DE102023200283A1 - Bipolar plate and method for producing a bipolar plate - Google Patents
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Abstract
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Herstellung einer Bipolarplatte (101), wobei das Verfahren (100) umfasst:- einen ersten Herstellungsschritt (103), bei dem ein Dichtungselement (111) zum Abdichten einer die Bipolarplatte (101) umfassenden Zelle in einem Zellstapel vorgehärtet wird, und- einen weiteren Herstellungsschritt (107), der zeitlich nach dem ersten Herstellungsschritt (103) ausgeführt wird, wobei bei dem weiteren Herstellungsschritt (107) das vorgehärtete Dichtungselement (111) an der Bipolarplatte (101) angeordnet und ausgehärtet wird.The invention presented relates to a method (100) for producing a bipolar plate (101), wherein the method (100) comprises:- a first production step (103) in which a sealing element (111) for sealing a cell comprising the bipolar plate (101) is pre-cured in a cell stack, and- a further production step (107) which is carried out after the first production step (103), wherein in the further production step (107) the pre-cured sealing element (111) is arranged on the bipolar plate (101) and cured.
Description
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und eine Bipolarplatte gemäß den beigefügten Ansprüchen.The presented invention relates to a method for producing a bipolar plate and a bipolar plate according to the appended claims.
Stand der TechnikState of the art
PEM Brennstoffzellen (Polymer-Elektrolyt-Membran) sind von großer Bedeutung für die Elektromobilität.PEM fuel cells (polymer electrolyte membrane) are of great importance for electromobility.
Um ausreichenden elektrischen Wirkungsgrad in einem Brennstoffzellensystem bzw. einem Elektrolyseur generieren zu können, werden mehrere Zellen gestapelt.In order to generate sufficient electrical efficiency in a fuel cell system or an electrolyzer, several cells are stacked.
Zum Stapeln jeweiliger Zellen werden Dichtungsmaterialien auf den aktiven Seiten und den Kühlseiten einer Zelle, d. h., an der Bipolarplatte angeordnet, um Austritte von Betriebsfluiden, wie bspw. Wasserstoff, Sauerstoff und Kühlmittel zu verhindern.To stack respective cells, sealing materials are arranged on the active sides and the cooling sides of a cell, i.e. on the bipolar plate, to prevent leakage of operating fluids such as hydrogen, oxygen and coolant.
Aufgrund von hoher Design-Flexibilität und günstigen Materialkosten im Vergleich zu
Einlegedichtung kommen oft nasse Klebdichtungen zur Abdichtung von Bipolarplatten eines Zellstapels zur Anwendung. Die vielfältigen Materialklassen von nassen Klebdichtungen, wie bspw. Epoxid, Acrylate bzw. Mischungen aus Acrylaten mit Polyolefinen bis hin zu Silikonen erlauben die verschiedenen Anforderungen an Materialeigenschaften zu erfüllen.Due to high design flexibility and low material costs compared to
Wet adhesive seals are often used as insert seals to seal the bipolar plates of a cell stack. The diverse material classes of wet adhesive seals, such as epoxy, acrylates or mixtures of acrylates with polyolefins through to silicones, allow the various requirements for material properties to be met.
Bei der Verwendung von Klebdichtungen ist es bekannt, diese vor Ort, d. h., in einem geschlossenen Herstellungsprozess aufzutragen und auszuhärten. Da das Aushärten von Klebedichtungen zeitaufwendig ist, wird der Produktionsprozess eines Zellstapels dadurch ebenfalls sehr zeitaufwendig und teuer.When using adhesive sealants, it is known that they are applied and cured on site, i.e. in a closed manufacturing process. Since the curing of adhesive sealants is time-consuming, the production process of a cell stack also becomes very time-consuming and expensive.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und eine Bipolarplatte vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.Within the scope of the invention presented, a method for producing a bipolar plate and a bipolar plate are presented. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the bipolar plate according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is always made to each other.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen Produktionsprozess zur Produktion eines Zellstapels zu beschleunigen.The invention presented serves in particular to accelerate a production process for the production of a cell stack.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte vorgestellt.Thus, according to a first aspect of the invention presented, a method for producing a bipolar plate is presented.
Das vorgestellte Verfahren umfasst einen ersten Herstellungsschritt, bei dem ein Dichtungselement zum Abdichten einer die Bipolarplatte umfassenden Zelle in einem Zellstapel in einem ersten Schritt vorgehärtet wird, und einen weiteren Herstellungsschritt, der zeitlich nach dem ersten Herstellungsschritt ausgeführt wird, wobei bei dem weiteren Herstellungsschritt das vorgehärtete Dichtungselement an der Bipolarplatte angeordnet und ausgehärtet wird.The method presented comprises a first manufacturing step in which a sealing element for sealing a cell comprising the bipolar plate in a cell stack is pre-cured in a first step, and a further manufacturing step which is carried out after the first manufacturing step, wherein in the further manufacturing step the pre-cured sealing element is arranged on the bipolar plate and cured.
