritzten Dichtung (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (20) an einen im Wesentlichen in Hochrichtung (z) der Bipolarplatte (10) elastisch verformbaren Federbereich der Bipolarplatte (10) angespritzt ist.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Federbereich (18) bei einer vorgegebenen Verformung in Hochrichtung (z) der Bipolarplatte (10) ein Druck von mindestens 15 MPa auf die Dichtung (20) erfolgt.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Federbereich (18) einen im Wesentlichen bogenförmigen Querschnitt aufweist.
Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Dichtung (26) an einer von dem Federbereich (18) abgewandten Seite der Bipolarplatte (10) angespritzt ist.
Bipolarplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) eine Kathodenplatte (12) und einer Anodenplatte (14) aufweist, welche an jeweiligen Abdichtungsbereichen (16) bereichsweise aneinander anliegend angeordnet sind, wobei der Federbereich (18) an der Kathodenplatte (12) ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, bei welchem eine Dichtung (20) an die Bipolarplatte (10) angespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) in einem Spritzgießwerkzeug (24) angeordnet und ein elastisch verformbarer Federbereich (18) der Bipolarplatte (10) mittels des Spritzgießwerkzeugs in Hochrichtung (z) der Bipolarplatte (10) gestaucht und anschließend die Dichtung (20) an den Federbereich (18) angespritzt wird.