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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer Separatorplatte nach der im Oberbegriff von Anspruch 4 näher definierten Art.
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Separatorplatten, welche alleine oder als Kombination aus typischerweise zwei Hälften eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel ausbilden, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Ein typisches Herstellungsverfahren wird beispielhaft in der
EP 1 947 722 B1 beschrieben. Das dortige Verfahren beschreibt, dass ein Gemisch aus einem kohlenstoffhaltigen Pulver zusammen mit einem Harz oder einem Kunststoff eingesetzt wird, um die Separatorplatte herzustellen. Dies erfolgt typischerweise in einer Form bzw. einem Gesenk, beispielsweise durch Formpressen oder Spritzgießen. Der so entstandene Rohling der Separatorplatte wird dann in dem Gesenk thermisch gehärtet. Im Anschluss wird der Rohling dann typischerweise entformt und dann einer thermischen Nachbehandlung unterzogen, um das thermisch aushärtende Harz vollständig durchzuhärten. Dies kann beispielsweise in einem Durchlaufofen oder in einem stationären Ofen erfolgen, wobei hier die Taktzeiten je einzelner Separatorplatte durch das gleichzeitige thermische Behandeln einer Vielzahl von Platten entsprechend reduziert werden können.
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Alles in allem ist dabei insbesondere das Pressen und thermische Aushärten der Separatorplatte in dem Gesenk relativ zeitintensiv, da die Separatorplatte typischerweise erst nach ein bis zwei Minuten eine ausreichende Härte aufweist, um diese im weiteren Herstellungsverfahren handhaben zu können.
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Die
DE 10 2016 015 318 A1 beschreibt eine Art Lackfolientechnik, bei welcher ein Material zum Herstellen einer Separatorplatte auf einem Trägermaterial, hier beispielsweise einer Folie, aufgebracht ist. Dabei kann ein UV-härtendes Harz eingesetzt werden. Über UV-Strahlung oder Wärme kann das Material dabei vorgehärtet werden, sodass es geliert und über ein Prägen oder Stempeln die notwendigen feinen Strukturen zur Verteilung von Gasen und/oder Kühlmedium in die Separatorplatte eingebracht werden können, bevor diese dann weiter aushärtet.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung einer Separatorplatte anzugeben, welche den im eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Prozess hinsichtlich der benötigten Prozesszeiten verkürzt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens und/oder der Vorrichtung ergeben sich dabei aus den vom Verfahrensanspruch 1 bzw. dem Vorrichtungsanspruch 4 abhängigen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel. Ähnlich wie bei den Verfahren gemäß dem oben genannten Stand der Technik wird ein Gemisch aus einem Harz und kohlenstoffhaltigem Pulver oder Kohlenstoffpulver genutzt. Das Harz ist dabei ein über UV-Strahlung aushärtbares Harz. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun so, dass das Gemisch in einem zumindest für UV-Strahlung zumindest teilweise, also in Teilen des Aufbaus, transparenten Gesenk unter Druck geformt wird. An die Stelle eines thermischen Aushärtens des eingesetzten Harzes tritt nun ein Aushärten über UV-Strahlung in dem ganz oder zumindest in Teilbereichen für UV-Strahlung transparenten Gesenk. Dies ermöglicht im Gegensatz zu einer thermischen Aushärtung der Separatorplatte eine außerordentlich schnelle Aushärtung, welche in wenigen zehn Sekunden und typischerweise unter einer Minute abgeschlossen ist und damit deutliche Zeitvorteile gegenüber einer thermischen Aushärtung bietet. Die Separatorplatte ist dann sofort handhabbar und einsatzbereit. Sie kann beispielsweise einzeln oder auch mit anderen Elementen, wie beispielsweise einer zweiten Separatorplatte, verklebt in einem Brennstoffzellenstapel als Bipolarplatte eingesetzt werden.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass die Separatorplatte nach der Aushärtung durch die UV-Strahlung einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Diese optionale Wärmebehandlung kann beispielsweise genutzt werden, um die Oberflächenqualität und die Oberflächeneigenschaften der über UV-Strahlung ausgehärteten Separatorplatte noch weiter auszuhärten, seine Eigenschaften zu beeinflussen und/oder zu verbessern.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieses optionalen Einsatzes einer nachfolgenden Wärmebehandlung kann es vorgesehen sein, dass diese außerhalb des Gesenks erfolgt, um so Prozesszeit einzusparen. Die Wärmebehandlung kann beispielsweise für größere Chargen von über UV-Strahlung ausgehärteten Separatorplatten in einem Ofen oder auch für die Separatorplatten einzeln nacheinander in einem Durchlaufofen erfolgen. Hierdurch wird eine auf jede einzelne Separatorplatte bezogene relativ kurze Taktzeit ermöglicht.