Unter einer Vorhärtung ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein Dichtungselement so lange gehärtet wird, bis dieses transportierbar ist und bspw. eine Haut auf seiner Oberfläche ausgebildet hat, sodass das Dichtungselement nach einem Transport seine Form im Wesentlichen behält bzw. wieder annimmt. Insofern kann ein vorgehärtetes Dichtungselement formstabil sein. Im Gegensatz zu einer Durchhärtung verändert sich die Struktur des Dichtungselements beim Vorhärten nur oberflächlich, sodass tiefere bzw. innere Materialschichten des Dichtungselements nicht gehärtet bzw. flexibel sind.In the context of the invention presented, pre-hardening is understood to mean a process in which a sealing element is hardened until it is transportable and, for example, has formed a skin on its surface so that the sealing element essentially retains its shape after transport or takes it back. In this respect, a pre-hardened sealing element can be dimensionally stable. In contrast to full hardening, the structure of the sealing element only changes on the surface during pre-hardening, so that deeper or inner material layers of the sealing element are not hardened or flexible.
Unter einem Dichtungselement ist im Kontext der vorliegenden Erfindung ein Klebedichtstoff zu verstehen.In the context of the present invention, a sealing element is understood to mean an adhesive sealant.
Im Gegensatz zu einer Vorhärtung ist unter einer Durchhärtung im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein Dichtungselement so lange gehärtet wird, bis dieses komplett gehärtet ist, d. h., seine Struktur in sämtlichen Materialschichten bzw. Bereichen gegenüber einem ungehärteten Zustand verändert hat und bspw. fest ist.In contrast to pre-curing, full-curing in the context of the invention presented is understood to mean a process in which a sealing element is hardened until it is completely hardened, i.e. its structure in all material layers or areas has changed compared to an unhardened state and is, for example, solid.
Die vorgestellte Erfindung basiert auf einem zweiteiligen Herstellungsverfahren, bei dem ein Dichtungselement zunächst in einem ersten Herstellungsschritt räumlich getrennt von einer Bipolarplatte vorgehärtet wird, sodass das Dichtungselement eine vorgegebene Form hält und anschließend auf eine Bipolarplatte aufgebracht wird. Entsprechend kann das Dichtungselement präzise vorgefertigt werden und in einem schnellen bzw. einfachen Verbindungsvorgang, bspw. mittels eines Pressrakels auf die Bipolarplatte aufgebracht werden.The invention presented is based on a two-part manufacturing process in which a sealing element is first pre-cured in a spatially separate manner from a bipolar plate in a first manufacturing step so that the sealing element maintains a predetermined shape and is then applied to a bipolar plate. Accordingly, the sealing element can be precisely prefabricated and applied to the bipolar plate in a quick or simple connection process, for example using a press doctor.
Dabei ist das Dichtungselement nach dem Vorhärten nicht komplett ausgehärtet, sodass das Dichtungselement in einem weiteren Herstellungsschritt sich noch mit Bipolarplatte verbinden bzw. an der Bipolarplatte festkleben kann. Entsprechend kann auf ein zeitaufwendiges exaktes Aufbringen von Dichtungsmaterial auf eine jeweilige Bipolarplatte verzichtet werden und stattdessen ein vorkonfektionsiertes bzw. vorgehärtetes Dichtungselement auf die Bipolarplatte gelegt und anschließend aufgedrückt werden.The sealing element is not completely cured after pre-curing, so that the In a further manufacturing step, the sealing element can be connected to the bipolar plate or glued to the bipolar plate. Accordingly, the time-consuming, precise application of sealing material to a respective bipolar plate can be dispensed with and instead a prefabricated or pre-hardened sealing element can be placed on the bipolar plate and then pressed on.
Es kann vorgesehen sein, dass bei dem weiteren Herstellungsschritt das vorgehärtete Dichtungselement mit einer vorgegebenen Anpresskraft auf die Bipolarplatte gepresst wird, sodass das Dichtungselement sich mit der Bipolarplatte formschlüssig verbindet.It can be provided that in the further manufacturing step the pre-hardened sealing element is pressed onto the bipolar plate with a predetermined contact force so that the sealing element is positively connected to the bipolar plate.
