DE102014205551A1

DE102014205551A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte mit Dichtung sowie Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102014205551A1
Application number: DE102014205551.2A
Authority: DE
Inventors: Emerson Gallagher
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte (10) ein Paar gegenüberliegender Platten umfasst und jede Platte eine Zellseite (13a) und eine Kühlseite (13b) aufweist, und das Verfahren die Schritte umfasst:
– Aufbringen eines Dichtmaterials (21a, 21b) auf die Zellseiten (13a) der Platten und auf die Kühlseite (13b) zumindest einer der Platten mittels eines formgebenden Werkzeugs und
– Zusammensetzen der Platten derart, dass ihre Kühlseiten (13b) einander zugewandt sind, unter Ausbildung einer dichtenden Verbindung (22) zwischen den Platten über das Dichtmaterial (21b) auf der Kühlseite (13b) der zumindest einen Platte.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst eine Bipolarplatte (10) umfassend ein Paar zusammengesetzter Platten, wobei jede Platte eine Zellseite (13a) und eine Kühlseite (13b) aufweist und die Kühlseiten (13b) einander zugewandt sind,
Es ist vorgesehen, dass zwischen den Kühlseiten (13b) der Platten eine dichtende Verbindung (22) aus einem Dichtmaterial (21b) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte ein Paar gegenüberliegender Platten umfasst und jede Platte eine Zellseite und eine Kühlseite aufweist. Ein weiterer Aspekt betrifft eine mit dem Verfahren herstellbare Bipolarplatte umfassend ein Paar zusammengesetzter Platten, wobei jede Platte eine Zellseite und eine Kühlseite aufweist und die Kühlseiten einander zugewandt sind.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte 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 bzw. Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionsschichten (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.
Die Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass auch von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten und den Bipolarplatten sind Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus der Brennstoffzelle verhindern.
Die Dichtungen können seitens der Membran-Elektroden-Einheiten oder der Bipolarplatten vorgesehen und insbesondere mit diesen Komponenten verbunden sein. Zudem können die Dichtungen auch in Form von Einlegedichtungen ausgeführt sein, ohne auf den Bipolarplatten oder den Membran-Elektroden-Einheiten befestigt worden zu sein.
Metallische Bipolarplatten von Brennstoffzellen bestehen gewöhnlicherweise aus zwei Einzelplatten (Hälften), welche durch Schweißen miteinander verbunden werden. Die DE 102011009805 A1 und die DE 102011117095 A1 beschreiben Bipolarplatten, auf welchen Polymerdichtungen aufgebracht und deren Einzelplatten mittels Schweißnähten miteinander verbunden sind.
Derzeit werden die Einzelplatten zunächst verschweißt und erst anschließend mit einer Dichtung versehen, da die Dichtung beim Schweißvorgang beschädigt werden kann. Andererseits können die Dichtungen auch auf den Membranen der Brennstoffzelle angebracht werden. Dabei limitiert die thermische und mechanische Festigkeit der Membran den Herstellungsprozess der Dichtung, was zu langen Prozesszeiten und hohen Ausschussraten führt. Um die Membran nicht zu schädigen, werden Betriebsparameter entsprechend moderat gewählt. Dies schränkt zum einen die Anzahl verwendeter Dichtungsmaterialien ein und führt zum anderen zu langen Prozesszeiten.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte und ein Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte bereitzustellen, durch welche Ausschusskosten und eine zur Fertigung einer Brennstoffzelle benötigte Zeit reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gelöst, wobei die Bipolarplatte ein Paar gegenüberliegender Platten umfasst und jede Platte eine Zellseite und eine Kühlseite aufweist. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die Schritte:

– Aufbringen eines Dichtmaterials auf die Zellseiten der Platten und auf die Kühlseite zumindest einer der Platten mittels eines formgebenden Werkzeugs, und
– Zusammensetzen der Platten derart, dass die Kühlseiten einander zugewandt sind unter Ausbildung einer dichtenden Verbindung zwischen den Platten über das Dichtmaterial auf der Kühlseite der zumindest einen Platte.