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Insgesamt kann so durch die sehr schnelle Aushärtung des Harzes über die UV-Strahlung und die optionale Wärmebehandlung außerhalb des Gesenks eine deutliche Verbesserung in der für die Herstellung der Separatorplatte benötigten Zeit, gegenüber den Verfahren gemäß dem Stand der Technik, erzielt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel umfasst ein mit Druck beaufschlagbares Gesenk, welches zumindest aus zwei oder mehr Teilen besteht, und welches eine Negativform der Separatorplatte abbildet. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass zumindest eines der Teile dieses Gesenks ganz oder teilweise aus einem für UV-Strahlung transparenten Material ausgebildet ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Gesenk also zumindest abschnittsweise für UV-Strahlung durchlässig, sodass, beispielsweise gemäß des oben beschriebenen Verfahrens, ein Aushärten eines Gemischs mit einem UV-härtbaren Harz innerhalb des Gesenks effizient erfolgen kann.
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Anstelle eines für UV-Strahlung transparenten Fensters innerhalb des Gesenks kann es gemäß einer außerordentlich günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass das gesamte Gesenk aus einem für UV-Strahlung transparenten Material ausgebildet ist. Dieser Aufbau ermöglicht eine Aushärtung innerhalb des Gesenks durch Beaufschlagung mit UV-Strahlung von allen Seiten und ermöglicht so ein homogenes Härten des Materials im Bereich der gesamten Oberfläche der herzustellenden Separatorplatte. Dies erlaubt eine sehr homogene Qualität der über die erfindungsgemäße Vorrichtung in dieser Ausgestaltungsform hergestellten Separatorplatte.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dabei vorsehen, dass das Gesenk selbst oder zumindest der oder die für UV-Strahlung transparenten Teile des Gesenks aus einem für UV-Strahlung transparenten Plastik oder Glas ausgebildet sind. Ein solches Material, welches mit ausreichender Härte und Widerstandsfähigkeit am Markt verfügbar ist, ermöglicht so die Herstellung einer Vielzahl von Separatorplatten in dem einen beispielsweise aus einem harten transparenten Kunststoff oder auch aus einem Glasmaterial hergestellten Gesenk.
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Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dabei ferner vorsehen, dass zumindest ein Teil des Gesenks UV-Lichtquellen aufweist. Diese UV-Lichtquellen, welche insbesondere in Form von Licht emittierenden Dioden (LED) ausgebildet sein können, sind also Teil der Vorrichtung selbst, sodass die für das Aushärten des Harzes benötigte UV-Strahlung in der Vorrichtung selbst erzeugt werden kann und nicht in einem entsprechenden Raum, in welchem das Gesenk sich befindet, erzeugt werden muss.
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Besonders günstig ist es dabei, wenn die UV-Lichtquellen gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens stirnseitig und/oder flächig an den der Separatorplatte abgewandten Seiten des Gesenks angeordnet oder besonders bevorzugt in dieses integriert ausgebildet sind. Die UV-Lichtquellen, beispielsweise UV-LEDs, welche vorzugsweise eine UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 100 bis 400 nm abstrahlen, können also insbesondere in das Gesenk oder in Teile des Gesenks integriert ausgebildet sein. So kann das auszuhärtende Material des Gemischs aus einem UV-härtbarem Harz und Kohlenstoffpulver, wie es gemäß des oben beschriebenen Verfahrens eingesetzt werden kann, flächig und gleichmäßig auszuhärten. Je nach Anordnung der UV-Lichtquellen in dem Gesenk kann dabei eine direkte Bestrahlung des auszuhärtenden Gemischs mit der UV-Strahlung erfolgen oder diese kann durch eine Totalreflektion, in der Art eines Lichtleiters, innerhalb des vorzugsweise insgesamt aus transparentem Material ausgebildeten Gesenks. weiterverteilt werden, um das Gesenk möglichst gleichmäßig mit der UV-Strahlung auszuleuchten und damit für eine gleichmäßige, intensive und homogene Bestrahlung des in dem Gesenk in Form gepressten Gemischs zu sorgen. Optional kann das Gesenk gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung auch ganz oder teilweise mit einer UV-reflektierenden Beschichtung versehen sein. Die homogene Verteilung der UV-Strahlung lässt sich damit nochmals weiter verbessern.