Zum Anpressen des Dichtungselements kann bspw. ein Rakel bzw. eine Rolle verwendet werden.A squeegee or roller can be used, for example, to press the sealing element on.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass bei dem ersten Herstellungsschritt das Dichtungselement für eine vorgegebene Vorhärtungsdauer mit UV-Licht bestrahlt und/oder einer Härtungsatmosphäre ausgesetzt wird, und bei dem weiteren Herstellungsschritt das Dichtungselement für eine vorgegebene Aushärtungsdauer mit UV-Licht bestrahlt und/oder einer Härtungsatmosphäre ausgesetzt wird, wobei die Aushärtungsdauer länger ist als die Vorhärtungsdauer.It can further be provided that in the first manufacturing step the sealing element is irradiated with UV light and/or exposed to a curing atmosphere for a predetermined pre-curing period, and in the further manufacturing step the sealing element is irradiated with UV light and/or exposed to a curing atmosphere for a predetermined curing period, wherein the curing period is longer than the pre-curing period.
Bspw. kann das Dichtungselement in dem ersten Herstellungsschritt für eine Zeitspanne zwischen 10 Sekunden und 5 Minuten mit UV-Licht bestrahlt und/oder für eine Zeitspanne zwischen 2 Minuten und 30 Minuten einer Härtungsatmosphäre, wie bspw. einer Umgebungsluft, ausgesetzt werden. Insbesondere kann das Dichtungselement in dem ersten Herstellungsschritt so lange mit UV-Licht bestrahlt und/oder einer Härtungsatmosphäre ausgesetzt werden, bis sich auf dem Dichtungselement eine Haut ausbildet bzw. dessen Oberfläche sich strukturell verändert.For example, in the first manufacturing step, the sealing element can be irradiated with UV light for a period of between 10 seconds and 5 minutes and/or exposed to a hardening atmosphere, such as ambient air, for a period of between 2 minutes and 30 minutes. In particular, in the first manufacturing step, the sealing element can be irradiated with UV light and/or exposed to a hardening atmosphere until a skin forms on the sealing element or its surface changes structurally.
Bspw. kann bei dem weiteren Herstellungsschritt ein Härtungsschritt entfallen, sodass die Aushärtung des Dichtelements nach der UV-Bestrahlung und/oder Aussetzung in einer Härtungsatmosphäre im ersten Herstellungsschritt von allein weiter läuft.For example, a curing step can be omitted in the subsequent manufacturing step, so that the curing of the sealing element continues automatically after UV irradiation and/or exposure to a curing atmosphere in the first manufacturing step.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Dichtungselement in dem ersten Herstellungsschritt räumlich getrennt von der Bipolarplatte vorgehärtet wird.It can further be provided that the sealing element is pre-cured spatially separated from the bipolar plate in the first manufacturing step.
Durch eine räumliche Trennung des Vorhärtens von der Bipolarplatte kann das Dichtungselement vorverarbeitet werden und die Bipolarplatte vorverarbeitet werden, sodass ein Produktionsprozess zum Verarbeiten der Bipolarplatte nicht für ein zeitaufwendiges Aufbringen von Dichtungsmaterial und anaschließendem Härten pausiert werden muss.By spatially separating the pre-curing from the bipolar plate, the sealing element can be pre-processed and the bipolar plate can be pre-processed, so that a production process for processing the bipolar plate does not have to be paused for a time-consuming application of sealing material and subsequent curing.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Dichtungselement in dem ersten Herstellungsschritt in einer formgebenden Härtungsvorrichtung vorgehärtet wird, wobei die Härtungsvorrichtung ein erstes Element und ein zu dem ersten Element beabstandetes zweites Element umfasst und das Dichtungselement in einen Bereich zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element vorgehärtet wird.It can further be provided that the sealing element is pre-cured in the first manufacturing step in a shaping hardening device, wherein the hardening device comprises a first element and a second element spaced apart from the first element and the sealing element is pre-cured in a region between the first element and the second element.
Eine Härtungsvorrichtung kann verwendet werden, um dem Dichtungselement eine vorgegebene Form zu geben, sodass das Dichtungselement nach der Vorhärtung seine Form im Wesentlichen behält und mit dieser Form auf die Bipolarplatte übertragen werden kann.A curing device can be used to give the sealing element a predetermined shape so that the sealing element essentially retains its shape after pre-curing and can be transferred to the bipolar plate with this shape.
Eine Härtungsvorrichtung mit zwei beanstandeten Elementen, die bspw. relativ zueinander beweglich sein können, kann eine Dichtungsmasse gestützt und entsprechend in Form gebracht werden, indem bspw. das erste Element die Dichtungsmasse auf das zweite Element drückt.A curing device with two offset elements, which can be movable relative to each other, for example, can support a sealing compound and be shaped accordingly, for example by the first element pressing the sealing compound onto the second element.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Härtungsvorrichtung einen reversibel verschließbaren Boden umfasst und der Boden beim Vorhärten des Dichtungselements geschlossen ist und zum Anordnen des vorgehärteten Dichtungselements auf der Bipolarplatte geöffnet wird.It can further be provided that the curing device comprises a reversibly closable base and that the base is closed during pre-curing of the sealing element and is opened for arranging the pre-cured sealing element on the bipolar plate.
