DE102013020840A1

DE102013020840A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102013020840A1
Application number: DE102013020840.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Martin Erdmann; Alan Parkin; Jonas Stoll; Stephen Wade
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenplatte (1.1), eine Kathodenplatte (1.2) und zumindest ein Dichtelement (2). Erfindungsgemäß weist die Anodenplatte (1.1) in einem Dichtungsbereich eine rinnenförmige Vertiefung (V) und die Kathodenplatte (1.2) im Dichtungsbereich eine Erhebung (E) auf, oder die Kathodenplatte (1.2) weist im Dichtungsbereich eine rinnenförmige Vertiefung (V) und die Anodenplatte (1.1) im Dichtungsbereich eine Erhebung (E) auf, wobei die Erhebung (E) derart in der Vertiefung (V) angeordnet ist, dass die Erhebung (E) und Vertiefung (V) gemeinsam ein Federelement bilden, wobei das Dichtelement (2) in einem Spritzgussverfahren hergestellt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest eine solche Bipolarplatte (1) und ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenplatte, eine Kathodenplatte und zumindest ein Dichtelement.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzelle, umfassend zumindest eine solche Bipolarplatte.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte zumindest aus einer Anodenplatte, einer Kathodenplatte und zumindest einem Dichtelement gebildet wird.
Aus der US 2009/0023026 A1 ist eine metallische Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt, wobei die Bipolarplatte aus zwei Einzelplatten gebildet ist. Eine erste Einzelplatte weist eine Einbuchtung und eine zweite Einzelplatte eine mit der Einbuchtung korrespondierende und innerhalb dieser angeordnete Ausbuchtung auf.
Weiterhin ist aus der DE 10 2009 012 730 A1 eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einer in Eingriff bringbaren Wulstdichtung bekannt. Die Bipolarplatte umfasst eine erste Platte, die einen ersten länglichen Wulst mit einer Dichtfläche aufweist, und eine zweite Platte, die einen zweiten länglichen Wulst mit einer darin geformten Vertiefung aufweist, wobei die erste Platte und die zweite Platte miteinander verbunden sind und der erste Wulst im Wesentlichen entgegengesetzt dem zweiten Wulst angeordnet ist, um die in Eingriff bring bare Wulstdichtung zu formen. An der Dichtfläche und der Vertiefung ist eine Mikrodichtung angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, eine verbesserte Brennstoffzelle und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte anzugeben.
Hinsichtlich der Bipolarplatte wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich der Brennstoffzelle durch die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfasst eine Anodenplatte, eine Kathodenplatte und zumindest ein Dichtelement. Erfindungsgemäß weist die Anodenplatte in einem Dichtungsbereich eine rinnenförmige Vertiefung und die Kathodenplatte im Dichtungsbereich eine Erhebung auf, oder die Kathodenplatte weist im Dichtungsbereich eine rinnenförmige Vertiefung und die Anodenplatte im Dichtungsbereich eine Erhebung auf. Dabei ist die Erhebung derart in der Vertiefung angeordnet, dass die Erhebung und Vertiefung gemeinsam ein Federelement bilden, wobei das Dichtelement in einem Spritzgussverfahren hergestellt ist.
Die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der Anodenplatte und Kathodenplatte mit der rinnenförmige Vertiefung und der darin angeordneten Erhebung führt zu einer Bipolarplatte, welche sich im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatten durch wenige und nur geringe Formsprünge im Dichtungsbereich und insbesondere in Ein- und Auslassbereichen für Medien auszeichnet. Weiterhin wird durch diese Ausbildung und Anordnung eine signifikant erhöhte mechanische Stabilität einer metallischen Bipolarplatte erreicht, wodurch eine kleinere Ausbildung der Bipolarplatte realisierbar ist. Dabei sind die rinnenförmige Vertiefung und die darin angeordnete Erhebung geometrisch so ausgebildet, dass ein Dichtungswerkstoff nach dessen Applikation Steifigkeitssprünge aufgrund unterschiedlicher Umform- und/oder Formänderungszustände der Anodenplatte und Kathodenplatte an den verschiedenen Positionen des Dichtungsbereichs ausgleicht.
