EP4673986A1 - Separatorplatte, bipolarplatte, verfahren und elektrochemische zelle - Google Patents

Separatorplatte, bipolarplatte, verfahren und elektrochemische zelle

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EP4673986A1
EP4673986A1 EP24703473.9A EP24703473A EP4673986A1 EP 4673986 A1 EP4673986 A1 EP 4673986A1 EP 24703473 A EP24703473 A EP 24703473A EP 4673986 A1 EP4673986 A1 EP 4673986A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
sheet
plate
injection molding
bipolar plate
wave
Prior art date
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Pending
Application number
EP24703473.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Zwahr
Lukas Knehr
Timo Woehner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4673986A1 publication Critical patent/EP4673986A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a separator plate comprising a half-sheet with an active field, a frame arrangement surrounding the active field, and a sealing arrangement to be assigned to the frame arrangement, which comprises a seal that runs in a wave-like manner when viewed from above on a plane spanned by the separator plate.
  • the invention further relates to a bipolar plate comprising a first half-sheet and a second half-sheet, each with an active field, a frame arrangement surrounding the active field, and a sealing arrangement to be assigned to the frame arrangement, which comprises a seal that runs in a wave-like manner when viewed from above on a plane spanned by the bipolar plate.
  • the invention further relates to a method for producing sealing arrangements on a separator plate or a bipolar plate.
  • the invention relates to an electrochemical cell.
  • a separator plate or a bipolar plate of the type mentioned at the beginning and an electrochemical cell in the form of a fuel cell are known from DE 102021 115 559 A1.
  • the separator plate or bipolar plate has a sealing arrangement that runs along the edge of the bipolar plate and surrounds the supply and discharge channels for fluids of the bipolar plate, here called ports, which is intended to seal the active field of the separator plate or bipolar plate from the environment.
  • the sealing arrangement comprises a wave-shaped seal and is made of plastic.
  • the permanent application of the sealing arrangement to the respective half-sheet of the separator plate or bipolar plate is carried out by means of an injection molding process.
  • the separator plate or the bipolar plate is inserted into an injection molding tool and the tool is closed.
  • Metallic separator plates or bipolar plates typically have half-sheet thicknesses of less than 0.5 mm. With such low sheet thicknesses, residual compressive stresses quickly lead to undesirable deformations of the surrounding areas. The effect is greater the smaller the sheet thickness of the half-sheets used.
  • the cavity of the injection molding tool is slightly reduced at least on one side of the separator plate, but in the case of a bipolar plate possibly also the cavities on both sides of the bipolar plate, and the volume for injecting the injection molding material is thus reduced. If the injection molding compound is now injected into the injection molding tool, the intended amount of injection molding material to form a sealing arrangement with the desired geometric dimensions cannot be introduced at least on one side of the plate.
  • the sealing arrangement is now not in the required geometry or thickness on the at least one half-sheet or both half-sheets because the injection molding material cannot be injected into the cavity of the injection molding tool.
  • the sealing height After demolding and at least partial arching back of one or both half-sheets, the sealing height therefore deviates from the tool dimension. This deviation is particularly pronounced in straight sealing areas.
  • the arching effect also occurs to varying degrees depending on the sheet rolling direction, surrounding embossing geometry or in radii or with a curved sealing bead.
  • the separator plate comprising a half-sheet with an active field, a frame arrangement surrounding the active field, and a sealing arrangement attributable to the frame arrangement, which comprises a seal which runs in a wave-like manner in a plan view of a plane spanned by the separator plate, in that a three-dimensional support structure is formed in the half-sheet in the region of the sealing arrangement, wherein the support structure is designed to protrude from the plane spanned by the separator plate.
  • the bipolar plate comprising a first half-sheet and a second half-sheet, each with an active field, a frame arrangement surrounding the active field, and a sealing arrangement attributable to the frame arrangement, which comprises a seal that runs in a wave-like manner in a plan view of a plane spanned by the bipolar plate, in that a three-dimensional support structure is formed in the two half-sheets in the region of the sealing arrangement, wherein the support structures of the two half-sheets are formed so as to protrude in opposite directions from the plane spanned by the bipolar plate and are aligned one above the other when viewed perpendicular to the plane.
  • the support structures preferably have a conical or hemispherical or lens-like shape when viewed in cross-section through the separator plate or bipolar plate.
  • Such support structures in the half-sheet or the two half-sheets provide excellent local stiffening of the half-sheet.
  • the support structures can be aligned particularly well one above the other.
  • the three-dimensional support structure is formed in the half-sheet in the area of the wave-shaped seal and one support structure is formed in the half-sheet for each wave structure of the wave-shaped seal.
  • several support structures can also be provided per wave structure in order to further increase the stiffening of the half-sheet in this area.
  • the wave-shaped seal preferably has several straight sections, which define a common first straight line, with the straight sections each being connected to one another by curved sections.
  • the maximum offset of each curved section, measured orthogonally to the first straight line, compared to the straight sections of the seal corresponds, for example, to at least twice and at most five times the width of the wave-shaped seal.
  • the running length of the wave-shaped seal is thus significantly increased compared to a conceivable straight sealing strip, without requiring too much additional installation space.
  • the minimum radius of curvature of the wave-shaped seal can be larger than the width of the wave-shaped seal, but smaller than the aforementioned offset between the curved sections and the straight sections of the wave-shaped seal.
  • the minimum radius of curvature is present at the transitions between a straight section and a curved section of the wave-shaped seal.
  • each of the support structures is arranged on a straight line that intersects the straight section of the associated wave structure centrally and at a 90° angle.
  • a wave structure comprises a straight section and two curved sections adjacent to it.
  • the support structure in each half-sheet has a height starting from a surface of the half-sheet that corresponds to a maximum thickness D ⁇ 20% of the sealing arrangement molded onto the half-sheet.
  • the height of the support structure is therefore designed such that it has a slight undersize (-20%) to a slight oversize (+20%) in relation to a cavity height of the cavity of an injection molding tool for forming the sealing arrangement and the support structure can thus be supported on the inside of the injection molding tool.
  • the support structures inside the cavity formed between the surface of the separator plate or bipolar plate and the injection molding tool touch the injection molding tool.
  • the half-sheet(s) are thus held in the desired position and directly counteract any undesirable deformation of the half-sheet(s).
  • Such support structures can be used in a main or secondary sealing section of the sealing arrangement.
  • secondary sealing section refers in particular to sealing sections that serve to contain flow bypasses next to the active field, such as the wave-shaped seal of the sealing arrangement here.
  • the separator plate is constructed from a profiled half-sheet or sheet metal and has embossed flow channels on the anode side and cathode side for the flow guidance of fluids, which are preferably aligned parallel to the straight sections of the wave-shaped seal, particularly in the active field.
  • the bipolar plate is constructed in particular from two profiled half-sheets and has embossed flow channels on the anode and cathode sides for the flow of fluids, which are preferably aligned parallel to the straight sections of the wave-shaped seal, particularly in the active field.
  • the half-sheets are connected to one another in a materially bonded manner, for example by welded joints. However, gluing or soldering the two half-sheets to one another is also possible.
  • a space through which a coolant can flow is preferably formed between the profiled half-sheets.
  • a half sheet of a separator plate or a bipolar plate preferably has sheet thicknesses in the range of 50 to 200 pm, in particular in the range of 50 to 100 pm.
  • the separator plate or bipolar plate according to the invention is suitable for forming an electrochemical cell, in particular in the form of a polymer electrolyte fuel cell or a polymer electrolyte electrolyzer for the electrolysis of water or a redox flow cell.
