DE102012210066A1 - Method for manufacturing graphite bipolar plate of PEM fuel cell, involves press-molding graphite powder and carbonaceous bonding agent, thermal-treating molded workpiece, and representing channel structure of fuel cell by lost mold core - Google Patents

Abstract

The method involves press-molding graphite powder and carbonaceous bonding agent, and thermal-treating molded workpiece. A channel structure of a fuel cell is represented by a lost mold core, where the channel structure is provided with a cross-section closed over wide areas for conveying fluid. The lost mold core is removed from a formed bipolar plate in a thermal manner by performing pyrolytic decomposing of the bonding agent, where the lost mold core is made of a polymer. The lost mold core is manufactured by pressing on a carrier in a form of a graphite film.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Graphit-Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die eine Kanalstruktur mit über weite Bereiche geschlossenem Querschnitt zur Führung eines Fluids enthält. Eine Kanalstruktur mit geschlossenem Querschnitt kann im weitesten Sinne als ein System mit einem oder mehreren Rohren oder Bohrungen bezeichnet werden, die in der Bipolarplatte verlaufen, wobei ausdrücklich darauf hingewiesen sei, dass die Kanalstruktur nur abschnittsweise einen geschlossenen Querschnitt aufweisen soll, so dass es durchaus auch Abschnitte der Kanalstruktur mit offenem Querschnitt, in dem sich der jeweilige Kanal-Abschnitt also nach Art einer Rinne darstellt, geben kann.The invention relates to a method for producing a graphite bipolar plate for a fuel cell, which contains a channel structure with over a wide areas closed cross section for guiding a fluid. A channel structure with a closed cross-section can be referred to in the broadest sense as a system with one or more tubes or bores extending in the bipolar plate, it being expressly understood that the channel structure should only partially have a closed cross-section, so that it may well Portions of the channel structure with an open cross-section, in which the respective channel section is thus in the manner of a channel, can give.

Bipolarplatten von PEM-Brennstoffzellen bestehen üblicherweise aus metallischen Werkstoffen; wegen ihrer hohen Temperaturbeständigkeit und guter chemischer Beständigkeit werden aber auch Bipolarplatten aus Graphit bzw. einem Graphit-Compound mit einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel insbesondere in Form eines Hochtemperatur-Polymers, beispielsweise eines Phenolharzes, entwickelt. Bekanntlich befindet sich in Bipolarplatten eine Kanalstruktur für die Führung der in der Brennstoffzelle miteinander reagierenden Reaktanden und somit Hohlräume, welche die Fertigung einer Bipolarplatte erschweren. Angedacht ist beispielsweise, die Bipolarplatte aus einer oberen Hälfte und einer unteren Hälfte zusammen zu fügen, wobei jede Hälfte mit integrierter quasi „halber” bzw. geteilter Kanalstruktur. die jeweils für sich einen offen Querschnitt aufweist durch Spritzgießen hergestellt wird. Das anschließende dichte Zusammenfügen dieser beiden Hälften zur Bildung der geschlossenen Querschnitte der Kanalstruktur ist jedoch äußerst aufwändig.Bipolar plates of PEM fuel cells are usually made of metallic materials; because of their high temperature resistance and good chemical resistance but also bipolar plates made of graphite or a graphite compound with a carbon-containing binder in particular in the form of a high-temperature polymer, such as a phenolic resin, developed. As is known, in bipolar plates there is a channel structure for the guidance of the reactants reacting with one another in the fuel cell and thus cavities which make the production of a bipolar plate more difficult. For example, it is envisaged to join the bipolar plate together from an upper half and a lower half, each half having an integrated "half" or split channel structure. each of which has an open cross-section by itself is produced by injection molding. However, the subsequent tight joining of these two halves to form the closed cross sections of the channel structure is extremely complicated.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein demgegenüber günstigeres Herstell-Verfahren für eine Graphit-Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, die eine Kanalstruktur mit über weite Bereiche geschlossenem Querschnitt zur Führung eines Fluids enthält, aufzuzeigen.The object of the present invention is to provide a comparatively more advantageous manufacturing method for a graphite bipolar plate of a fuel cell, which contains a channel structure with a closed cross section over a wide area for guiding a fluid.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht im Pressformen von Graphitpulver und einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel und anschließendem thermischen Behandeln, beispielsweise Glühen, des geformten Werkstücks, d. h. der Bipolarplatte, wobei die Kanalstruktur durch einen eingebrachten verlorenen Formkern dargestellt wird.The solution to this problem is to press-mold graphite powder and a carbonaceous binder, followed by thermal treatment, such as annealing, of the formed workpiece, d. H. the bipolar plate, wherein the channel structure is represented by an introduced lost mold core.

