DE102021214703A1

DE102021214703A1 - Verfahren zum Verbinden von Bipolarplatten für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102021214703A1
Application number: DE102021214703.8A
Authority: DE
Inventors: Kay Hälsig; Kay Rockstroh; Ferdinand Löbbering; Andreas Lukasch; Frank Dietrich
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023117963A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bipolarplattenhalbschalen durch eine Klebeverbindung. Der Klebstoff wird durch ein Sprühverfahren, Siebdruck, Jet-print oder mittels Bedampfung flächig oder punktförmig aufgetragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bipolarplatten für Brennstoffzellen
Brennstoffzellen, bestehen üblicherweise aus zu Stapeln angeordneten Bipolarplatten, in welchen die meist gasförmigen Reaktionsmedien und Kühlmedien durch Kanalstrukturen geführt werden. Die Bipolarplatten selbst sind wiederum aus zwei Bipolarplattenhalbschalen zusammengesetzt. Um eine Abdichtung der verschiedenen Medien gegeneinander zu gewährleisten müssen benachbarte Bipolarplatten und Bipoarplattenhalbschalen gasdicht und an vielen Stellen auch elektrisch leitfähig miteinander verbunden werden.
Aktuell werden Bipolarplattenhalbschalen mittels Schweißen, vorzugsweise Laserschweißen gefügt. Damit werden in erster Linie drei Aufgaben erfüllt: eine stoffschlüssige Verbindung, Dichtheit und Trennung gegenüber den Reaktionsmedien sowie eine gute elektrische Leitfähigkeit der Verbindung und eine Reduzierung des Übergangswiderstandes zwischen Plattenhälften durch zusätzliche Heftschweißungen im Flussfeld. Laserschweißen in Randbereich und im Flußfeldbereich der Bipoarplatten zum Fügen der zwei Bipolarhalbplattenschalen ermöglicht eine gesicherte großflächige Kontaktierung zwischen den zwei Halbschalen
Aufgrund der Fügemethoden und Fertigungsprozesstoleranzen der einzelnen Bipolarplattenhalbschalen können jedoch Unebenheiten entstehen, die eines saubere Kontaktierung zwischen den beiden Bipolarplattenhalbschalen verhindern. Darüber hinaus müssen die Bipolarplattenhalbschalen beim Laserschweißen mit hoher Genauigkeit zusammengepresst werden, damit es im Laserprozess zu einer stoffschlüssigen Verbindung kommt. Andernfalls kann an dieser Stelle und in der näheren Umgebung ein Spalt entstehen, der keinen Strom übertragen kann. Dabei muss der Strom über andere Kontaktstellen fließen, wobei es zu einer unerwünschten Temperaturerhöhung (Hot Spots) kommen kann (Prinzip Flaschenhals) Der Schweißprozess stellt somit hohe Anforderungen an die Fügestelle (z.B. Spaltffreiheit) daher müssen alle Bauteilungenauigkeiten in aufwändigen Vorrichtungen kompensiert werden.
Weitere Nachteile beim Laserschweißen sind ein möglicher Verzug der Bipolarplattenhalbschalen aufgrund des Wärmeeintrags beim Schweißen und die Gefahr einer Zerstörung einer Beschichtung auf den Platten.
Zudem muss beim Fügen zweier Bipoarhalbplattenschalen eine gesicherte Positionierung erfolgen, damit bei Folgeprozessen keine Verschiebung der Bipoarplattenhalbschalen zueinander erfolgt. Aufgrund der Fügemethode und deren Folgeprozessen werden die Bipolarplattenhalbschalen mittels Anschlagpunkten oder genauer Werkstückaufnahmen exakt positioniert und mit Werkzeugen in Position gehalten. Danach werden die Bipolarplattenhalbschalen mittels Schweißverfahren stoffschlüssig verbunden. In einem Folgeprozess, dem Stapeln der Bipolarplatten sind ebenso hochgenaue Aufnahmen zur exakten Positionierung der Bipolarhalbplatten erforderlich.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein verzugsarmes alternativen Fügeverfahren anzugeben, welches die oben beschriebenen Probleme weitgehend reduziert. Das Fügeverfahren soll eine zuverlässige, leitfähige und möglichst spaltfreie Verbindung der Bipolarhalblatten unter geringem Materialeinsatz ermöglichen, um eine sichere und robuste Kontaktierung zu gewährleisten. Darüber hinaus wird eine kostengünstige Positionierung und korrosionsbeständige Verbindung de Bipolarplattenhalbschalen angestrebt, um eine Verschiebung der Bipoarplatten in Folgeprozessen zu verhindern
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung sieht vor, zwei Bipolarplattenhalbschalen mittels Kleber miteinander zu verbinden.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsvarianten näher erläutert werden.
Es zeigen schematisch:

1: ein Auftragen von Leitkleber durch ein Sprühverfahren gemäß einer ersten vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2: den Verfahrensschritt des Verpressens zweier Bipolarplattenhalbschalen in einem weiteren Verfahrensschritt;
3: das Auftragen von Leitkleberpunkten in Positioniervertiefungen gemäß einer zweiten vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4: zwei mittels Klebepunkten verbundene Bipolarplattenhalbschalen mit Poistioniervertiefungen gemäß der zweiten Ausführungsvariante;
5: Leitkleberpunkte auf einer Bipolarplattenhalbschale zur Bildung von einer durchgehenden Kleberspur und Einzelklebepunkten im Flussfeld gemäß einer dritten Ausführungsvariante; und
6: eine weitere alternative Ausführungsvariante, des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher Leitkleber durch Vibration aus einem Leitkleberbad aufgetragen wird.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Leitkleber über gesamte Bipolarplattenhalbschale inklusive der Kanäle aufgesprüht. Großflächiges Aufsprühen von Leitkleber im µm Bereich ermöglicht eine sichere Kontaktierung nach einem gleichmäßigen Verpressen (2) der beiden Bipoarplattenhalbschalen. Zusätzlich kann, falls gewünscht oder notwendig, an definierten Stellen lasergeschweisst werden um noch zusätzlich eine rein metallstoffschlüssige Verbindung zu erhalten.
Das flächige Aufsprühen von Leitkleber und anschließende Verpressen ermöglicht eine sichere und robuste Kontaktierung. Gegenüber dem bekannten Verfahren mittels Laserschweissen können Schweißnähte können in großer Zahl entfallen. Durch großflächiges Aufsprühen des Leitklebers im µm Bereich kann die Taktzeit im Herstellungsprozess reduziert werden. Komplexe Spannprozesse für das Laserschweißen können entfallen oder reduzierter Anzahl ausgeführt werden. Dies kann zu einer Reduzierung von Kosten führen.
3 zeigt das Auftragen von Klebepunkten mittels jet-print Verfahren. Die Bipolarplattenhalbschalen bekommen an ganz gezielten Stellen eine konstruierte Vertiefung, die es erlaubt, hier einen Klebepunkt mittels JetPrint oder ähnlichen Verfahren abzusetzen. Jetzt kann mittels Roboterarm oder ähnlicher automatisierter Vorrichtung en eine zweite Bipolarplattenhalbschale zugeführt werden. Durch die hochgenaue präzise Positionierung in der automatisierten Werkstückzuführung braucht es keine Anschlagpunkte oder Werkstückaufnahmen gegen Verschiebung mehr, wenn diese durch gezielt aufgebrachte Klebepunkte für die Folgeprozesse gehalten werden.
Ein Folgeprozess ist auch die Stapelung der bereits gefügten Bipolarplattenhalbschalen, hier kann in gleicher Vorgehensweise der Aufbau eines Stacks erfolgen.
Das Verfahren erfolgt in den Schritten:

Schritt 1: Versehen der Bipolarplattenhalbschalen mit Klebepunkten
Schritt 2: Zuführung und Positionierung einer MEA auf der Bipolaplatte
Schritt 3: Zuführung der nächsten Bipolarplattenhalbschale mit vorher aufgebrachten Klebepunkten.