  • the support structure therefore acts as a spacer between the respective half sheet and the injection molding tool and prevents the half sheet or half sheets from warping when the injection molding tool is closed.
  • the support structure is embedded in the sealing arrangement, whereby only areas of the support structure that lie against the injection molding tool during the injection process can remain uncovered by injection molding material.
  • the support structures do not impair the sealing function of the sealing arrangement. Rather, the support structures lead to a higher dimensional accuracy of the sealing arrangement and enable a more precise molding of the cavity of the injection molding tool with injection molding material.
  • the result is a detailed and precisely formed sealing arrangement, molded onto one or both sides of a half sheet of a separator plate or molded onto each of the half sheets of a bipolar plate.
  • the object is achieved for the electrochemical cell comprising a plurality of separator plates according to the invention or bipolar plates according to the invention and at least one membrane-electrode arrangement arranged between two separator plates or bipolar plates, which has a central region adjacent to an active field and a region arranged outside the active field as seen perpendicular to the plane spanned by the separator plate or the bipolar plate, wherein the wave-shaped seal is located at the boundary between the said regions.
  • the membrane electrode arrangement can, for example, be constructed in seven layers and generally comprises a membrane, electrode layers applied on both sides of the membrane to form an anode and a cathode, catalyst layers applied on both sides and, optionally, porous fluid distribution layers arranged on both sides.
  • the membrane electrode arrangement often has a plastic support frame firmly connected to it in the edge area for reinforcement.
  • the electrode layers, the catalyst layers and the fluid distribution layers are then located within the plastic support frame, which encloses the respective active field of the separator plates or bipolar plates adjacent to the membrane electrode arrangement and often provides a contact surface for the sealing arrangement on the adjacent separator plate or bipolar plate.
  • the membrane itself is preferably a polymer electrolyte membrane or a polymer ion exchange membrane, depending on the type of electrochemical cell.
  • bypass channel for a fluid that flows through the electrochemical cell.
  • a bypass channel can be created in particular by pressing together components of the membrane electrode arrangement and the frame arrangement of the separator plate or bipolar plate during assembly.
  • the shape of the bypass channel follows the course of the wave-shaped seal.
  • the electrochemical cell is preferably a polymer electrolyte fuel cell or a polymer electrolyte electrolyzer for electrolysis of water or a redox flow cell.
  • a fuel cell is suitable for stationary applications as well as for mobile applications, especially in motor vehicles.
  • Fig. 1 a separator plate or bipolar plate in a schematic plan view
  • Fig. 2 shows an enlarged section of the separator plate or bipolar plate according to Figure 1 (marked with a circle there) in perspective view,
  • Fig. 4 shows the section from Figure 1 in a further enlarged view
  • Fig. 5 and 6 a section through a bipolar plate and a membrane electrode arrangement adjacent to it on one side in the area of the sealing arrangement
  • Fig. 7a shows a section through an injection moulding tool with clamped half sheet according to the state of the art
  • Fig. 7b in section an injection molding tool with clamped half sheet having a support structure in the area of the sealing arrangement to be formed
  • Fig. 8a shows a section through an injection molding tool with a clamped bipolar plate comprising two half-sheets according to the prior art
  • Fig. 8b shows in section an injection molding tool with a clamped bipolar plate comprising two half-sheets each having a support structure in the area of the sealing arrangements to be formed,
  • Fig. 9 is a perspective view of a schematically illustrated bipolar plate.
  • Fig. 10 is a perspective view of an electrochemical cell in a cell stack.
  • Figure 1 shows a separator plate 28 or a bipolar plate 1 in a schematic plan view.
  • the separator plate 28 or bipolar plate 1 has an active field 2 and a frame arrangement 11 surrounding the active field 2.
  • the frame arrangement 11 also includes a sealing arrangement 15 which has a Top view of a plane spanned by the separator plate 28 (xy plane) comprising a wave-shaped seal 16.
  • xy plane a plane spanned by the separator plate 28
  • a sealing arrangement 15 which has a Top view of a plane spanned by the separator plate 28 (xy plane) comprising a wave-shaped seal 16.
  • xy plane a plane spanned by the separator plate 28
  • a three-dimensional support structure 29 is formed, wherein the support structure 29 is designed to protrude from the xy plane spanned by the separator plate 28 or bipolar plate 1 in the direction of the observer.
  • three fluid passage openings 5, 6, 7 are formed through the separator plate 28 or bipolar plate 1 on one side of the active field 2 and three further fluid passage openings 8, 9, 10 are formed on the opposite side of the active field 2.
  • FIG 2 shows an enlarged section of the separator plate 28 or bipolar plate 1 according to Figure 1 in a perspective view.
  • the same reference numerals as in Figure 1 identify the same elements.
  • the sealing arrangement 15 with the wave-shaped seal 16 on a half-sheet 3 can now be seen, as well as support structures 29 molded into this in the area of the wave-shaped seal 16.
  • the active field 2 with its molded-in fluid channels 21 and a bypass channel 25 adjacent to the wave-shaped seal 16 can also be seen.
  • the wave-shaped seal 16 shows four wave structures in this section, each with a support structure 29 arranged centrally in the wave structure.
  • Figure 3 shows the section according to Figure 2 without the sealing arrangement 15 in a perspective view.
  • the same reference numerals as in Figures 1 and 2 identify the same elements.
  • the conical shape of three support structures 29 protruding from the half-sheet 3 can now be clearly seen.
  • Figure 4 shows the section from Figure 1 in a further enlarged view.
  • the sealing arrangement 15 has a strip structure 17, wherein the wave-shaped Seal 16 represents the innermost strip of the strip structure 17.
  • the wave-shaped seal 16 describes alternating straight sections 23 and curved sections 24, which have approximately the shape of a half sinusoidal oscillation.
  • the width of the wave-shaped seal 16 visible in the top view is designated BD.
  • the bypass channel 25 can be seen, which follows the course of the wave-shaped seal 16 and has a bypass channel width BB.
  • straight sections are designated 26 and curved sections 27.
  • the maximum distance of the curved sections 24 from the straight sections 23, which is to be measured orthogonally to the straight sections 23 of the wave-shaped seal 16, is referred to as the maximum offset V m and represents the amplitude of the wave-shaped seal 16 which is deflected many times in the form of half-waves.
  • the minimum radius of the wave-shaped seal 16, referred to as MD can be found at the transitions between the straight sections 23 and the curved sections 24.
  • the minimum radius of curvature MD of the wave-shaped seal 16 is greater than its width BD, but smaller than the aforementioned offset V m .
  • FIG. 5 and Figure 6 each show a section through a bipolar plate 1 and a membrane electrode arrangement 12 adjacent to it on one side in the area of the sealing arrangement 15.
  • the bipolar plate 1 has two half-sheets 3, 4 welded together.
  • a sealing arrangement 15 is injection-molded onto the half-sheet 3, which comprises a wave-shaped seal 16.
  • a sealing arrangement 15' is injection-molded onto the half-sheet 4, which comprises a wave-shaped seal 16'.
  • Coolant channels 20 are formed between the two half-sheets 3, 4 in the area of the active field 2.
  • Fig. 7a shows a cross-section of an injection molding tool comprising an upper part 18 and a lower part 19 with a half-sheet 3 clamped between them according to the prior art.
  • a cavity K1 is formed between the half-sheet 3 and the upper part 18 of the injection molding tool.