Aufgrund der Verringerung der Formsprünge und der erhöhten Stabilität ist es in besonders wirtschaftlicher Weise möglich, das Dichtelement in einem Spritzgussverfahren zu erzeugen. Hierbei ist es aufgrund eines unmittelbaren Auftrags eines Dichtungswerkstoffs auf die Bipolarplatte möglich, toleranzbedingte Formunterschiede bei mehreren Bipolarplatten in einfacher Weise auszugleichen und das Dichtelement mit einer besonders gleichmäßigen Dicke zu erzeugen. Die Möglichkeit dieser gleichmäßigen Erzeugung wird weiterhin durch die Verringerung der Anzahl und Größe der Formsprünge begünstigt. Somit können unterschiedliche Kompressionen des Dichtelements und eine daraus resultierende Verringerung der Lebensdauer des Dichtelements und der Bipolarplatte verringert werden.
Auch die gemeinsame Ausbildung der Erhebung und Vertiefung als Federelement ermöglichen zusätzlich einen einfachen Ausgleich vorhandener Formsprünge, insbesondere an mit der Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle in dichtender Verbindung stehenden Membran-Elektroden-Anordnungen. Das heißt, es wird durch die gemeinsame Ausbildung der Erhebung und Vertiefung als Federelement eine rheologische Hintereinanderschaltung von Steifigkeiten und Dämpfungen an unterschiedlichen Positionen einer aus der Vertiefung und Erhebung gebildeten Kontur durch die Erhebung und Vertiefung ausbalanciert. Auch ermöglicht die Federfunktion, dass während des Betriebs der Brennstoffzelle auftretende Schwingungen und Vibrationen in Brennstoffzellenstapel ausgeglichen werden können.
Da eine Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle auch maßgeblich von der Funktion des Dichtelements abhängt und mittels der erfindungsgemäßen Ausbildung Undichtigkeiten, beispielsweise so genannte Silikon-Lecks und/oder Leckpfade im Dichtelement, vermieden werden, wird eine aus Undichtigkeiten resultierende Leistungsreduzierung der Brennstoffzelle wirkungsvoll vermieden. Dadurch sind besonders leistungsfähige Brennstoffzellen herstellbar.
In einer möglichen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist zwischen der Erhebung und der Vertiefung zumindest ein Hohlraum ausgebildet. Dieser Hohlraum ermöglicht eine besonders wirkungsvolle Federeigenschaft, wodurch die Dichteigenschaften des Dichtbereichs mit dem Dichtelement weiter verbessert werden können.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte ist zumindest ein zwischen der Erhebung und der Vertiefung ausgebildeter Hohlraum zumindest teilweise mit einem elastischen Material ausgefüllt. Hierdurch werden einerseits eine besonders wirkungsvolle Federeigenschaft und andererseits eine besonders wirkungsvolle Dämpfungseigenschaft realisiert, wodurch die Dichteigenschaften des Dichtbereichs mit dem Dichtelement weiter verbessert werden können.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte umfasst das Dichtelement einen auf einer der Anodenplatte abgewandten Seite der Kathodenplatte angeordneten Kathodendichtabschnitt und einen auf einer der Kathodenplatte abgewandten Seite der Anodenplatte angeordneten Anodendichtabschnitt. Somit ist eine optimale Abdichtung der Bipolarplatte gegenüber einer Anodenseite einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer Kathodenseite einer weiteren Membran-Elektroden-Anordnung möglich.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Bipolarplatte oder eine Ausgestaltung derselben und zeichnet sich somit aufgrund der besonders guten Dichtheit durch eine hohe Leistungsfähigkeit aus.
In einem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle wird die Bipolarplatte zumindest aus einer Anodenplatte, einer Kathodenplatte und zumindest einem Dichtelement gebildet. Erfindungsgemäß wird in die Anodenplatte in einem Dichtungsbereich eine rinnenförmige Vertiefung und in die Kathodenplatte im Dichtungsbereich eine Erhebung eingebracht. Alternativ wird in die Kathodenplatte im Dichtungsbereich eine rinnenförmige Vertiefung und in die Anodenplatte im Dichtungsbereich eine Erhebung eingebracht, wobei die Erhebung derart in der Vertiefung angeordnet wird, dass die Erhebung und Vertiefung gemeinsam ein Federelement bilden, wobei das Dichtelement in einem Spritzgussverfahren hergestellt wird.