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Die so hergestellte Separatorplatte lässt sich dann, wie es oben bei der Beschreibung des Verfahrens bereits erwähnt worden ist, nach dem Entformen aus dem Gesenk der erfindungsgemäßen Vorrichtung direkt oder nach einer optionalen Wärmebehandlung für den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels nutzen. Ein solcher Brennstoffzellenstapel kann insbesondere ein Brennstoffzellenstapel mit Einzelzellen in PEM-Technologie sein, welcher beispielsweise für stationäre Anwendungen oder insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Ablaufs zur Herstellung einer Separatorplatte in einer ersten möglichen Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs zur Herstellung einer Separatorplatte in einer zweiten möglichen Ausführungsform;
- 3 eine erste Ausführungsform eines Gesenks der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 4 eine zweite mögliche Ausführungsform des Gesenks der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist ein erster Ablauf zur Herstellung einer Separatorplatte 1 aufgezeigt. Über ein sogenanntes Formpressen wird die Separatorplatte 1 aus einem Gemisch 2 in einer Form bzw. der Kavität eines Gesenks 3 hergestellt. Das Gemisch 2 besteht dabei aus einem mit UV-Strahlung aushärtbaren Harz und einem kohlenstoffhaltigen Pulver bzw. Kohlenstoffpulver. Dieses Gemisch 2 wird in eine Negativform zwischen zwei Hälften 4, 5 des Gesenks 3 eingebracht. Das Gesenk 3 wird dann geschlossen und entsprechend der mit 6 bezeichneten Pfeile mit Druck beaufschlagt. Das Gesenk 3 selbst ist beispielsweise aus einem harten für UV-Strahlung transparenten Plastik oder aus einem für UV-Strahlung transparenten Glas hergestellt. Über UV-Lichtquellen 7, welche hier rein beispielhaft oberhalb und unterhalb des Gesenks 3 angedeutet sind, wird dann das Harz in dem Gemisch 2 ausgehärtet, um so die Separatorplatte 1 herzustellen. Dieses Aushärten benötigt dabei eine im Vergleich zu einem thermischen Aushärten sehr viel kürzere Zeitspanne. Typischerweise ist weniger als eine Minute ausreichend, insbesondere reichen einige 10 Sekunden zum Aushärten des Harzes in dem Gemisch 2 aus. Im nächsten Schritt ist die Separatorplatte 1 dann als endgültiges Bauteil verfügbar, sodass diese unmittelbar nach dem Entformen aus dem Gesenk 3 fertiggestellt ist.
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In der Darstellung der 2 ist eine alternative Herstellungsvariante gezeigt. Um die Oberflächenqualität und die Endhärte des Materials der Separatorplatte 1 nochmals zu verbessern, kann nach dem Entformen der Separatorplatte 1 aus dem Gesenk 3 eine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Diese optionale Wärmebehandlung kann beispielsweise, wie es hier dargestellt ist, in einem Ofen 8 erfolgen, in welchem eine Vielzahl von UV-ausgehärteten Separatorplatten 1 thermisch nachbehandelt wird, um so trotz der relativ langen Zeitspanne für eine solche Nachbehandlung die benötigte Prozesszeit je einzelner Separatorplatte 1 entsprechend kurz zu halten. Anders als bei einer thermischen Nachbehandlung der innerhalb mehrerer Minuten in dem Gesenk thermisch ausgehärteten Separatorplatte 1, wie sie bisher hergestellt worden ist, kann die Zeitspanne für die thermische Nachbehandlung bei einer UV-ausgehärteten Separatorplatte nochmals verkürzt werden. Im Beispiel der 2 ist dabei das Gesenk 3 nur teilweise aus einem für die UV-Strahlung durchlässigen Material ausgebildet. Die Ränder der beiden Teile 4, 5 des Gesenks 3 sein in herkömmlicher Art aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet, was hier durch die Schraffierungen angedeutet ist. Ein solches Gesenk 3 wäre selbstverständlich auch beim Ablauf gemäß 1 einzusetzen und umgekehrt.
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In der Darstellung der 3 ist ein erstes denkbares Gesenk 3 dargestellt. Seine beiden Hälften 4, 5 bilden eine Negativform der späteren Separatorplatte 1 ab. In diese Negativform kann das Gemisch 2 eingebracht und durch Formpressen in alle Bereiche der Negativform gedrückt werden, um so die Separatorplatte 1 zu bilden. In die beiden Teile 4, 5 sind, jeweils flächig gegenüber der der Negativform zugewandten Oberfläche der jeweiligen Teile 4, 5 des Gesenks 3, UV-Lichtquellen 7 in Form von UV-LEDs angebracht. Diese sorgen für eine gleichmäßige flächige Bestrahlung des Gemischs 2 mit der UV-Strahlung, um so die Separatorplatte 1 homogen und schnell innerhalb des Gesenks 3 auszuhärten.
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In der Darstellung der 4 ist ein vergleichbarer Aufbau eines alternativen Gesenks 3 dargestellt. Bei diesem sind die einzelnen UV-Lichtquellen, auch hier wieder in Form von UV-LEDs oder entsprechenden Feldern von UV-LEDs, im Bereich der Stirnseiten der Hälften 4, 5 des Gesenks 3 angeordnet. Über die in der Darstellung der 4 eingezeichnete interne Totalreflektion der UV-Strahlung an den inneren Oberflächen des Gesenks 3 ist auch bei dieser Anordnung eine gleichmäßige und homogene Bestrahlung der gesamten Oberfläche des Gemischs 2 in der Negativform des Gesenks 3 möglich, um so dieses Gemisch 2 zu der Separatorplatte 1 auszuhärten. Optional kann das Gesenk 3 auch ganz oder teilweise mit einer UV-reflektierenden Beschichtung 9 versehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1947722 B1 [0002]
- DE 102016015318 A1 [0004]