  • a cavity K2 is formed between the half-sheet 3 and the lower part 19 of the injection molding tool. Due to the clamping forces of the upper part 18 against the lower part 19, the thin half-sheet 3 bulges in the direction of the cavity K1, so that the cavity K1 is smaller than the cavity K2.
  • injection molding material 30 is injected into the cavities K1, K2, less injection molding material 30 is introduced into the area of the cavity K1 than into the cavity K2.
  • the half-sheet 3 After the injection molding material 30 has hardened and the injection molding tool has been opened, the half-sheet 3 returns to its original flat shape.
  • the sealing arrangement 15 formed between the upper part 18 of the injection molding tool and the half-sheet 3 is now thinner than required, while the sealing arrangement 15' formed between the lower part 19 of the injection molding tool and the half-sheet 3 is thicker than required.
  • Fig. 7b shows a section through an injection molding tool with a clamped half-sheet 3 having a support structure 29 in the area of the sealing arrangements 15, 15' to be formed.
  • the same reference numerals as in Fig. 7a identify the same elements.
  • the support structure 29 stiffens the half-sheet 3 and is supported on the upper part 18 of the injection molding tool. This can prevent undesirable deformation of the half-sheet 3. does not occur.
  • injection molding material 30 is injected into the cavities K1, K2, the cavities K1, K2 are filled with the desired amount of injection molding material.
  • the sealing arrangement 15 formed between the upper part 18 of the injection molding tool and the half-sheet 3 and the sealing arrangement 15' formed between the lower part 19 of the injection molding tool and the half-sheet 3 have the required dimensions.
  • Fig. 8a shows a cross-section of an injection molding tool with a clamped bipolar plate 1 comprising two half-sheets 3, 4 according to the prior art.
  • the same reference numerals as in Figure 7a identify the same elements.
  • a cavity K1 is formed between the half-sheet 3 and the upper part 18 of the injection molding tool.
  • a cavity K2 is formed between the half-sheet 4 and the lower part 19 of the injection molding tool. Due to the clamping forces of the upper part 18 against the lower part 19, the thin half-sheets 3, 4 bulge in the direction of the cavities K1, K2, so that the cavities K1, K2 become smaller.
  • injection molding material 30 is injected into the cavities K1, K2, less injection molding material 30 is introduced into the area of the cavities K1, K2 than is required.
  • the half-sheets 3, 4 return to their original flat shape.
  • the sealing arrangement 15 formed between the upper part 18 of the injection molding tool and the half-sheet 3 and also the sealing arrangement 15' formed between the lower part 19 of the injection molding tool and the half-sheet 4 are thinner than required.
  • Fig. 8b shows a section through an injection molding tool with a clamped bipolar plate 1 comprising two half-sheets 3, 4, each having a support structure 29 in the area of the sealing arrangements 15, 15' to be formed.
  • the same reference numerals as in Fig. 7b identify the same elements.
  • the support structures 29 stiffen the half-sheets 3, 4 and are supported on the upper part 18 of the injection molding tool in the case of half-sheet 3 and on the lower part 19 of the injection molding tool in the case of half-sheet 4. This prevents undesirable deformation of the half-sheets 3, 4.
  • injection molding material 30 is injected into the cavities K1, K2, the cavities K1, K2 are filled with the desired amount of injection molding material.
  • the sealing arrangement 15 formed between the upper part 18 of the injection molding tool and the half-sheet 3 and the sealing arrangement 15' formed between the lower part 19 of the injection molding tool and the half-sheet 4 have the required dimensions.
  • Fig. 9 shows a perspective view of a schematically illustrated bipolar plate 1.
  • the same reference numerals as in Figure 1 identify the same elements.
  • Fig. 10 shows a perspective view of an electrochemical cell 40 in a cell stack 50 comprising a plurality of electrochemical cells 40.
  • the electrochemical cell 40 comprises a plurality of bipolar plates 1, 1' and at least one membrane electrode arrangement 12, 12' arranged between two bipolar plates 1, 1', which has a central region 13 adjacent to the active field 2 and a region 14 arranged outside the active field 2 as seen perpendicular to the plane spanned by the bipolar plate 1, wherein the wave-shaped seal 16 is located at the boundary between the said regions 13, 14, see also Figure 6.
  • Fluid passage opening 0 Fluid passage opening 1 Frame assembly 2, 12' Membrane electrode assembly 3 Central region of the membrane electrode assembly4 Outer region of the membrane electrode assembly5, 15' Seal assembly 6, 16' Wave-shaped seal 7 Strip structure 8 Injection molding tool, upper part 9 Injection molding tool, lower part 0 Coolant channel 1 Fluid channel 2 Fluid channel 3 Straight section of the wave-shaped seal4 Curved section 5 Bypass channel 6 Straight section 7 Curved section 8 Separator plate 9 Support structure 0 Injection molding material 40 electrochemical cell

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte (28), umfassend ein Halbblech (3, 4) mit einem Aktivfeld (2), einer das Aktivfeld (2) umgebenden Rahmenanordnung (11), sowie einer, der Rahmenanordnung (11 ) zuzurechnenden Dichtungsanordnung (15, 15'), welche eine, in Draufsicht auf eine von der Separatorplatte (28) aufgespannte Ebene wellenförmig verlaufende Dichtung (16, 16') umfasst. Im Bereich der Dichtungsanordnung (15, 15') in dem Halbblech (3, 4) ist eine dreidimensionale Stützstruktur (29) eingeformt, wobei die Stützstruktur (29) aus der von der Separatorplatte (28) aufgespannten Ebene ragend ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte (1, 1 '), ein Verfahren zur Herstellung von Dichtungsanordnungen (15, 15') an einer Separatorplatte (28) oder einer Bipolarplatte (1, 1 '), sowie eine elektrochemische Zelle (40).

Description

Separatorplatte, Bipolarplatte, Verfahren und elektrochemische Zelle
Die Erfindung betrifft eine Separatorplatte umfassend ein Halbblech mit einem Aktivfeld, einer das Aktivfeld umgebenden Rahmenanordnung, sowie einer, der Rahmenanordnung zuzurechnenden Dichtungsanordnung, welche eine, in Draufsicht auf eine von der Separatorplatte aufgespannte Ebene wellenförmig verlaufende Dichtung umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bipolarplatte umfassend ein erstes Halbblech und ein zweites Halbblech mit jeweils einem Aktivfeld, einer das Aktivfeld jeweils umgebenden Rahmenanordnung, sowie einer, der Rahmenanordnung zuzurechnenden Dichtungsanordnung, welche eine, in Draufsicht auf eine von der Bipolarplatte aufgespannte Ebene wellenförmig verlaufende Dichtung umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Dichtungsanordnungen an einer Separatorplatte oder einer Bipolarplatte. Schließlich betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle.