Mittels des Verfahrens ist die Bipolarplatte mit einer optimierten Dichtfunktion mit besonders geringem Material- und Kostenaufwand herstellbar. Dabei werden aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Verfahrens ein Dichtbereich und ein Dichtelement mit besonders guten mechanischen Eigenschaften und einer hohen Lebensdauer realisiert, wodurch Brennstoffzellen mit besonders großer Leistungsfähigkeit hergestellt werden können.
In einer möglichen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen der Erhebung und der Vertiefung zumindest ein Hohlraum ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders wirkungsvolle Federeigenschaft, wodurch die Dichteigenschaften des Dichtbereichs mit dem Dichtelement weiter verbessert werden können.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein zwischen der Erhebung und der Vertiefung ausgebildeter Hohlraum zumindest teilweise mit einem elastischen Material ausgefüllt. Hierdurch werden einerseits eine besonders wirkungsvolle Federeigenschaft und andererseits eine besonders wirkungsvolle Dämpfungseigenschaft realisiert, wodurch die Dichteigenschaften des Dichtbereichs mit dem Dichtelement weiter verbessert werden können.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Anodenplatte und die Kathodenplatte vor der Herstellung des Dichtelements kraft-, stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Somit werden eine relative Bewegung der Anodenplatte und Kathodenplatte zueinander und ein daraus folgender technischer Defekt der Bipolarplatte wirkungsvoll vermieden.
Eine mögliche Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass auf einer der Anodenplatte abgewandten Seite der Kathodenplatte ein Kathodendichtabschnitt des Dichtelements und auf einer der Kathodenplatte abgewandten Seite der Anodenplatte ein Anodendichtabschnitt des Dichtelements erzeugt werden. Somit ist eine optimale Abdichtung der Bipolarplatte gegenüber einer Anodenseite einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer Kathodenseite einer weiteren Membran-Elektroden-Anordnung möglich, wobei beide Abschnitte in einem gemeinsamen Spritzgussverfahren sehr schnell und kostengünstig erzeugt werden können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit mehreren Dichtelementen,
2 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte gemäß 1,
3 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte gemäß 1,
4 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte gemäß 1,
5 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines vierten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte gemäß 1,
6 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines fünften Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte gemäß 1,
7 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines sechsten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte gemäß 1,
8 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines siebten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte gemäß 1,
9 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines achten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte gemäß 1,
10 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines neunten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte gemäß 1, und
11 schematisch einen Querschnitt durch eine Spritzgussvorrichtung und das zweite Ausführungsbeispiel der Bipolarplatte gemäß 3.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1 für eine Brennstoffzelle in einer Draufsicht dargestellt. Die Bipolarplatte 1 umfasst mehrere Dichtelemente 2, eine in den 2 bis 11 näher dargestellte Anodenplatte 1.1 und eine Kathodenplatte 1.2.
Innerhalb der nicht gezeigten Brennstoffzelle ist jeweils eine Bipolarplatte 1 zwischen zwei nicht gezeigten Membran-Elektroden-Anordnungen angeordnet, wobei die Dichtelemente 2 zu einer fluiddichten Abdichtung der Bipolarplatte 1 zu den Membran-Elektroden-Anordnungen vorgesehen sind.
Zu einer Medienein- und -ausleitung sind Ein- und Auslässe 3 bis 8 in so genannten Via- oder Portbereichen vorgesehen.
Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle hängt maßgeblich auch von der Funktion der Dichtelemente 2 ab. Treten Undichtigkeiten, beispielsweise so genannte Silikon-Lecks und/oder Leckpfade in den Dichtelementen 2, auf, können diese zu einer reduzierten Leistung der Brennstoffzelle führen.
Zur Realisierung einer zuverlässigen und einfach herstellbaren Dichtfunktion sind die Anodenplatte 1.1 und Kathodenplatte 1.2 in einem Dichtungsbereich als Federelement ausgebildet, in dessen Bereich jeweils ein Dichtelement 2 angeordnet ist.
2 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1 im Dichtungsbereich. Dabei weist die Anodenplatte 1.1 im Dichtungsbereich eine rinnenförmige Vertiefung V und die Kathodenplatte 1.2 eine mit der Vertiefung V korrespondierende Erhebung E auf.
Zur Erzeugung dieser Vertiefung V und Erhebung E werden die Anodenplatte 1.1 und die Kathodenplatte 1.2 in dem Dichtungsbereich derart umgeformt, dass eine umlaufende gleich- und ebenmäßige Sickenform erzeugt wird.