Ein reversibel verschließbarer Boden, wie bspw. ein Boden der aufgeklappt oder aufgeschoben werden kann, kann dazu verwendet werden, das Dichtungselement beim Vorhärten zu stützen und nach dem Vorhärten aus der Härtungsvorrichtung herauszubewegen.A reversibly lockable base, such as a base that can be opened or slid open, can be used to support the sealing element during pre-curing and to move it out of the curing device after pre-curing.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Härtungsvorrichtung einen Boden und eine gegenüber dem Boden ausgebildete Öffnung umfasst und die Härtungsvorrichtung zum Anordnen des vorgehärteten Dichtungselements auf der Bipolarplatte mit der Öffnung auf die Bipolarplatte geführt wird.It can further be provided that the hardening device comprises a base and an opening formed opposite the base and that the hardening device is guided with the opening onto the bipolar plate for arranging the pre-hardened sealing element on the bipolar plate.
Durch ein Umdrehen bzw. Umkippen der Härtungsvorrichtung kann das Dichtungselement schnell und einfach aus der Härtungsvorrichtung entnommen werden.By turning or tipping the curing device over, the sealing element can be quickly and easily removed from the curing device.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das vorgehärtete Dichtungselement mittels einer Pressvorrichtung aus der Härtungsvorrichtung und auf die Bipolarplatte gepresst wird.It can further be provided that the pre-cured sealing element is pressed out of the curing device and onto the bipolar plate by means of a pressing device.
Eine Pressvorrichtung, wie bspw. ein relativ zu einer Form der Härtungsvorrichtung bewegliches flächiges Element, kann das Dichtungselement aus der Härtungsvorrichtung drücken und dabei bzw. anschließend auf die Bipolarplatte drücken. Entsprechend kann der Härtungsvorrichtung eine Doppelfunktion zukommen, nämlich das Herauslösen des Dichtungselements aus der Härtungsvorrichtung und das Verbinden des Dichtungselements mit der Bipolarplatte.A pressing device, such as a relative to a mold of the hardening device movable flat element, can press the sealing element out of the hardening device and at the same time or subsequently press on the bipolar plate. Accordingly, the hardening device can have a dual function, namely releasing the sealing element from the hardening device and connecting the sealing element to the bipolar plate.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das vorgehärtete Dichtungselement eine einem Rand der Bipolarplatte entsprechende Form hat und eine Ausnehmung für ein Strömungsfeld aufweist.It can further be provided that the pre-hardened sealing element has a shape corresponding to an edge of the bipolar plate and has a recess for a flow field.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Bipolarplatte, wobei die Bipolarplatte hergestellt ist durch eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.According to a second aspect, the presented invention relates to a bipolar plate, wherein the bipolar plate is produced by a possible embodiment of the presented method.
Die vorgestellte Bipolarplatte umfasst ein Dichtungselement, das besonders genau einer vorgegebenen Form entspricht, da das Dichtungselement vorgehärtet und entsprechend vorgeformt auf die Bipolarplatte aufgebracht wurde, sodass Varianzen in der Form des Dichtungselements, die beim Aufbringen von flüssigem Dichtungsmaterial auftreten, minimiert sind.The bipolar plate presented comprises a sealing element that corresponds particularly precisely to a predetermined shape, since the sealing element has been pre-cured and pre-formed accordingly and applied to the bipolar plate, so that variations in the shape of the sealing element that occur when applying liquid sealing material are minimized.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.
Es zeigen:
-
1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens, -
2 eine weitere mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
-
1 a possible design of the procedure presented, -
2 another possible embodiment of the presented procedure.
In
In einem zweiten Herstellungsschritt 107 wird ein Boden der Härtungsvorrichtung 105 geöffnet, die Härtungsvorrichtung 105 auf die Bipolarplatte 101 gelegt und ein bewegliches Presselement 109 der Härtungsvorrichtung 105 in Richtung der Bipolarplatte 101 gedrückt, sodass das vorgehärtete Dichtungselement 111 durch das Presselement 109 aus der Härtungsvorrichtung 105 auf die Bipolarplatte 101 gedrückt wird.In a
Anschließend kann die Härtungsvorrichtung 105 zur Herstellung einer weiteren Bipolarplatte verwendet werden.The
In
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