Eine Separatorplatte oder eine Bipolarplatte der eingangs genannten Art und eine elektrochemische Zelle in Form einer Brennstoffzelle sind aus der DE 102021 115 559 A1 bekannt. Die Separatorplatte oder Bipolarplatte weist eine, am Rand der Bipolarplatte verlaufende und die Zuführ- und Abführkanäle für Fluide der Bipolarplatte, hier Ports genannt, umgebende Dichtungsanordnung auf, welche das Aktivfeld der Separatorplatte oder Bipolarplatte von der Umgebung abdichten soll. Die Dichtungsanordnung umfasst dabei eine wellenförmig verlaufende Dichtung und ist aus Kunststoff gebildet. Der dauerhafte Auftrag der Dichtungsanordnung auf dem jeweiligen Halbblech der Separatorplatte oder Bipolarplatte erfolgt mittels eines Spritzgussverfahrens. Dabei wird die Separatorplatte oder die Bipolarplatte in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und das Werkzeug geschlossen. Die Verwendung des Spritzgussverfahrens ermöglicht eine hohe Maßtreue und Wiederholbarkeit bei der Herstellung der Dichtungsanordnung, da die Geometrie der Dichtungsanordnung in der Regel abhängig vom verwendeten Spritzgusswerkzeug ausgebildet wird. Es hat sich allerdings gezeigt, dass beim Schließen des Spritzgusswerkzeugs aufgrund einer Kontaktpressung der Dichtkanten des Werkzeugs auf den Oberflächen einer dünnwandigen Separatorplatte umfassend ein Halbblech oder einer Bipolarplatte umfassend zwei miteinander fest verbundene Halbbleche eine Verformung der Halbbleche in Form einer Aufwölbung innerhalb der gebildeten, mit Spritzgussmaterial zu füllenden Kavität gebildet werden kann. Dabei werden auf beiden Seiten der Separatorplatte oder Bipolarplatte Kavitäten gebildet, da in der Regel beidseitig Dichtungsanordnungen ausgebildet werden müssen.
Metallische Separatorplatten oder Bipolarplatten weisen typischerweise Blechstärken der Halbbleche im Bereich von kleiner 0,5 mm auf. Bei derart geringen Blechstärken führen Druckeigenspannungen schnell zu unerwünschten Verformungen der umgebenden Bereiche. Der Effekt ist umso größer, je geringer eine Blechdicke der verwendeten Halbbleche gewählt ist. Dabei wird die Kavität des Spritzgusswerkzeugs zumindest auf einer Seite der Separatorplatte, bei einer Bipolarplatte möglicherweise aber auch die Kavitäten beiderseits der Bipolarplatte, geringfügig verkleinert und das Volumen zum Einspritzen des Spritzgussmaterials damit reduziert. Wird die Spitzgussmasse nun in das Spritzgusswerkzeug eingespritzt, kann die vorgesehene Menge an Spritzgussmaterial zur Ausbildung einer Dichtungsanordnung mit den gewünschten geometrischen Abmessungen zumindest auf einer Seite der Platte nicht eingebracht werden.
Nach dem Aushärten des Spritzgussmaterials und einem Öffnen des Spritzgusswerkzeugs erfolgt eine Rückfederung des oder der vormals verformten Bereiche des mindestens einen Halbblechs in die ursprüngliche Lage. Die Dichtungsanordnung liegt nun aufgrund des nicht in die Kavität des Spritzgusswerkzeuges einspritzbaren Spritzgussmaterials nicht in der geforderten Geometrie beziehungsweise Dicke auf dem mindestens einen Halbblech oder beiden Halbblechen vor. Nach dem Entformen und einem zumindest teilweisen Zurückwölben eines oder beider Halbbleche liegt demnach eine vom Werkzeugmaß abweichende Dichtungshöhe vor. Diese Abweichung ist besonders stark in geradlinigen Dichtungsbereichen ausgeprägt. Je nach Blechwalzrichtung, umgebender Prägegeometrie oder in Radien oder bei einem gekrümmten Dichtraupenverlauf tritt der Aufwölbeffekt zudem unterschiedlich stark auf. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Separatorplatte umfassend ein Halbblech bereitzustellen oder eine Bipolarplatte umfassend ein erstes Halbblech und ein zweites Halbblech bereitzustellen, die eine korrekt und reproduzierbar dimensionierte Dichtungsanordnung aufweist, die in einem Spritzgussverfahren an die Separatorplatte oder Bipolarplatte angespritzt ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein dafür geeignetes Verfahren anzugeben und eine elektrochemische Zelle bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für die Separatorplatte umfassend ein Halbblech mit einem Aktivfeld, einer das Aktivfeld umgebenden Rahmenanordnung, sowie einer, der Rahmenanordnung zuzurechnenden Dichtungsanordnung, welche eine, in Draufsicht auf eine von der Separatorplatte aufgespannte Ebene wellenförmig verlaufende Dichtung umfasst, dadurch gelöst, dass im Bereich der Dichtungsanordnung in dem Halbblech eine dreidimensionale Stützstruktur eingeformt ist, wobei die Stützstruktur aus der von der Separatorplatte aufgespannten Ebene ragend ausgebildet ist.
Die Aufgabe wird für die Bipolarplatte, umfassend ein erstes Halbblech und ein zweites Halbblech mit jeweils einem Aktivfeld, einer das Aktivfeld jeweils umgebenden Rahmenanordnung, sowie einer, der Rahmenanordnung zuzurechnenden Dichtungsanordnung, welche eine, in Draufsicht auf eine von der Bipolarplatte aufgespannte Ebene wellenförmig verlaufende Dichtung umfasst, dadurch gelöst, dass im Bereich der Dichtungsanordnung in den beiden Halbblechen eine dreidimensionale Stützstruktur eingeformt ist, wobei die Stützstrukturen der beiden Halbbleche aus der von der Bipolarplatte aufgespannten Ebene in entgegengesetzte Richtungen ragend und senkrecht zur Ebene gesehen fluchtend übereinander ausgebildet sind.
Im Bereich des Aktivfeldes einer Separatorplatte oder Bipolarplatte finden in einer elektrochemischen Zelle elektrochemische Reaktionen statt, wobei der Zelle zugeführte Fluide chemisch umgesetzt werden. Durch das Vorsehen von Stützstrukturen in jedem Halbblech innerhalb der Geometrie der Dichtungsanordnung kann die Verformung des Halbblechs oder der Halbbleche im Spritzgusswerkzeug stark reduziert werden, da eine lokale Versteifung des Halbblechs resultiert, die der Verformung entgegenwirkt. Das Spritzgussmaterial umfließt die Stützstruktur, bettet die Stützstruktur ein und führt zu einer zusätzlichen mechanischen Stabilisierung der Separatorplatte oder Bipolarplatte.
Bevorzugt weisen die Stützstrukturen im Querschnitt durch die Separatorplatte oder Bipolarplatte gesehen eine kegelige oder halbkugelige oder linsenartige Form auf. Derartige Stützstrukturen in dem Halbblech oder den beiden Halbblechen bewirken eine ausgezeichnete lokale Versteifung des Halbbleches. Bei einer Bipolarplatte lassen sich die Stützstrukturen besonders gut fluchtend übereinander ausrichten.
Es hat sich besonders bewährt, wenn die dreidimensionale Stützstruktur im Bereich der wellenförmig verlaufenden Dichtung in das Halbblech eingeformt ist und pro Wellenstruktur der wellenförmig verlaufenden Dichtung jeweils eine Stützstruktur im Halbblech ausgebildet ist. Es können aber auch mehrere Stützstrukturen pro Wellenstruktur vorgesehen werden, um die Versteifung des Halbblechs in diesem Bereich noch zu erhöhen.
Die wellenförmige Dichtung weist bevorzugt mehrere gerade Abschnitte auf, durch welche eine gemeinsame erste Gerade definiert ist, wobei die geraden Abschnitte jeweils durch Kurvenabschnitte miteinander verbunden sind. Hierbei entspricht der maximale, orthogonal zur genannten ersten Gerade zu messende Versatz eines jeden Kurvenabschnitts gegenüber den geraden Abschnitten der Dichtung beispielsweise mindestens dem Doppelten und höchstens dem Fünffachen der Breite der wellenförmigen Dichtung. Damit ist die Lauflänge der wellenförmigen Dichtung gegenüber einer denkbaren geraden Dichtleiste deutlich erhöht, ohne in zu großem Maße zusätzlichen Bauraum zu beanspruchen. Der minimale Krümmungsradius der wellenförmigen Dichtung kann in dieser Ausgestaltung insbesondere größer als die Breite der wellenförmigen Dichtung, jedoch kleiner als der genannte Versatz zwischen den Kurvenabschnitten und den geraden Abschnitten der wellenförmigen Dichtung sein. Insbesondere ist der minimale Krümmungsradius jeweils an den Übergängen zwischen einem geraden Abschnitt und einem Kurvenabschnitt der wellenförmigen Dichtung gegeben.