Anschließend werden die Anodenplatte 1.1 und Kathodenplatte 1.2 derart zueinander angeordnet, dass die Erhebung E in der Vertiefung V angeordnet ist und die Erhebung E und Vertiefung V gemeinsam ein Federelement bilden. Hierzu sind die Sicken geometrisch derart korrespondierend ausgebildet, dass die Sicke der Kathodenplatte 1.2 vollständig in der Sicke der Anodenplatte 1.1 angeordnet wird. Das heißt, es wird ein so genanntes Nisten oder Einnisten der Sicke der Kathodenplatte 1.2 in der Sicke der Anodenplatte 1.1 realisiert.
In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen ist es alternativ möglich, dass in die Kathodenplatte 1.2 im Dichtungsbereich die rinnenförmige Vertiefung V und in die Anodenplatte 1.1 im Dichtungsbereich eine Erhebung E eingebracht wird, wobei auch bei dieser Ausbildung die Erhebung E in der Vertiefung V angeordnet wird und die Erhebung E und Vertiefung V gemeinsam ein Federelement bilden.
Nach dieser Anordnung werden die Anodenplatte 1.1 und Kathodenplatte 1.2 in einem Bereich neben der Erhebung E und Vertiefung V insbesondere stoffschlüssig, im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels Schweißnähten S1, S2, miteinander verbunden.
Nach dieser Verbindung erfolgt die Erzeugung des Dichtelements 2 in einem Spritzgussverfahren in einer in 11 dargestellten Spritzgussvorrichtung 9, wobei auf einer der Anodenplatte 1.1 abgewandten Seite der Kathodenplatte 1.2 ein Kathodendichtabschnitt 2.2 des Dichtelements 2 und auf einer der Kathodenplatte 1.2 abgewandten Seite der Anodenplatte 1.1 ein Anodendichtabschnitt 2.1 des Dichtelements 2 erzeugt werden.
Der Kathodendichtabschnitt 2.2 weist eine Auswölbung A auf, welche sich im dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen halbkreisförmigen Querschnitt auszeichnet. In nicht dargestellten weiteren Ausführungsbeispielen sind abweichende Formen und Querschnitte des Kathodendichtabschnitts 2.2 vorgesehen.
Der Anodendichtabschnitt 2.1 ist auf der der Kathodenplatte 1.2 abgewandten Seite der Anodenplatte 1.1 im dargestellten Ausführungsbeispiel als Flachdichtung ausgebildet.
Dabei zeichnet sich der Anodendichtabschnitt 2.1 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SA1 und einer Dämpfung D_SA1, der Kathodendichtabschnitt 2.2 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SK1 und einer Dämpfung D_SK1, die Vertiefung V durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MK1 und einer Dämpfung D_MK1 und die Erhebung E durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MA1 und einer Dämpfung D_MA1 aus.
In 3 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1 im Dichtungsbereich dargestellt.
Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist die Erhebung E flacher ausgebildet als die Vertiefung V, so dass sich zwischen der Erhebung E und der Vertiefung V ein erster Hohlraum H1 ausbildet. Durch Einstellung des ersten Hohlraums H1 in Größe und Form wird ein Federvolumen und somit eine Federeigenschaft im Dichtbereich eingestellt.
Dabei zeichnet sich der Anodendichtabschnitt 2.1 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SA2 und einer Dämpfung D_SA2, der Kathodendichtabschnitt 2.2 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SK2 und einer Dämpfung D_SK2, die Vertiefung V durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MK2 und einer Dämpfung D_MK2 und die Erhebung E durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MA2 und einer Dämpfung D_MA2 aus.
Aufgrund der unveränderten Ausbildung der Vertiefung V und der geänderten Ausbildung der Erhebung E gilt gemäß folgender Gleichungen: C_SK1 = C_SK2, (1) C_MK1 = C_MK2, (2) D_SK1 = D_SK2, (3) D_MK1 = D_MK2, (4) C_SA1 ≠ C_SA2, (5) C_MA1 ≠ C_MA2, (6) D_SA1 ≠ D_SA2, (7) D_MA1 ≠ D_MA2 (8) und C_SK1D_SK1C_SA1D_SA1C_MK1D_MK1C_MA1D_MA1 = C_SK2D_SK2C_SA2D_SA2C_MK2D_MK2C_MA2D_MA2. (9)
Diese Gleichungen gelten für das erste und zweite Ausführungsbeispiel der Bipolarplatte 1 und alle folgenden Ausführungsbeispiele.