Diese Schritte wiederholen sich je nach notwendiger Stackgröße. Vorteile dieser Ausführungsvariante sind eine sichere und robuste Beibehaltung der Bipolarplattenhalbschalenposition ohne aufwändige Werkstückaufnahmen und der Entfall von unzähligen komplexen Werkstückaufnahmen.
In 5 ist eine dritte Ausführungsvariante dargestellt:

Auf die untere Bipolarplattenhälfte (Bipolarplattenhalbschale) wird mittels Siebdruck bzw. Jet-Verfahren eine Leitkleber in Form von Einzelpunkten mit definiertem Abstand aufgebracht. Diese sind formstabil und verlaufen nicht. Anschließend wird die obere Bipolarplattenhälfte auf die untere gefügt und definiert verpresst. Dadurch verlaufen die Einzelpunkte und fixieren die Bipolarplattenhälften. Durch den Rasterabstand der Einzelpunkte lassen sich sowohl dichte Spuren (umlaufende Abdichtung) als auch gezielte Heftpunkte im Kreuzugsbereich des Flussfeldes abbilden.

Das Verfahren ermöglicht eine verzugsfreie Kontaktierung, einen Ausgleich von Bauteiltoleranzen (in begrenzter Größe) und die Vermeidung von einer Beschädigung der Plattenbeschichtung.
Das Aufbringen von Leitkleber auf die Bipolarplatte mittels Vibaration aus einem Leitkleberbad ist in 6 dargestellt.
Ein Leitkleberbad befindet sich unterhalb einer Bipolarplattenhalbschale und wird über Vibrationen angeregt. Leitklebertropfen werden aufgrund der Vibrationen aus dem Bad herausgelöst und benetzen die Bipolarplattenhalbschale.
Diese Ausführungsvariante bietet im Vergleich zum Siebdruck, jetten oder Dispensen einen Kostenvorteil aufgrund des einfachen Aufbaus und geringerer Wartungsaufwendungen
Das erfindungsgemäße Verfahren in seinen verschiedenen Ausführungsformen ist einsetzbar für umgeformte, dünne Bleche, bei denen eine gute stoffschlüssige und/oder spaltfreie Verbindung mit einer guten Leitfähigkeit benötigt wird.
Darüber hinaus bietet es ein breites Einsatzspektrum zum Verbinden von Bauteilen. Durch einen elektrisch leitfähigen Anteil im Kleber, ist es besonders zur Kontaktierung von Bauteilen mit elektrischer Leitfähigkeit geeignet.

Claims

Verfahren zum Verbinden von Bipolarplattenhalbschalen durch eine Klebeverbindung.
Verfahren zum Verbinden von Bipolarplattenhalbschalen gemäß Anspruch 1, wobei der Klebstoff mit einem Sprühverfahren flächig auf eine Bipolarplattenhalbschale aufgetragen wird.
Verfahren zum Verbinden von Bipolarplattenhalbschalen gemäß Anspruch 1, wobei der Klebstoff durch Vibration aus einem Klebstoffbad herausgelöst wird und sich flächig auf einer darüber vorbeigeführten Bipolarplattenhalbschale niederschlägt.
Verfahren zum Verbinden von Bipolarplattenhalbschalen gemäß Anspruch 1, wobei der Klebstoff mittels eines Siebdruck-Verfahrens oder eines Jet-Verfahrens in voneinander getrennten Punkten auf eine Bipoarplattenhalbschale aufgetragen wird.
Verfahren zum Verbinden von Bipolarplattenhalbschalen gemäß Anspruch 4, wobei die Bipolarplattenhalbschale mindestens eine Vertiefung aufweist zur Aufnahme und/oder genauen Positionierung eines Klebstoffpunktes und/oder zur Unterstützung der Positionierung gegenüber einer benachbarten Bipolarplattenhalbschale in einem Stapel.
Verfahren zum Verbinden von Bipolarplattenhalbschalen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Auftragen von Klebstoff auf eine Bipolarplattenhalbschale und zueinander positionieren zweier Bipolarplattenhalbschalen, diese miteinander verpresst werden.
Verfahren zum Verbinden von Bipolarplattenhalbschalen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Klebstoff ein Leitkleber ist.