Vorzugsweise ist jede der Stützstrukturen auf einer Geraden angeordnet, die den geraden Abschnitt der zugeordneten Wellenstruktur mittig und in einem 90°-Winkel schneidet. Eine Wellenstruktur umfasst dabei einen geraden Abschnitt und zwei an diesen angrenzende Kurvenabschnitte.
Vorzugsweise weist die Stützstruktur in einem jeden Halbblech ausgehend von einer Oberfläche des Halbbleches eine Höhe auf, die einer maximalen Dicke D ± 20% der an das Halbblech angespritzten Dichtungsanordnung entspricht. Die Höhe der Stützstruktur ist demnach so ausgeführt, dass diese ein leichtes Untermaß (-20%) bis ein geringes Übermaß (+20%) bezogen auf eine Kavitätenhöhe der Kavität eines Spritzgusswerkzeugs zur Bildung der Dichtungsanordnung aufweist und sich die Stützstruktur so im Inneren des Spritzgusswerkzeug an diesem abstützen kann. Beim Schließen des Spritzgusswerkzeugs berühren die Stützstrukturen im Inneren der zwischen der Oberfläche der Separatorplatte oder Bipolarplatte und dem Spritzgusswerkzeug gebildeten Kavität das Spritzgusswerkzeug. Das oder die Halbbleche werden so in der gewünschten Position gehalten und wirken einer unerwünschten Verformung des oder der Halbbleche unmittelbar entgegen.
Die Anwendung von solchen Stützstrukturen kann in einem Haupt- oder auch in einem Nebendichtungsstrang der Dichtungsanordnung erfolgen. Als Nebendichtungsstrang werden insbesondere Dichtungsabschnitte bezeichnet, die zur Eindämmung von Strömungsbypässen neben dem Aktivfeld dienen, wie hier die wellenförmig ausgebildete Dichtung der Dichtungsanordnung. Die Separatorplatte ist aus einem profilierten Halbblech oder Blech aufgebaut und weist anodenseitig und kathodenseitig zur Strömungsleitung von Fluiden eingeprägte Strömungskanäle auf, welche insbesondere im Aktivfeld vorzugsweise parallel zu den geraden Abschnitten der wellenförmigen Dichtung ausgerichtet sind.
Die Bipolarplatte ist insbesondere aus zwei profilierten Halbblechen aufgebaut und weist anodenseitig und kathodenseitig zur Strömungsleitung von Fluiden eingeprägte Strömungskanäle auf, welche insbesondere im Aktivfeld vorzugsweise parallel zu den geraden Abschnitten der wellenförmigen Dichtung ausgerichtet sind. Die Halbbleche sind beispielsweise durch Schweißverbindungen stoffschlüssig miteinander verbunden. Aber auch ein Verkleben oder Verlöten der beiden Halbbleche miteinander ist möglich. Zwischen den profilierten Halbblechen ist bevorzugt ein für ein Kühlmittel durchström barer Raum ausgebildet.
Ein Halbblech einer Separatorplatte oder einer Bipolarplatte weist bevorzugt Blechstärken im Bereich von 50 bis 200 pm, insbesondere im Bereich von 50 bis 100 pm, auf.
Die erfindungsgemäße Separatorplatte oder Bipolarplatte ist zur Ausbildung einer elektrochemischen Zelle geeignet, insbesondere in Form einer Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle oder eines Polymerelektrolyt-Elektrolyseurs zur Elektrolyse von Wasser oder einer Redox-Flusszelle.
Die Aufgabe wird für das Verfahren zur Herstellung von Dichtungsanordnungen an einer erfindungsgemäßen Separatorplatte oder einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte gelöst mit den folgenden Schritten:
- Einlegen des Halbbleches oder zweier miteinander fest verbundener Halbbleche in ein Spritzgusswerkzeug, wobei sich eine Kavität zur Ausformung einer Dichtungsanordnung zwischen dem Halbblech und dem Spritzgusswerkzeug ausbildet, wobei die dreidimensionale Stützstruktur sich in der Kavität gegen das Spritzgusswerkzeug ab- stützt,
- Einspritzen von Spritzgussmaterial in die Kavität unter zumindest teilweiser Einbettung der Stützstruktur in das Spritzgussmaterial,
- Aushärten des Spritzgussmatenals in der Kavität und
- Entformen der Separatorplatte oder Bipolarplatte mit der/den daran angeformten Dichtungsanordnung(en).
Die Stützstruktur wirkt demnach als Abstandshalter zwischen dem jeweiligen Halbblech und dem Spritzgusswerkzeug und verhindert eine Verwölbung des Halbblechs oder der Halbbleche beim Schließen des Spritzgusswerkzeugs. Zudem wird die Stützstruktur in die Dichtungsanordnung eingebettet, wobei lediglich Bereiche der Stützstruktur, die beim Spritzvorgang an dem Spritzgusswerkzeug anliegen, von Spritzgussmaterial unbedeckt verbleiben können. Die Stützstrukturen beeinträchtigen dadurch nicht die Dichtfunktion der Dichtungsanordnung. Vielmehr führen die Stützstrukturen zu einer höheren Maßhaltigkeit der Dichtungsanordnung und ermöglichen eine genauere Abformung der Kavität des Spritzgusswerkzeuges mit Spritzgussmaterial. Es resultiert eine detailgetreue und präzise geformte Dichtungsanordnung, angespritzt an eine oder beide Seiten eines Halbblechs einer Separatorplatte oder angespritzt an jedes der Halbbleche einer Bipolarplatte.
Die Aufgabe wird für die elektrochemische Zelle umfassend eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Separatorplatten oder erfindungsgemäßen Bipolarplatten und mindestens eine zwischen zwei Separatorplatten oder Bipolarplatten angeordnete Membran- Elektroden-Anordnung, die einen zentralen, angrenzend an ein Aktivfeld liegenden Bereich und einen senkrecht zu der von der Separatorplatte oder der Bipolarplatte aufgespannten Ebene gesehen außerhalb des Aktivfeldes angeordneten Bereich aufweist, wobei sich die wellenförmig verlaufende Dichtung an der Grenze zwischen den genannten Bereichen befindet. Die Membran-Elektroden-Anordnung kann beispielsweise siebenlagig aufgebaut sein und umfasst in der Regel eine Membrane, ausgehend von der Membrane beidseitig aufgebrachte Elektrodenschichten zur Ausbildung einer Anode und einer Kathode, beidseitig aufgebrachte Katalysatorschichten und optional beidseitig angeordnete poröse Fluidverteilerschichten. Die Membran-Elektroden-Anordnung weist im Randbereich häufig einen damit fest verbundenen Kunststoffstützrahmen zur Verstärkung auf. Die Elektrodenschichten, die Katalysatorschichten und die Fluidverteilerschichten befinden sich dann innerhalb des Kunststoffstützrahmens, der das jeweilige Aktivfeld der an die Membran-Elektroden-Anordnung angrenzenden Separatorplatten oder Bipolarplatten umschließt und häufig eine Kontaktfläche für die Dichtungsanordnung auf der angrenzenden Separatorplatte oder Bipolarplatte bereitstellt. Die Membrane selbst ist je nach Art der elektrochemischen Zelle vorzugsweise eine Polymerelektrolytmembrane oder eine polymere lonenaustauschmembrane.