Die Verwendung verlorener Formkerne ist insbesondere beim Herstellen von Werkstücken durch Gießen bekannt. Bekannt ist auch die sog. lost-foam-Technik, wonach verlorene Formkerne in einem Polymerschaum-Material ausgeführt sind, welches gegen Ende des Herstellprozesses des jeweiligen Werkstücks auf thermischem Wege aus dem Werkstück entfernt wird. Vorzugsweise ein solches lost-foam-Verfahren wird auch vorliegend vorgeschlagen, d. h. in besonders wirtschaftlicher Weise kann kurzfristig und insbesondere ohne Beschädigungsgefahr für die Bipolarplatte der aus einem Polymer hergestellte und vorzugsweise durch Polymerschaum gebildete verlorene Formkern aus der formgepressten Bipolarplatte auf thermische Weise, d. h. durch Schmelzen des Formkerns bis zum gasförmigen Zustand unter Wärmezufuhr und „Ausdampfen” des den Formkern bildenden Materials entfernt werden. Im Sinne einer Funktionsvereinigung besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das thermische Entfernen des Formkerns zusammen mit dem üblicherweise durchzuführenden thermischen Zersetzen (= „Behandeln”) des Bindemittels des geformten Werkstücks, nämlich dem oben genannten Glühen, durchgeführt wird, im Rahmen dessen das Bindemittel größtenteils in im zu fertigenden Werkstück verbleibenden Kohlenstoff umgewandelt wird, während flüchtige Bestandteile des Bindemittels abgespalten werden. Es kann also das thermische Entfernen des verloren Formkerns gleichzeitig mit einem ohnehin durchzuführenden Wärmebehandlungsprozess durchgeführt werden, bei dem gewünschte Eigenschaften der Bipolarplatte eingestellt werden, und insbesondere zusammen mit der bereits genannten Verfestigung der Bipolarplatte durch pyrolytische Zersetzung sowohl des Bindemittels, welche eine Verfestigung der Bipolarplatte bewirkt, als auch der thermischen Zersetzung des verlorenen Formkerns.The use of lost mandrels is particularly known in the manufacture of workpieces by casting. Also known is the so-called lost-foam technique, according to which lost mandrels are made in a polymer foam material which is thermally removed from the workpiece toward the end of the manufacturing process of the respective workpiece. Preferably, such a lost-foam method is also proposed herein, d. H. In a particularly economical manner, in the short term and in particular without any risk of damaging the bipolar plate, the lost mold core made of a polymer and preferably formed by polymer foam from the compression-molded bipolar plate in a thermal manner, ie. H. be removed by melting the mold core to the gaseous state with heat and "evaporation" of the mold core forming material. In the context of a functional association, it is particularly advantageous if the thermal removal of the mandrel is carried out together with the thermal decomposition (= "treating") of the binder of the shaped workpiece, namely the abovementioned annealing, which is usually carried out is converted to carbon remaining in the workpiece to be machined while releasing volatile components of the binder. Thus, the thermal removal of the lost mandrel can be performed simultaneously with a heat treatment process to be performed anyway, in which desired properties of the bipolar plate are adjusted, and in particular together with the already mentioned solidification of the bipolar plate by pyrolytic decomposition of both the binder, which causes a solidification of the bipolar plate , as well as the thermal decomposition of the lost mold core.

Es kann der verlorene Formkern, dessen Gestalt der Kanalstruktur bzw. den im Querschnitt über weite Bereiche geschlossene Kanäle bildenden Hohlräumen in der Bipolarplatte entspricht, durch Ausstanzen aus einer gegebenen Vollstruktur oder durch Gießen hergestellt werden; alternativ kann der verlorene Formkern durch Aufdrucken insbesondere auf eine beim Entfernen des Formkerns in der Bipolarplatte verbleibenden Träger, welcher vorzugsweise durch eine Graphitfolie gebildet ist, hergestellt werden.The lost mold core, the shape of which corresponds to the channel structure or the cavities in the bipolar plate which form closed channels in cross-section over a wide area, can be produced by punching out of a given solid structure or by casting; Alternatively, the lost mold core can be produced by printing, in particular, on a support remaining in the bipolar plate when the mold core is removed, which is preferably formed by a graphite foil.