Vorteilhafterweise kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine lösbare dichtende Verbindung zwischen den Platten einer Bipolarplatte hergestellt werden, welche nicht auf Schweißen beruht. Dies führt vorteilhafterweise dazu, dass die Platten einer Bipolarplatte beim Aufbringen der Dichtung zwischen den Platten nicht mehr aufeinander gepresst werden müssen. Andere und bereits aufgebrachte Materialien, wie Dichtungsmaterialien der Zellseiten, werden nicht mehr durch einen Schweißprozess beschädigt. Dadurch entstehen deutlich mehr Freiräume bei der Gestaltung der Bipolarplatten. Beispielsweise können die Kühlseite und die Zellseite einer Platte der Bipolarplatte ein einheitliches Dichtungsprofil aufweisen. Da somit die Dichtungen auf Kühl- und Zellseite übereinander angeordnet sein können, entfällt die Notwendigkeit eines Plattenversatzes, was wiederum in einer reduzierten Grundfläche (Aufsicht) der Plattenanordnungen eines Bipolarplattenstapels und somit einem kleineren Stapel resultiert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verbindens zweier Platten einer Bipolarplatte liegt darin, dass eine eventuelle Materialschwächung infolge eines Schweißvorganges vermieden werden kann.
Bipolarplatten setzen sich grundsätzlich aus zwei gegenüberliegenden Platten zusammen. Die Platten besitzen eine Gruppierung aus Nuten und/oder Kanälen, die zellseitig offene Strömungsfelder zur Verteilung der Reaktanden über die Oberflächen der jeweiligen Elektrode, also Anode oder Kathode, und kühlseitenseitig ein geschlossenes Kanalsystem zur Verteilung von Kühlmittel über den Brennstoffzellenstapel bilden. Als Zellseite ist also die Seite der Platte eines Plattenpaares einer Bipolarplatte zu verstehen, welche im zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel einem Elektrodenraum, also einem Kathoden- oder Anodenraum, zugewandt ist. Im Allgemeinen schließt sich daher an die Zellseite einer Platte eine Gasdiffusionsschicht (GDL) an. Die Kühlseite einer Platte stellt die der Zellseite abgewandte Seite dar. Diese ist in der zusammengesetzten Bipolarplatte mit der Kühlseite einer anderen Platte verbunden und schließt einen Raum ein, welcher über Kühlmittelkanäle verfügt. Die Platten sind ihrerseits aus leitfähigen Materialien gefertigt. Grundsätzlich stehen dafür Graphit oder Metalle zur Verfügung. In vorliegender Erfindung sind die Platten eines Plattenpaares zur Herstellung einer Bipolarplatte vorzugsweise aus Metallen gefertigt.
Erfindungsgemäß wird die dichtende Verbindung der beiden Platten eines Plattenpaares der Bipolarplatte durch ein zuvor auf die Kühlseite zumindest einer der beiden Platten aufgebrachtes Dichtmaterial erreicht. Dieses Dichtmaterial kann beispielsweise durch Spritzguss oder Auftragen einer Raupe des Dichtmaterials, Siebdruck oder andere Verfahren auf die zumindest eine Kühlseite aufgebracht werden. Anschließend werden die beiden Platten derart zusammengesetzt, dass die Kühlseiten einander zugewandt sind. Nach dem Zusammensetzten stehen die beiden Platten zumindest über das Dichtmaterial miteinander in Kontakt. Es entsteht eine dichtende Verbindung über das Dichtmaterial, welche beispielsweise durch Druck auf die beiden Platten bzw. auf den zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel erhöht werden kann.
In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Aufbringen des Dichtmaterials auf die Zellseite und auf die Kühlseite der zumindest einen Platte in einem gemeinsamen Arbeitsschritt. Das heißt, beide Dichtungen werden in einem gemeinsamen Produktionsschritt unter den gleichen Bedingungen mit dem gleichen Verfahren durchgeführt. Das Aufbringen von Dichtmaterial auf beiden Plattenseiten in einem gemeinsamen Arbeitsschritt bringt den Vorteil von Kosten- und Zeitersparnis während der Produktion.