Unmittelbar neben der wellenförmigen Dichtung der Dichtungsanordnung befindet sich bevorzugt ein Bypasskanal für ein Fluid, welches die elektrochemische Zelle durchströmt. Die Entstehung eines solchen Bypasskanales kann insbesondere mit dem Zusammenpressen von Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung und der Rahmenanordnung der Separatorplatte oder Bipolarplatte beim Zusammenbau erfolgen. Die Form des Bypasskanales folgt dem Verlauf der wellenförmigen Dichtung.
Bei der elektrochemischen Zelle handelt es sich bevorzugt um eine Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle oder einen Polymerelektrolyt-Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser oder eine Redox-Flusszelle. Eine solche Brennstoffzelle ist für stationäre Anwendungen ebenso wie für mobile Anwendungen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, geeignet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Hierin zeigen: Fig. 1 eine Separatorplatte oder Bipolarplatte in einer schematischen Draufsicht,
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Separatorplatte oder Bipolarplatte gemäß Figur 1 (dort mit einem Kreis gekennzeichnet) in perspektivischer Ansicht,
Fig. 3 den Ausschnitt gemäß Figur 2 ohne Dichtungsanordnung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 4 den Ausschnitt aus Figur 1 in einer weiteren vergrößerten Darstellung,
Fig. 5 und 6 einen Schnitt durch eine Bipolarplatte und eine einseitig an diese angrenzende Membran-Elektroden-Anordnung im Bereich der Dichtungsanordnung,
Fig. 7a im Schnitt ein Spritzgusswerkzeug mit eingespanntem Halbblech nach dem Stand der Technik,
Fig. 7b im Schnitt ein Spritzgusswerkzeug mit eingespanntem Halbblech aufweisend eine Stützstruktur im Bereich der zu bildenden Dichtungsanordnung,
Fig. 8a im Schnitt ein Spritzgusswerkzeug mit eingespannter Bipolarplatte umfassend zwei Halbbleche nach dem Stand der Technik,
Fig. 8b im Schnitt ein Spritzgusswerkzeug mit eingespannter Bipolarplatte umfassend zwei Halbbleche aufweisend jeweils eine Stützstruktur im Bereich der zu bildenden Dichtungsanordnungen,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer schematisch dargestellten Bipolarplatte, und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelle in einem Zellstapel.
Figur 1 zeigt eine Separatorplatte 28 oder eine Bipolarplatte 1 in einer schematischen Draufsicht. Die Separatorplatte 28 oder Bipolarplatte 1 weist ein Aktivfeld 2 und eine das Aktivfeld 2 umgebende Rahmenanordnung 11 auf. Der Rahmenanordnung 11 zuzurechnen ist weiterhin eine Dichtungsanordnung 15 vorhanden, welche eine, in Draufsicht auf eine von der Separatorplatte 28 aufgespannte Ebene (x-y-Ebene) wellenförmig verlaufende Dichtung 16 umfasst. Im Bereich der Dichtungsanordnung 15 in dem Halbblech 3 ist eine dreidimensionale Stützstruktur 29 eingeformt, wobei die Stützstruktur 29 aus der von der Separatorplatte 28 oder Bipolarplatte 1 aufgespannten x-y-Ebene in Richtung des Betrachters ragend ausgebildet ist.
Zur Strömungsleitung von Fluiden, wie Wasserstoff, Luft, Kühlmittel und dergleichen, sowie zur Ableitung von Fluiden sind durch die Separatorplatte 28 oder Bipolarplatte 1 auf einer Seite des Aktivfeldes 2 drei Fluiddurchlassöffnungen 5, 6, 7 und auf der ge- genüäberliegenden Seite des Aktivfeldes 2 drei weitere Fluiddurchlassöffnungen 8, 9, 10 ausgebildet.
Figur 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Separatorplatte 28 oder Bipolarplatte 1 gemäß Figur 1 in perspektivischer Ansicht. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Zu erkennen ist nun die Dichtungsanordnung 15 mit der wellenförmigen Dichtung 16 auf einem Halbblech 3 sowie in dieses eingeformte Stützstrukturen 29 im Bereich der wellenförmigen Dichtung 16. Weiterhin ist das Aktivfeld 2 mit seinen eingeformten Fluidkanälen 21 und ein an die wellenförmige Dichtung 16 angrenzender Bypasskanal 25 erkennbar. Die wellenförmige Dichtung 16 zeigt in diesem Ausschnitt vier Wellenstrukturen mit jeweils einer mittig in der Wellenstruktur angeordneten Stützstruktur 29 auf.
Figur 3 zeigt den Ausschnitt gemäß Figur 2 ohne Dichtungsanordnung 15 in perspektivischer Ansicht. Gleiche Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 2 kennzeichnen gleiche Elemente. Deutlich ist nun die aus dem Halbblech 3 ragende kegelige Form von drei Stützstrukturen 29 zu erkennen.
Figur 4 zeigt den Ausschnitt aus Figur 1 in einer weiteren vergrößerten Darstellung.
Gleiche Bezugszeichen wie in den Figuren 1 bis 3 kennzeichnen gleiche Elemente.
Die Dichtungsanordnung 15 weist eine Leistenstruktur 17 auf, wobei die wellenförmige Dichtung 16 die innerste Leiste der Leistenstruktur 17 darstellt. Im Unterschied zu den weiter außenliegenden Leisten der Leistenstruktur 17 beschreibt die wellenförmige Dichtung 16 alternierend gerade Abschnitte 23 und Kurvenabschnitte 24, welche annähernd die Form einer halben Sinusschwingung aufweisen. Die in der Draufsicht erkennbare Breite der wellenförmigen Dichtung 16 ist mit BD bezeichnet. Unmittelbar neben der wellenförmigen Dichtung 16, in Richtung zum Aktivfeld 2, ist der Bypasskanal 25 erkennbar, welcher dem Verlauf der wellenförmigen Dichtung 16 folgt und eine Bypasskanalbreite BB aufweist. Im Fall des Bypasskanales 25 sind gerade Abschnitte mit 26 und gekrümmte Abschnitte mit 27 bezeichnet. Der orthogonal zu den geraden Abschnitten 23 der wellenförmigen Dichtung 16 zu messende maximale Abstand der Kurvenabschnitte 24 von den geraden Abschnitten 23 wird als maximaler Versatz Vm bezeichnet und stellt quasi die Amplitude der in Form von Halbwellen vielfach ausgelenkten wellenförmigen Dichtung 16 dar. Der mit MD bezeichnete minimale Radius der wellenförmigen Dichtung 16 ist an den Übergängen zwischen den geraden Abschnitten 23 und den Kurvenabschnitten 24 zu finden. Der minimale Krümmungsradius MD der wellenförmigen Dichtung 16 ist größer als deren Breite BD, jedoch kleiner als der genannte Versatz Vm.