Weiterhin gilt für alle Ausführungsbeispiele, dass ein Steifigkeitsabgleich im Dichtungsbereich anhand einer Einstellung der Formen der Vertiefung V und Erhebung E zueinander, anhand einer Einstellung der Volumina der mit dem Dichtungsmaterial gefüllten Formen der Vertiefung V und Erhebung E zueinander, anhand einer Auswahl des Dichtungswerkstoffs, einer lokalen Form der Erhebung E und einer Ausbildung an der Erhebung E ausgebildeter Auflageschultern für die Vertiefung V erfolgt.
4 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1 im Dichtungsbereich.
Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist die Anodenplatte 1.1 im Bereich der Erhebung E derart ausgebildet, dass sich zwischen der Erhebung E und der Vertiefung V in der dargestellten Weise drei Hohlräume H1, H2, H3 ausbilden. Durch Einstellung der Hohlräume H1, H2, H3 in Größe und Form wird ein Federvolumen und daraus folgend die Federeigenschaft im Dichtbereich eingestellt.
Zusätzlich ist zur Anpassung der Dämpfung der erste Hohlraum H1 vollständig mit einem elastischen Material M ausgefüllt. Bei dem Material M handelt es sich insbesondere um das Dichtungsmaterial, welches durch eine im Bereich der Vertiefung V in der Kathodenplatte 1.2 angeordnete Öffnung O1 eingefüllt wird.
Dabei zeichnet sich der Anodendichtabschnitt 2.1 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SA2 und einer Dämpfung D_SA2, der Kathodendichtabschnitt 2.2 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SK2 und einer Dämpfung D_SK2, die Vertiefung V durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MK2 und einer Dämpfung D_MK2 und die Erhebung E durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MA2 und einer Dämpfung D_MA2 aus.
In 5 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts eines vierten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1 im Dichtungsbereich dargestellt.
Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist eine Oberseite der Erhebung E derart nach unten gewölbt ausgeführt, dass sich ein rinnenförmiger erster Hohlraum H1 zwischen der Erhebung E und der Vertiefung V ausbildet. Schulterbereiche der Erhebung E sind dabei genauso groß ausgebildet wie Schulterbereiche der Vertiefung V.
Dabei zeichnet sich der Anodendichtabschnitt 2.1 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SA2 und einer Dämpfung D_SA2, der Kathodendichtabschnitt 2.2 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SK2 und einer Dämpfung D_SK2, die Vertiefung V durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MK2 und einer Dämpfung D_MK2 und die Erhebung E durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MA2 und einer Dämpfung D_MA2 aus.
6 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts eines fünften Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1 im Dichtungsbereich.
Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist eine Oberseite der Erhebung E derart nach oben gewölbt ausgeführt, dass sich zwei Hohlräume H1, H2 zwischen der Erhebung E und der Vertiefung V ausbilden. Die Schulterbereiche der Erhebung E sind dabei kleiner ausgebildet als die Schulterbereiche der Vertiefung V.
Dabei zeichnet sich der Anodendichtabschnitt 2.1 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SA2 und einer Dämpfung D_SA2, der Kathodendichtabschnitt 2.2 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SK2 und einer Dämpfung D_SK2, die Vertiefung V durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MK2 und einer Dämpfung D_MK2 und die Erhebung E durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MA2 und einer Dämpfung D_MA2 aus.
In 7 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts eines sechsten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1 im Dichtungsbereich dargestellt.
Im Unterschied zu dem in 5 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel sind zusätzlich zur Wölbung der Oberseite der Erhebung E nach unten die Schulterbereiche der Erhebung E kleiner ausgebildet als die Schulterbereiche der Vertiefung V.
Dabei zeichnet sich der Anodendichtabschnitt 2.1 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SA2 und einer Dämpfung D_SA2, der Kathodendichtabschnitt 2.2 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SK2 und einer Dämpfung D_SK2, die Vertiefung V durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MK2 und einer Dämpfung D_MK2 und die Erhebung E durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MA2 und einer Dämpfung D_MA2 aus.
8 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts eines siebten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1 im Dichtungsbereich.
Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Stützform SF1 in dem Hohlraum H1 zwischen der Erhebung E und der Vertiefung V eingebracht, welche vor der Verschweißung der Anodenplatte 1.1 und Kathodenplatte 1.2 in dem Hohlraum H1 angeordnet wird und den Hohlraum H1 in zwei Bereiche unterteilt. Mittels der Stützform SF1 ist eine Dämpfung des Federvolumens des ersten Hohlraums H1 einstellbar und eine mechanische Abstützung der Vertiefung V realisierbar.
Dabei zeichnet sich der Anodendichtabschnitt 2.1 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SA2 und einer Dämpfung D_SA2, der Kathodendichtabschnitt 2.2 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SK2 und einer Dämpfung D_SK2, die Vertiefung V durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MK2 und einer Dämpfung D_MK2 und die Erhebung E durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MA2 und einer Dämpfung D_MA2 aus.
In 9 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts eines achten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1 im Dichtungsbereich dargestellt.
Im Unterschied zu dem in 8 dargestellten siebten Ausführungsbeispiel sind zwei Stützformen SF1, SF2 in dem Hohlraum H1 zwischen der Erhebung E und der Vertiefung V eingebracht, welche vor der Verschweißung der Anodenplatte 1.1 und Kathodenplatte 1.2 in dem Hohlraum H1 angeordnet wird und den Hohlraum H1 in drei Bereiche unterteilen. Ein dabei zwischen den beiden Stützformen SF1, SF2 ausgebildeter und anhand einer in der Kathodenplatte 1.2 angeordneten Öffnung O1 nach oben geöffneter Zwischenraum wird während der Erzeugung des Dichtelements 2 im Spritzgussverfahren mit dem Dichtungsmaterial vollständig ausgefüllt. Mittels der Stützformen SF1, SF2 und dem mit dem Dichtungsmaterial ausgefüllten Zwischenraum ist eine Dämpfung des Federvolumens des ersten Hohlraums H1 einstellbar und eine mechanische Abstützung der Vertiefung V realisierbar.
Dabei zeichnet sich der Anodendichtabschnitt 2.1 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SA2 und einer Dämpfung D_SA2, der Kathodendichtabschnitt 2.2 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SK2 und einer Dämpfung D_SK2, die Vertiefung V durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MK2 und einer Dämpfung D_MK2 und die Erhebung E durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MA2 und einer Dämpfung D_MA2 aus.
10 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts eines neunten Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1 im Dichtungsbereich.
Im Unterschied zu dem in 9 dargestellten achten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu den zwei Stützformen SF1, SF2 und der in der Kathodenplatte 1.2 angeordneten Öffnung O1 auch in der Anodenplatte 1.1 eine Öffnung O2 ausgebildet, so dass der nach oben und unten geöffnete Zwischenraum während der Erzeugung des Dichtelements 2 im Spritzgussverfahren mit dem Dichtungsmaterial vollständig ausgefüllt wird. Dadurch wird das Dichtelement 2 als ein einstückiges homogenes Formteil in dem Spritzgussverfahren hergestellt, woraus sich eine besonders hohe mechanische Stabilität und hohe Lagestabilität ergeben. Mittels der Stützformen SF1, SF2 und dem mit dem Dichtungsmaterial ausgefüllten Zwischenraum ist eine Dämpfung des Federvolumens des ersten Hohlraums H1 einstellbar und eine mechanische Abstützung der Vertiefung V realisierbar.
Dabei zeichnet sich der Anodendichtabschnitt 2.1 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SA2 und einer Dämpfung D_SA2, der Kathodendichtabschnitt 2.2 durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_SK2 und einer Dämpfung D_SK2, die Vertiefung V durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MK2 und einer Dämpfung D_MK2 und die Erhebung E durch ein Produkt eines Kompressionsmoduls C_MA2 und einer Dämpfung D_MA2 aus.