Ebenfalls eine Produktionskosten- und Produktionszeitersparnis kann erbracht werden, wenn das Aufbringen des Dichtmaterials auf das Paar von Platten in einem gemeinsamen Arbeitsschritt erfolgt. Dies bedeutet, dass zwei Platten eines Plattenpaares in einem gemeinsamen Arbeitsschritt simultan gefertigt werden. Insbesondere werden die Kühlseiten der beiden Platten gleichzeitig mit Dichtmaterial und die Zellseiten der Platten gleichzeitig mit Dichtmaterial versehen. Insbesondere bevorzugt ist, wenn das Dichtmaterial auf der Zellseite und der Kühlseite beider Seiten eines Plattenpaares gleichzeitig in einem gemeinsamen Arbeitsschritt erfolgt. Dabei können sowohl ein durchgehendes als auch zwei getrennte Werkzeuge verwendet werden. Beispielsweise kann ein Spritzgusswerkzeug, welches beide nebeneinander angeordnete Platten aufzunehmen vermag, verwendet werden, um das Dichtmaterial auf die Zellseiten beziehungsweise die Kühlseiten der beiden nebeneinander angeordneten Platten aufzubringen. Die vorgesehenen Spalten zwischen Platten und Spritzgusswerkzeug werden infolgedessen mit dem Dichtmaterial gefüllt und das Werkzeug im Anschluss entfernt.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Platten des Paares entlang jeweils einer Plattenkante einstückig miteinander verbunden sind, wobei die Zellseiten und die Kühlseiten der Platten jeweils auf derselben Seite angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die beiden Platten als Hälften einer Gesamtplatte ausgeführt. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in einer höheren Maßhaltigkeit der gefertigten Platten. Insbesondere weisen zwei Platten eines Plattenpaares der gleichen Bipolarplatte die gleichen herstellungs- und positionierungsbedingten Toleranzen bzw. Fehler auf. Die damit einhergehende größere Genauigkeit bringt wiederum mehr Gestaltungsfreiheit der aktiven Bereiche der Platten mit sich. Vorliegend soll unter einstückig verstanden werden, dass die Platten eines Plattenpaares aus demselben Materialstück gefertigt sind. Somit haben die beiden Platten eines Plattenpaares dieselben Arbeitsschritte in derselben Zeit durchlaufen.
In einer besonderen Ausgestaltung weist die Verbindung eine Materialschwächung auf. Diese Materialschwächung stellt eine definierte Sollbruch- bzw. Sollfaltstelle dar, welche es in vorteilhafterweise ermöglicht, an dieser zuvor definierten Stelle die beiden Platten des Plattenpaares gegeneinander zu falten. Aufgrund der Materialschwächung kommt es beim Falt- oder Bruchvorgang lediglich in dem definierten Bereich einer vorgesehenen Faltlinie zur Formveränderung des Materials. Die Form und Gestaltung der Einzelplatten hingegen wird nicht verändert. Die Materialschwächung kann in Form einer Perforation, oder einer Geraden dünnerer Materialstärke realisiert sein und durch Stanzen, Prägen oder Materialabtragung, beispielweise mit Laser oder einem chemischen Ätzvorgang, herbeigeführt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Zusammensetzten der Platten durch Falten im Bereich der Materialschwäche realisiert. Dies führt mit Vorteil zu einer Vereinfachung der Arbeitsschritte. Insbesondere können mehrere Arbeitsschritte, wie beispielsweise Ansaugen der Platte, Ausrichten der Platte über der anderen Platte und Zusammenfügen, in einem vereinfachten Arbeitsschritt zusammengefasst werden. Dies führt zu weniger Toleranzen bzw. Fehlern bei der Fertigung und damit zu mehr Freiheitsgraden in der Gestaltung der Struktur der Platten, insbesondere in den aktiven Bereichen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, umfassend ein Paar zusammengesetzter Platten, wobei jede Platte eine Zellseite und eine Kühlseite aufweist und die Kühlseiten einander zugewandt sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen den Kühlseiten der Platten eine dichtende Verbindung aus einem Dichtmaterial angeordnet ist. Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte zeigt vorteilhafterweise einen höheren Gestaltungsfreiraum im Bipolarplattendesign. Dabei ist sowohl die Struktur auf der Kühlseite als auch auf der Zellseite optimiert. Darüber hinaus führt die Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Bipolarplatten zu einem Schichtstapel, welcher eine reduzierte Grundfläche aufweisen kann. Dies ist dadurch möglich, dass die Dichtungen im Kühlseiten- und im Zellseitenbereich übereinander und insbesondere überschneidend angeordnet sein können und kein Versatz aufgrund der Herstellung nötig ist. Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte ist beispielsweise mit dem oben beschriebenen Verfahren herstellbar.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bipolarplatte keine die Platten miteinander verbindende Schweißnaht aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Verbindung der beiden Platten ohne Schweißnähte realisiert wird, was wiederum eine Reduktion der thermischen Masse der Bipolarplatte mit sich bringt. Zudem entsteht ein gleichmäßiges Wärmeleitprofil der einzelnen Platten, welches nicht durch Schweißnähte auf den Platten unterbrochen wird.