Figur 5 und Figur 6 zeigen jeweils einen Schnitt durch eine Bipolarplatte 1 und eine einseitig an diese angrenzende Membran-Elektroden-Anordnung 12 im Bereich der Dichtungsanordnung 15. Die Bipolarplatte 1 weist zwei miteinander verschweißte Halbbleche 3, 4 auf. Auf der, der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zugewandten Oberfläche der Bipolarplatte 1 ist eine Dichtungsanordnung 15 an das Halbblech 3 angespritzt, die eine wellenförmige Dichtung 16 umfasst. Auf der, der Membran- Elektroden-Anordnung 12 abgewandten Oberfläche der Bipolarplatte 1 ist eine Dichtungsanordnung 15' an das Halbblech 4 angespritzt, die eine wellenförmige Dichtung 16' umfasst. In Figur 5 ist der Verlauf der Dichtungsanordnung 15 unterhalb der Membran-Elektroden-Anordnung 12 mit gestrichelten Linien angedeutet. Zwischen den beiden Halbblechen 3, 4 sind im Bereich des Aktivfeldes 2 Kühlmittelkanäle 20 ausgebildet. Zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und der Bipolarplatte 1 sind im Bereich des Aktivfeldes 2 Fluidkanäle 21 vorhanden. Auf der, der Membran- Elektroden-Anordnung 12 abgewandten Seite der Bipolarplatte 1 sind im Bereich des Aktivfeldes 2 weitere Fluidkanäle 22 vorhanden. Ein mit 13 bezeichneter zentraler Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung 12, welcher sich größtenteils über dem Aktivfeld 2 befindet, ist zu unterscheiden von einem äußeren Bereich 14 der Membran- Elektroden-Anordnung 12, welcher auf der Rahmenanordnung 11 aufliegt und teilweise über diesen hinausragt.
Ist im vorliegenden Fall die Rede davon, dass eine Komponente auf einer anderen Komponente aufliegt, so bezieht sich dies auf die in den Figuren sichtbare Anordnung und beinhaltet keine Aussage über die im bestimmungsgemäßen Betrieb gegebene Ausrichtung der Bauteile im Raum.
Fig. 7a zeigt im Schnitt ein Spritzgusswerkzeug umfassend ein Oberteil 18 und ein Unterteil 19 mit einem dazwischen eingespannten Halbblech 3 nach dem Stand der Technik. Zwischen dem Halbblech 3 und dem Oberteil 18 des Spritzgusswerkzeugs ist eine Kavität K1 ausgebildet. Zwischen dem Halbblech 3 und dem Unterteil 19 des Spritzgusswerkzeugs ist eine Kavität K2 ausgebildet. Aufgrund der Klemmkräfte des Oberteils 18 gegen das Unterteil 19 wölbt sich das dünne Halbblech 3 auf in Richtung der Kavität K1 , so dass die Kavität K1 kleiner ist als die Kavität K2. Beim Einspritzen von Spritzgussmaterial 30 in die Kavitäten K1 , K2 wird im Bereich der Kavität K1 in Folge weniger Spritzgussmaterial 30 eingebracht als in Kavität K2. Nach einem Aushärten des Spritzgussmaterials 30 und einem Öffnen des Spritzgusswerkzeuges nimmt das Halbblech 3 seine ursprünglich ebene Form wieder ein. Die zwischen dem Oberteil 18 des Spritzgusswerkzeugs und dem Halbblech 3 gebildete Dichtungsanordnung 15 ist nun dünner als gefordert ausgebildet, während die zwischen dem Unterteil 19 des Spritzgusswerkzeugs und dem Halbblech 3 gebildete Dichtungsanordnung 15' dicker als gefordert ausgebildet ist.
Fig. 7b zeigt im Schnitt ein Spritzgusswerkzeug mit eingespanntem Halbblech 3 aufweisend eine Stützstruktur 29 im Bereich der zu bildenden Dichtungsanordnungen 15, 15'. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 7a kennzeichnen gleiche Elemente. Die Stützstruktur 29 versteift das Halbblech 3 und stützt sich am Oberteil 18 des Spritzgusswerkzeugs ab. Dadurch kann eine unerwünschte Verformung des Halbbleches 3 nicht auftreten. Beim Einspritzen von Spritzgussmatenal 30 in die Kavitäten K1 , K2 füllen sich die Kavitäten K1 , K2 mit der gewünschten Menge Spritzgussmaterial. Nach einem Aushärten des Spritzgussmaterials 30 und einem Öffnen des Spritzgusswerkzeuges liegt die zwischen dem Oberteil 18 des Spritzgusswerkzeugs und dem Halbblech 3 gebildete Dichtungsanordnung 15 sowie die zwischen dem Unterteil 19 des Spritzgusswerkzeugs und dem Halbblech 3 gebildete Dichtungsanordnung 15' in der geforderten Dimensionierung vor.
Fig. 8a zeigt im Schnitt ein Spritzgusswerkzeug mit eingespannter Bipolarplatte 1 umfassend zwei Halbbleche 3, 4 nach dem Stand der Technik. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 7a kennzeichnen gleiche Elemente. Zwischen dem Halbblech 3 und dem Oberteil 18 des Spritzgusswerkzeugs ist eine Kavität K1 ausgebildet. Zwischen dem Halbblech 4 und dem Unterteil 19 des Spritzgusswerkzeugs ist eine Kavität K2 ausgebildet. Aufgrund der Klemmkräfte des Oberteils 18 gegen das Unterteil 19 wölben sich die dünnen Halbbleche 3, 4 auf in Richtung der Kavitäten K1 , K2, so dass die Kavitäten K1 , K2 kleiner werden. Beim Einspritzen von Spritzgussmaterial 30 in die Kavitäten K1 , K2 wird im Bereich der Kavitäten K1 , K2 in Folge weniger Spritzgussmaterial 30 eingebracht als benötigt. Nach einem Aushärten des Spritzgussmaterials 30 und einem Öffnen des Spritzgusswerkzeuges nehmen die Halbbleche 3, 4 ihre ursprünglich ebene Form wieder ein. Die zwischen dem Oberteil 18 des Spritzgusswerkzeugs und dem Halbblech 3 gebildete Dichtungsanordnung 15 und auch die zwischen dem Unterteil 19 des Spritzgusswerkzeugs und dem Halbblech 4 gebildete Dichtungsanordnung 15' sind dünner als gefordert ausgebildet.
Fig. 8b zeigt im Schnitt ein Spritzgusswerkzeug mit eingespannter Bipolarplatte 1 umfassend zwei Halbbleche 3, 4 jeweils aufweisend jeweils eine Stützstruktur 29 im Bereich der zu bildenden Dichtungsanordnungen 15, 15'. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 7b kennzeichnen gleiche Elemente. Die Stützstrukturen 29 versteifen die Halbbleche 3, 4 und stützen sich im Fall von Halbblech 3 am Oberteil 18 des Spritzgusswerkzeugs und im Fall von Halbblech 4 am Unterteil 19 des Spritzgusswerkzeugs ab. Dadurch kann eine unerwünschte Verformung der Halbbleche 3, 4 nicht auftreten. Beim Einspritzen von Spritzgussmaterial 30 in die Kavitäten K1 , K2 füllen sich die Kavitäten K1 , K2 mit der gewünschten Menge Spritzgussmaterial. Nach einem Aushärten des Spritzgussmaterials 30 und einem Öffnen des Spritzgusswerkzeuges liegt die zwischen dem Oberteil 18 des Spritzgusswerkzeugs und dem Halbblech 3 gebildete Dichtungsanordnung 15 sowie die zwischen dem Unterteil 19 des Spritzgusswerkzeugs und dem Halbblech 4 gebildete Dichtungsanordnung 15' in der geforderten Dimensionierung vor.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer schematisch dargestellten Bipolarplatte 1. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 kennzeichnen gleiche Elemente.
Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelle 40 in einem Zellstapel 50 umfassend eine Vielzahl an elektrochemischen Zellen 40. Die elektrochemische Zelle 40 umfasst eine Mehrzahl an Bipolarplatten 1 , 1 ' und mindestens eine zwischen zwei Bipolarplatten 1 , 1 ' angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung 12, 12', die einen zentralen, angrenzend an das Aktivfeld 2 liegenden Bereich 13 und einen senkrecht zu der von der Bipolarplatte 1 aufgespannten Ebene gesehen außerhalb des Aktivfeldes 2 angeordneten Bereich 14 aufweist, wobei sich die wellenförmig verlaufende Dichtung 16 an der Grenze zwischen den genannten Bereichen 13, 14 befindet, vergleiche hierzu auch Figur 6.
Insgesamt trägt die beschriebene Ausgestaltung der Dichtungsanordnung 15 maßgeblich zu einer gleichförmigen Durchströmung des Aktivfeldes 2 bei zugleich guter Dichtungswirkung und raumsparender Stapelung der Bipolarplatten 1 , 1 ' bei. Bezuqszeichenliste , r Bipolarplatte
Aktivfeld
Halbblech
Halbblech
Fluiddurchlassöffnung
Fluiddurchlassöffnung
Fluiddurchlassöffnung
Fluiddurchlassöffnung
Fluiddurchlassöffnung 0 Fluiddurchlassöffnung 1 Rahmenanordnung 2, 12' Membran-Elektroden-Anordnung 3 zentraler Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung4 äußerer Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung5, 15' Dichtungsanordnung 6, 16' wellenförmige Dichtung 7 Leistenstruktur 8 Spritzgusswerkzeug, Oberteil 9 Spritzgusswerkzeug, Unterteil 0 Kühlmittelkanal 1 Fluidkanal 2 Fluidkanal 3 gerader Abschnitt der wellenförmigen Dichtung4 Kurvenabschnitt 5 Bypasskanal 6 gerader Abschnitt 7 gekrümmter Abschnitt 8 Separatorplatte 9 Stützstruktur 0 Spritzgussmatenal 40 elektrochemische Zelle
50 Zellstapel
BB Bypasskanalbreite
BD Breite der wellenförmigen Dichtung
MD minimaler Radius der wellenförmigen Dichtung
Vm maximaler Versatz
K1 , K2 Kavität

Claims

Patentansprüche
1 . Separatorplatte (28), umfassend ein Halbblech (3, 4) mit einem Aktivfeld (2), einer das Aktivfeld (2) umgebenden Rahmenanordnung (11 ), sowie einer, der Rahmenanordnung (11 ) zuzurechnenden Dichtungsanordnung (15, 15'), welche eine, in Draufsicht auf eine von der Separatorplatte (28) aufgespannte Ebene wellenförmig verlaufende Dichtung (16, 16') umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Dichtungsanordnung (15, 15') in dem Halbblech (3, 4) eine dreidimensionale Stützstruktur (29) eingeformt ist, wobei die Stützstruktur (29) aus der von der Separatorplatte (28) aufgespannten Ebene ragend ausgebildet ist.
2. Bipolarplatte (1 ), umfassend ein erstes Halbblech (3) und ein zweites Halbblech (4) mit jeweils einem Aktivfeld (2), einer das Aktivfeld (2) jeweils umgebenden Rahmenanordnung (11 ), sowie einer, der Rahmenanordnung (11 ) zuzurechnenden Dichtungsanordnung (15, 15'), welche eine, in Draufsicht auf eine von der Bipolarplatte (1 ) aufgespannte Ebene wellenförmig verlaufende Dichtung (16, 16') umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Dichtungsanordnung (15, 15') in den beiden Halbblechen (3, 4) eine dreidimensionale Stützstruktur (29) eingeformt ist, wobei die Stützstrukturen (29) der beiden Halbbleche (3, 4) aus der von der Bipolarplatte (1 ) aufgespannten Ebene in entgegengesetzte Richtungen ragend und senkrecht zur Ebene gesehen fluchtend übereinander ausgebildet sind.
3. Separatorplatte (28) oder Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (29) im Querschnitt durch die Separatorplatte (28) oder die Bipolarplatte (1 ) gesehen eine kegelige oder halbkugelige oder linsenartige Form aufweist.
4. Separatorplatte (28) oder Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (29) im Bereich der wellen- förmig verlaufenden Dichtung (16, 16') in das Halbblech (3, 4) eingeformt ist und pro Wellenstruktur der wellenförmig verlaufenden Dichtung (16, 16') jeweils eine Stützstruktur (29) im Halbblech (3, 4) ausgebildet ist.
5. Separatorplatte (28) oder Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenförmige Dichtung (16, 16') mehrere gerade Abschnitte (23) aufweist, durch welche eine gemeinsame Gerade definiert ist, wobei die geraden Abschnitte (23) jeweils durch Kurvenabschnitte (24) miteinander verbunden sind.
6. Separatorplatte (28) oder Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Stützstrukturen (29) auf einer Geraden angeordnet ist, die den geraden Abschnitt (23) der zugeordneten Wellenstruktur mittig und in einem 90°-Winkel schneidet.
7. Separatorplatte (28) oder Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (29) in dem Halbblech (3, 4) ausgehend von einer Oberfläche des Halbbleches (3, 4) eine Höhe aufweist, die einer maximalen Dicke D ± 20% der an das Halbblech (3, 4) an dieser Oberfläche angespritzten Dichtungsanordnung (15, 15') entspricht.
8. Verfahren zur Herstellung von Dichtungsanordnungen (15, 15') an einer Separatorplatte (28) oder einer Bipolarplatte (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis
7, mit folgenden Schritten:
- Einlegen des Halbbleches (3, 4) oder zweier miteinander fest verbundener Halbbleche (3, 4) in ein Spritzgusswerkzeug (18, 19), wobei sich eine Kavität (K1 , K2) zur Ausformung einer Dichtungsanordnung (15, 15') zwischen dem Halbblech (3, 4) und dem Spritzgusswerkzeug (18, 19) ausbildet, wobei die dreidimensionale Stützstruktur (29) sich in der Kavität (K1 , K2) gegen das Spritzgusswerkzeug (18, 19) abstützt, - Einspritzen von Spritzgussmaterial (30) in die Kavität (K1 , K2) unter zumindest teilweiser Einbettung der Stützstruktur (29) in das Spritzgussmaterial (30),
- Aushärten des Spritzgussmaterials (30) in der Kavität (K1 , K2) und
- Entformen der Separatorplatte (28) oder Bipolarplatte (1 ) mit der/den daran angeformten Dichtungsanordnung(en) (15, 15').
9. Elektrochemische Zelle (40), umfassend eine Mehrzahl an Separatorplatten (28) oder Bipolarplatten (1 , 1 ') nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und mindestens eine zwischen zwei Separatorplatten (28) oder Bipolarplatten (1 , 1 ') angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (12, 12'), die einen zentralen, angrenzend an ein Aktivfeld (2) liegenden Bereich (13) und einen senkrecht zu der von der Separatorplatte (28) oder der Bipolarplatte (1 ) aufgespannten Ebene gesehen außerhalb des Aktivfeldes (2) angeordneten Bereich (14) aufweist, wobei sich die wellenförmig verlaufende Dichtung (16, 16') an der Grenze zwischen den genannten Bereichen (13, 14) befindet.
10. Elektrochemische Zelle (40) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle oder einen Polymerelektrolyt- Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser oder eine Redox-Flusszelle handelt.
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