In 11 ist ein Querschnitt durch die Spritzgussvorrichtung 9 und das zweite Ausführungsbeispiel der Bipolarplatte 1 gemäß 3 dargestellt. Zur Erzeugung des Dichtelements 2 wird die mittels der Schweißnähte S1, S2 miteinander verbundene Einheit aus Anodenplatte 1.1 und Kathodenplatte 1.2 zwischen einem Obergesenk 9.1 und einem Untergesenk 9.2 der Spritzgussvorrichtung 9 angeordnet. Anschließend wird das Dichtungsmaterial durch in dem Obergesenk 9.1 und Untergesenk 9.2 angeordnete Injektionseinheiten 9.3 bis 9.6 eingespritzt.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
1.1: Anodenplatte
1.2: Kathodenplatte
2: Dichtelement
2.1: Anodendichtabschnitt
2.2: Kathodendichtabschnitt
3 bis 5: Einlass
6 bis 8: Auslass
9: Spritzgussvorrichtung
9.1: Obergesenk
9.2: Untergesenk
9.3 bis 9.6: Injektionseinheit
A: Auswölbung
C_MA1, C_MA2: Kompressionsmodul
C_MK1, C_MK2: Kompressionsmodul
C_SA1, C_SA2: Kompressionsmodul
C_SK1, C_SK2: Kompressionsmodul
D_MA1, D_MA2: Dämpfung
D_MK1, D_MK2: Dämpfung
D_SA1, D_SA2: Dämpfung
D_SK1, D_SK2: Dämpfung
E: Erhebung
H1, H2, H3: Hohlraum
M: Material
O1, O2: Öffnung
S1, S2: Schweißnaht
SF1, SF2: Stützform
V: Vertiefung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0023026 A1 [0004]
DE 102009012730 A1 [0005]

Claims

Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anodenplatte (1.1), eine Kathodenplatte (1.2) und zumindest ein Dichtelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass – die Anodenplatte (1.1) in einem Dichtungsbereich eine rinnenförmige Vertiefung (V) und – die Kathodenplatte (1.2) im Dichtungsbereich eine Erhebung (E) aufweist, oder – die Kathodenplatte (1.2) im Dichtungsbereich eine rinnenförmige Vertiefung (V) und – die Anodenplatte (1.1) im Dichtungsbereich eine Erhebung (E) aufweist, – wobei die Erhebung (E) derart in der Vertiefung (V) angeordnet ist, dass die Erhebung (E) und Vertiefung (V) gemeinsam ein Federelement bilden, – wobei das Dichtelement (2) in einem Spritzgussverfahren hergestellt ist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Erhebung (E) und der Vertiefung (V) zumindest ein Hohlraum (H1, H2, H3) ausgebildet ist.
Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zwischen der Erhebung (E) und der Vertiefung (V) ausgebildeter Hohlraum (H1, H2, H3) zumindest teilweise mit einem elastischen Material (M) ausgefüllt ist.
Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (2) einen auf einer der Anodenplatte (1.1) abgewandten Seite der Kathodenplatte (1.2) angeordneten Kathodendichtabschnitt (2.2) und einen auf einer der Kathodenplatte (1.2) abgewandten Seite der Anodenplatte (1.1) angeordneten Anodendichtabschnitt (2.1) umfasst.
Brennstoffzelle, umfassend zumindest eine Bipolarplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte (1) zumindest aus einer Anodenplatte (1.1), einer Kathodenplatte (1.2) und zumindest einem Dichtelement (2) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – in die Anodenplatte (1.1) in einem Dichtungsbereich eine rinnenförmige Vertiefung (V) und – in die Kathodenplatte (1.2) im Dichtungsbereich eine Erhebung (E) eingebracht wird, oder – in die Kathodenplatte (1.2) im Dichtungsbereich eine rinnenförmige Vertiefung (V) und – in die Anodenplatte (1.1) im Dichtungsbereich eine Erhebung (E) eingebracht wird, – wobei die Erhebung (E) derart in der Vertiefung (V) angeordnet wird, dass die Erhebung (E) und Vertiefung (V) gemeinsam ein Federelement bilden, – wobei das Dichtelement (2) in einem Spritzgussverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Erhebung (E) und der Vertiefung (V) zumindest ein Hohlraum (H1, H2, H3) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zwischen der Erhebung (E) und der Vertiefung (V) ausgebildeter Hohlraum (H1, H2, H3) mit einem elastischen Material (M) ausgefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Anodenplatte (1.1) und die Kathodenplatte (1.2) vor der Herstellung des Dichtelements (2) kraft-, stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Anodenplatte (1.1) abgewandten Seite der Kathodenplatte (1.2) ein Kathodendichtabschnitt (2.2) des Dichtelements (2) und auf einer der Kathodenplatte (1.2) abgewandten Seite der Anodenplatte (1.1) ein Anodendichtabschnitt (2.1) des Dichtelements (2) erzeugt werden.