In einer anderen Ausführungsform sind die Platten über eine gemeinsame Kante einstückig miteinander verbunden. Diese gemeinsame Kante kann beispielsweise herstellungsbedingt sein. Das heißt, sie kann, wie oben dargelegt, durch Falten zweier einstückig miteinander verbundenen Platten des Plattenpaares zur Anordnung der Platten übereinander resultieren. Die Verbindung ist zum einen eine dichtende Verbindung auf der betreffenden Kante und zum anderen eine elektrische Leitung über die Verbindung von einer Platte zur anderen Platte.
Ferner ist bevorzugt, dass das Dichtmaterial auf der Zellseite und das Dichtmaterial auf der Kühlseite der gleichen Stoffklasse angehören. Dies ermöglicht das Aufbringen der Dichtung im selben Prozess. Ferner entstehen in vorteilhafter Weise homogene physikalische Eigenschaften beidseits der Platte. Das heißt, unter anderem sind die dichtenden Eigenschaften, die Stabilität bzw. Resistenz, an die äußeren Bedingungen während des Betriebs der Bipolarplatten, sowie die Anforderungen an einen äußeren Druck, um die dichtende Verbindung herzustellen, beidseits der Platten vergleichbar.
Das Dichtmaterial umfasst vorzugsweise Polymere. Bevorzugt sind Thermoplasten, Elastomere und/oder thermoplastische Elastomere, insbesondere Fluorkarbonkautschuke, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke sowie Silikonkautschuke. Geeignete Polymere haben sich bereits als Dichtmaterialien im Zellbereich von Bipolarplatten etabliert und sind somit dem Fachmann zugänglich.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung einzelner Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform,
3 eine schräge Aufsicht auf zwei Zellseiten eines Plattenpaares vor Aufbringen einer Dichtung,
4 eine schräge Aufsicht auf die Zellseiten des Plattenpaares aus 3 mit Dichtung,
5 eine schräge Aufsicht auf die Zellseiten des Plattenpaares aus 4 mit Durchsicht auf eine Kühlseite und
6 eine Querschnittansicht einer durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Bipolarplatte.
1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung einen solchen Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst zwei Endplatten 111, 112, zwischen denen eine Vielzahl übereinander gestapelter Stapelelemente angeordnet ist, welche Bipolarplatten 113 und Membran-Elektroden-Einheiten 114 umfassen. Die Bipolarplatten 113 sind mit den Membran-Elektroden-Einheiten 114 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 114 umfassen jeweils eine Membran und beidseitig der Membran anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode (nicht dargestellt). An der Membran anliegend können die Membran-Elektroden-Einheiten 114 zudem (ebenfalls nicht dargestellte) Gasdiffusionslagen aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 113 und Membran-Elektroden-Einheiten 114 sind jeweils Dichtungselemente 115 angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume gasdicht nach außen abdichten. Zwischen den Endplatten 111 und 112 ist der Brennstoffzellenstapel 100 mittels Zugelementen 116, z. B. Zugstangen oder Spannblechen, verpresst.
In 1 sind von den Bipolarplatten 113 und den Membran-Elektroden-Einheiten 114 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptseiten der Bipolarplatten 113 und der Membran-Elektroden-Einheiten 114 liegen aneinander an. Die Darstellung in 1 ist nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 113 und einer Membran-Elektroden-Einheit 114, wenige mm, insbesondere maximal 2 mm, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 114 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren in fünf Schritten. Schritt (I) zeigt zwei unterschiedliche Werkzeughälften 20 eines Werkzeugs, welche zellseitig und kühlmittelseitig an einem Plattenpaar 12 angeordnet sind. Das Plattenpaar 12 umfasst zwei gleichartige Platten 13 zur Ausbildung einer Bipolarplatte 10, welche durch eine Verbindung 14 über eine Kante einstückig miteinander verbunden sind. Die beiden Platten 13 des Plattenpaares 12 sind dabei aus einem Werkstück gefertigt und nicht getrennt. Vielmehr sind sie über die Verbindung 14 in Kontakt. Bei der Verbindung 14 handelt es sich um einen Bereich, welcher eine Materialschwächung aufweisen kann, die beispielsweise durch Materialabtrag (wie beispielsweise durch Ätzen oder Lasern), durch Stanzen, Perforation oder Prägung erzielbar ist. Die beiden Platten 13 können alternativ als nicht miteinander verbundene Platten ausgeführt und nebeneinander im Werkzeug angeordnet sein. Die Platten 13 weisen jeweils eine Zellseite 13a und eine Kühlseite 13b auf.