Mit einem solchen Formkern kann daraufhin eine Graphit-Bipolarplatte beispielsweise wie folgt hergestellt werden: Zunächst wird Graphit und ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel, ersteres in Pulverform und letzteres beispielsweise in Form von Phenolharzgranulat, gekühlt zum sog. Compound gemischt. Eine erste Teilmenge dieses Gemischs/Compounds wird gekühlt in ein unteres Formwerkzeug eingerieselt, d. h. eingefüllt und in einem ersten Schritt vorzugsweise ohne Wärmezufuhr und ohne Fixierung des Compounds – fakultativ jedoch auch mit Wärmezufuhr und Grund-Fixierung möglich – durch Schließen des Werkzeugs mit einem entsprechenden Ober-Formwerkzeug unter Druck zu einer unteren Hälfte der Bipolarplatte vorgeformt, d. h. pressgeformt. Auf diese vorgeformte untere Hälfte der Bipolarplatte wird anschließend der vorgefertigte sog. verlorene, jedoch im jetzigen Zustand noch vollständige Formkern exakt platziert aufgelegt und somit auch in das untere Formwerkzeug eingelegt, woraufhin der zweite Teil des pulverförmigen Gemischs aus Graphit und Phenolharzgranulat (= Compound) eingefüllt und damit der Formkern bedeckt wird. Daraufhin wird die Bipolarplatte (als zu formendes Werkstück) mit einem anderen entsprechenden Ober-Formwerkzeug in Form gepresst und hierbei durch Druck und Wärmezufuhr fixiert, wobei eine Vernetzung des Phenolharzes erfolgt.With such a mold core, a graphite bipolar plate can then be produced, for example, as follows: First, graphite and a carbonaceous binder, the former in powder form and the latter, for example in the form of phenolic resin granules, cooled to the so-called compound mixed. A first portion of this mixture / compound is cooled to a lower mold, d. H. filled and preformed in a first step preferably without heat and without fixation of the compound - but optionally also with heat and ground fixation - by closing the tool with a corresponding upper mold under pressure to a lower half of the bipolar plate, d. H. press-formed. On top of this preformed lower half of the bipolar plate, the prefabricated so-called lost but still complete mold core is placed exactly placed in the current state and thus placed in the lower mold, whereupon filled the second part of the powdery mixture of graphite and phenolic resin (= compound) and thus the mold core is covered. Then, the bipolar plate (as a workpiece to be molded) is pressed into shape with another corresponding upper mold and thereby fixed by pressure and heat, whereby a cross-linking of the phenolic resin takes place.

Im nächsten Verfahrensschritt wird diese vorgeformte und noch den Formkern enthaltende Bipolarplatte aus dem Formwerkzeug entnommen und einem thermischen Prozess (= thermische Behandlung), vorzugsweise ohne Zufuhr von Sauerstoff, zugeführt, in dem sowohl das Phenolharz als auch der verlorene Formkern zersetzt werden. Die flüchtigen Zersetzungsprodukte werden dabei abgeschieden und es werden die weiteren Prozessschritte wie im Stand der Technik des Pressformens und anschließenden Glühens zur Verfestigung von Kohlenstoff-Bauteilen üblich durchgeführt.In the next process step, this preformed and still the mold core containing bipolar plate is removed from the mold and a thermal process (= thermal treatment), preferably supplied without supply of oxygen, in which both the phenolic resin and the lost mold core are decomposed. The volatile decomposition products are deposited and the further process steps are carried out as usual in the prior art of press-forming and subsequent annealing to solidify carbon components.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens besteht darin, dass dieses mehrstufig durchgeführt werden kann, d. h. die Bipolarplatte kann in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten vorgeformt werden, wobei in verschiedenen Schritten nacheinander verschiedene verlorene Formkerne eingebracht werden. Es wird dann abweichend von der vorhergehenden Schilderung auf die vorgeformte untere Hälfte der Bipolarplatte ein erster Formkern aufgesetzt, welcher daraufhin mit einem Teil des Gemischs aus Graphitpulver und Phenolharzgranulat bedeckt wird, wonach ein weiteres Vorformen durch zumindest geringes Verpressen durchgeführt wird. Auf diese damit geschaffene „Zwischenstruktur” kann ein anderer verlorener Formkern platziert werden, welcher daraufhin mit dem Rest des Gemischs aus Graphitpulver und Phenolharzgranulat bedeckt wird. Daraufhin erfolgt das bereits beschriebene Formpressen mit Wärmezufuhr, wobei eine Vernetzung des Phenolharzes stattfindet, und daraufhin das beispielhaft genannte pyrolytische Glühen mit Zersetzen des Phenolharzes und der (nun beiden oder ggf. mehreren) verlorenen Formkörper.A particular advantage of the production process according to the invention is that it can be carried out in several stages, ie. H. the bipolar plate can be preformed in several successive steps, wherein different lost cores are successively introduced in different steps. Deviating from the preceding description, a first mold core is then placed on the preformed lower half of the bipolar plate, which is then covered with a portion of the mixture of graphite powder and phenolic resin granules, after which a further preforming is carried out by at least slight compression. On top of this created "intermediate structure" another lost mandrel can be placed, which is then covered with the rest of the mixture of graphite powder and phenolic resin granules. Thereafter, the already described compression molding with heat, wherein a crosslinking of the phenolic resin takes place, and then the exemplified pyrolytic annealing with decomposition of the phenolic resin and the (now both or possibly more) lost shaped body.