Bei dem Werkzeug 20 handelt es sich in der dargestellten Ausführungsform des Verfahrens um ein Spritzgusswerkzeug. Dieses weist im Kontaktbereich zwischen Platte 13 und Werkzeug 20 eine definierte Struktur auf, die im zusammengesetzten Zustand zu der Ausbildung von Formräumen 20a führt.
In einem zweiten Verfahrensschritt (II) werden die Werkzeughälften 20 mit dem Plattenpaar 12 in Kontakt gebracht, sodass eine temporäre, dichte Verbindung zwischen den Platten 13 und der jeweiligen Werkzeughälfte 20 entsteht. Im Folgenden wird in die Formräume 20a des formgebenden Werkzeugs 20 ein Dichtmaterial 21 in schmelzflüssigem Zustand eingebracht. Dieses Dichtmaterial 21 verteilt sich infolgedessen in der vorgegebenen Struktur 20a des Werkzeugs auf den Platten 13 des Plattenpaares 12. Bei dem Dichtmaterial 21 handelt es sich vorzugsweise um ein Polymer, insbesondere einen Thermoplasten, ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer, welches im ausgehärteten Zustand weiterhin duktile Eigenschaft aufweist. Grundsätzlich sind alle Materialien einsetzbar, welche dem Fachmann bereits zur Dichtung der Zellseite 13a von Bipolarplatten 10 zugänglich sind. Eine Besonderheit des vorliegend beschriebenen Verfahrens ist die, dass das Dichtmaterial 21 nicht ausschließlich auf eine Seite des Plattenpaares 12 aufgebracht wird, sondern ein formgebendes Werkzeug 20 sowohl auf der Zellseite 13a als auch auf der Kühlmittelseite 13b angeordnet wird. Das Dichtmaterial 21 wird somit auf der Zellseite 13a des Plattenpaares 12 und auf zumindest einer der Platten 13 des Plattenpaares 12 auch auf der Kühlseite 13b aufgebracht.
Nach einem Aushärten des Dichtmaterials 21 wird in einem weiteren Verfahrensschritt (III) das Werkzeug 20 von dem Plattenpaar 12 entfernt. Das Dichtmaterial 21 bleibt auf den Zellseiten 13a beider Platten 13, sowie auf der Kühlseite 13b zumindest einer der Platten 13, zurück. In einem anschließenden Verfahrensschritt (IV) werden die Platten 13 des Plattenpaares 12 derart übereinander angeordnet, dass die Kühlseiten 13b der Platten 13 einander zugewandt sind. Im vorliegenden Beispiel werden dabei die Platten 13 deckungsgleich aufeinander gebracht. Die dargestellte Ausführungsform ermöglicht aufgrund der Verbindung 14 zwischen den beiden Platten 13 ein Falten der Platten 13 über die verbundene Kante. Die beiden Platten 13 werden nach dem Positionieren übereinander derart in Kontakt gebracht, dass das Dichtmaterial 21 auf der Kühlseite 13b einer der Platten mit der Kühlseite 13b der anderen Platte 13 in Kontakt kommt. Ist in einer anderen Ausgestaltung auf die Kühlseite 13b beider Platten Dichtmaterial 21 aufgebracht worden, so kann das Dichtmaterial jeweils entweder mit der zugewandten Platte in Kontakt stehen oder aber mit dem Dichtmaterial der zugewandten Platte 13. In jedem Fall entsteht über das Dichtmaterial 21 eine dichtende Verbindung 22. Die angeordneten und über ein Dichtmaterial 21 miteinander verbundenen Platten 13 stellen in ihrer Gesamtheit eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 dar. Diese erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 zeichnet sich in dargestellter Ausführungsform zum einen dadurch aus, dass das Dichtmaterial 21 zwischen den beiden Platten 13 eines Plattenpaares 12 der Bipolarplatte das gleiche Material darstellt wie das Dichtmaterial 21 auf der Zellseite 13a der beiden Platten. Zum anderen sind in dargestellter Ausführungsform die beiden Platten 13 eines Plattenpaares 12 über die Verbindung 14 auch nach dem übereinander Anordnen und Zusammenbringen der Platten 13 lösbar miteinander verbunden.
Das dargestellte erfindungsgemäße Verfahren dient dazu, die Zellseiten 13a und zumindest eine Kühlseite 13b von Platten 13 eines Plattenpaares 12 in einem gemeinsamen Arbeitsschritt, beispielsweise mittels Spritzgussverfahrens, simultan oder zeitlich versetzt, mit einer Dichtung eines chemisch und physikalisch sehr ähnlichen oder gleichen Dichtmaterials 21 auszurüsten.
Um die Platten, wie in 2 gezeigt, mittels Falten übereinander anzuordnen, ist es vorteilhaft, dass die durch Materialschwächung definierte Verbindung 14 faltbar ausgestaltet ist. 3 zeigt eine Ausgestaltung eines Plattenpaares 12 vor dem Aufbringen von Dichtungen. Das Plattenpaar 12 umfasst zwei Platten 13, nämlich eine Anoden- und eine Kathodenplatte, die über eine Verbindung 14 entlang einer langen Kante der Platten 13 miteinander verbunden sind. Die Darstellung in 3 zeigt eine schräge Aufsicht auf die nebeneinander angeordneten Zellseiten 13a der Platten 13. Die Platten 13 sind aus Metall gefertigt und zeigen beidseitig eine profilierte Struktur. Diese unterteilt sich, wie auf der Zellseite 13a sichtbar, in einen aktiven Bereich 17 und einen Versorgungsbereich 18. Der aktive Bereich zeichnet sich insbesondere durch ein Flussfeld aus, welches es ermöglicht, die jeweiligen Reaktanden an den Ort der Reaktion, also an die Elektrode zu transportieren. Die Reaktanden selbst sowie das Produktwasser werden über Versorgungsöffnungen 15 in beziehungsweise aus dem Flussfeld geleitet. Ebenfalls über eine der Versorgungsöffnungen 15 kann Kühlmittel zur nicht dargestellten Kühlseite 13b transportiert werden.
4 zeigt das Plattenpaar 12 aus 3 nach Aufbringen der Dichtungen. Erkennbar ist auf der hier sichtbaren Zellseite 13a eine Zelldichtung 21a angeordnet, die umlaufende Dichtungen um die aktiven Bereiche sowie die Versorgungsöffnungen 15 beider Platten 13 umfasst. Alternativ kann die Zelldichtung den aktiven Bereich gemeinsam mit den Versorgungsöffnungen für die Reaktandengase umlaufen, wobei die dritte Versorgungsöffnung für Kühlmittel separat abgedichtet wird. Gleichzeitig ist eine Kühlmanteldichtung 21b auf zumindest eine der Kühlseiten 13b des Plattenpaares 12 aufgebracht. Zur Veranschaulichung ist in 5 ein Ausschnitt einer Zellseite 13a einer der Platten 13 des Plattenpaares 12 lediglich bis zur Hälfte dargestellt und dann unterbrochen, sodass im unterbrochenen Bereich ein Teil der Kühlseite 13b der Platte 13 dargestellt ist. Somit wird auch eine Kühlmanteldichtung 21b der Kühlseite 13b dieser Platte 13 sichtbar.
Die Dichtungen 21 sind beidseitig jeweils um den gesamten Umfang der Platten 13 angeordnet und verhindern bei der Anordnung zu einem Brennstoffzellenstapel eine Leckage der Reaktanden und des Kühlmittels aus dem jeweiligen Elektroden- bzw. Kühlmittelbereich sowie eine Leckage in benachbarte Versorgungsschächte der Bipolarplatte 10 bzw. des Bipolarplattenstapels.