Mit dem hier vorgestellten Verfahren, welches im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch abweidend von den zuletzt detailliert beispielhaft beschriebenen Verfahrensschritten gestaltet sein kann, ist eine Bipolarplatte nicht nur einfacher als im bekannten Stand der Technik herstellbar, sonder auch qualitativ hochwertiger. insbesondere sind keine Undichtigkeiten – wie beim Fügen zweier vorgefertigter Platten-Hälften – zu befürchten.With the method presented here, which in the context of the present disclosure can also be designed differently from the method steps last described in detail by way of example, a bipolar plate is not only easier to produce than in the known state of the art, but also of higher quality. In particular, no leaks - as in the joining of two prefabricated plate halves - to be feared.

Claims (6)

Verfahren zum Herstellen einer Graphit-Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, die eine Kanalstruktur mit über weite Bereiche geschlossenem Querschnitt zur Führung eines Fluids enthält, durch Pressformen von Graphitpulver und einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel und anschließendem thermischen Behandeln des geformten Werkstückstücks, wobei die Kanalstruktur durch einen eingebrachten verlorenen Formkern dargestellt wird.A method of manufacturing a graphite bipolar plate of a fuel cell containing a channel structure having a wide area closed cross-section for guiding a fluid by press molding graphite powder and a carbonaceous binder and then thermally treating the shaped workpiece piece, the channel structure being represented by an incorporated lost mandrel becomes. Herstellverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verlorene Formkern aus einem Polymer hergestellt ist und aus der geformten Bipolarplatte auf thermischem Wege entfernt wird.Manufacturing method according to claim 1, characterized in that the lost mold core is made of a polymer and is removed from the molded bipolar plate by thermal means. Herstellverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Entfernen des Formkerns zusammen mit dem thermischen, insbesondere pyrolytischen Zersetzen des Bindemittels durchgeführt wird.Production method according to claim 2, characterized in that the thermal removal of the mandrel is carried out together with the thermal, in particular pyrolytic decomposition of the binder. Herstellverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verlorene Formkern durch Ausstanzen oder Gießen hergestellt wird.Production method according to one of the preceding claims, characterized in that the lost mold core is produced by punching or casting. Herstellverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verlorene Formkern durch Aufdrucken insbesondere auf einen beim Entfernen des Formkerns in der Bipolarplatte verbleibenden Träger, insbesondere in Form einer Graphitfolie, hergestellt wird.Manufacturing method according to one of the preceding claims, characterized in that the lost mold core is produced by printing in particular on a remaining in the removal of the mandrel in the bipolar carrier, in particular in the form of a graphite foil. Herstellverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit mehrstufigem Pressformen der Bipolarplatte und Einlegen jeweils eines oder mehrerer verlorenen/r Formkerns/en in den einzelnen Stufen.Manufacturing method according to one of the preceding claims with multi-stage compression molding of the bipolar plate and inserting in each case one or more lost Formkerns / s in the individual stages.