6 zeigt eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 in einer Querschnittszeichnung während und nach dem Faltprozess. Gezeigt ist der aktive Bereich der Zellseite 13a und der Kühlseiten 13b. Eine erste Teilzeichnung zeigt das über die einstückige Verbindung 14 miteinander verbundene Plattenpaar 12 während des Faltvorgangs. Die Kühlseiten 13b der einzelnen Platten 13 sind dabei einander zugewandt. Dieser ist durch ein Profil der Platten 13 ausgebildet. Sowohl auf der Zellseite 13a als auch auf der Kühlseite 13b der hier dargestellten Platte 13 ist ein Dichtmaterial 21 aufgebracht, welches auf der Zellseite 13a die Zelldichtung 21a und auf der Kühlseite 13b die Kühldichtung 21b ergibt. Nach dem Falten stehen die Platten 13 derart miteinander in Kontakt, dass eine dichtende Verbindung zum einen durch die Kühldichtung 21b entsteht und zum anderen durch die einander kontaktierenden Stege 16a der Kühlmittelkanäle 16, wie in der unteren Teildarstellung (II) der 6 gezeigt, ausgebildet werden. In der erfindungsgemäß hergestellten Bipolarplatte 10 kann innerhalb der Kühlmittelkanäle 16 Kühlmittel zur Kühlung der Elektrodenräume fließen, während in den auf der Zellseite 13a im Bereich der Stege 16a entstehenden Vertiefungen die Reaktanden transportiert werden. Durch die Zelldichtung 21a, welche im Brennstoffzellenstapel die Bipolarplatte 10 gegen eine angrenzende Membran-Elektroden-Einheit abdichtet, werden die Reaktanden auf der Zellseite im aktiven Bereich gehalten, während die Kühldichtung 21b die Kühlmittelkanäle nach außen abdichtet.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellenstapel
111: erste Endplatte
112: zweite Endplatte
113: Bipolarplatte
114: Membran-Elektroden-Einheit
115: Dichtungselement
116: Spannelement
10: Bipolarplatte
12: Paar von Platten
13: Platte
13a: Zellseite
13b: Kühlseite
14: Verbindung
15: Versorgungsöffnung
16: Kühlmittelkanal
16a: Steg
17: aktiver Bereich
18: Versorgungsbereich
20: Werkzeughälfte
20a: Formraum
21: Dichtmaterial
21a: Kühlmanteldichtung
21b: Zelldichtung
22: dichtende Verbindung

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 102011009805 A1 [0006]
DE 102011117095 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte (10) ein Paar (12) gegenüberliegender Platten (13) umfasst und jede Platte (13) eine Zellseite (13a) und eine Kühlseite (13b) aufweist, und das Verfahren die Schritte umfasst: – Aufbringen eines Dichtmaterials (21) auf die Zellseiten (13a) der Platten (13) und auf die Kühlseite (13b) zumindest einer der Platten (13) mittels eines formgebenden Werkzeugs (20) und – Zusammensetzen der Platten (13) derart, dass ihre Kühlseiten (13b) einander zugewandt sind, unter Ausbildung einer dichtenden Verbindung (22) zwischen den Platten (13) über das Dichtmaterial (21) auf der Kühlseite (13b) der zumindest einen Platte (13).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Dichtmaterials (21) auf die Zellseite (13a) und auf die Kühlseite (13b) der zumindest einen Platte (13) in einem gemeinsamen Arbeitsschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Dichtmaterials (21) auf das Paar (12) von Platten (13) in einem gemeinsamen Arbeitsschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (13) des Paares (12) entlang jeweils einer Plattenkante einstückig miteinander verbunden sind, wobei die Zellseiten (13a) und die Kühlseiten (13b) der Platten (13) jeweils auf derselben Seite angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (14) eine Materialschwächung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammensetzen der Platten (13) durch Falten an der Verbindung (14) realisiert wird.
Bipolarplatte (10) umfassend ein Paar (12) zusammengesetzter Platten (13), wobei jede Platte (13) eine Zellseite (13a) und eine Kühlseite (13b) aufweist und die Kühlseiten (13b) einander zugewandt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kühlseiten (13b) der Platten (13) eine dichtende Verbindung (22) aus einem Dichtmaterial (21) angeordnet ist.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) keine die Platten (13) miteinander verbindende Schweißnaht aufweist.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (13) über eine gemeinsame Kante einstückig miteinander verbunden sind.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial (21) im Zellbereich (13a) und das Dichtmaterial (21) im Flussbereich (13b) der gleichen Stoffklasse angehören.