DE102013011422A1

DE102013011422A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102013011422A1
Application number: DE201310011422
Authority: DE
Inventors: Christian Martin Erdmann; Alan Parkin; Jonas Stoll; Stephen Wade
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2014-04-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, mit einer an der Bipolarplatte (10) angespritzten Dichtung (24), wobei die Dichtung (24) an einen im Wesentlichen in Hochrichtung der Bipolarplatte (10) elastisch verformbaren Federbereich der Bipolarplatte (10) angespritzt ist, welcher mit einer Versteifungsstruktur (24) versehen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte der in den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche angegebenen Art.
Eine gattungsgemäße Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle ist in der WO 2011/157377 A2 offenbart. Die dort gezeigte Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle für einen Kraftwagen umfasst eine an der Bipolarplatte angespritzte Dichtung.
Solche Bipolarplatten sind üblicherweise aus sehr dünnwandigen Strukturen, wie beispielsweise Blechen, ausgebildet und weisen meistens relativ komplexe Formgebungen auf. Daher sind derartige Bipolarplatten meistens relativ instabil und weisen des Öfteren auch Formsprünge in den Bereichen auf, an welchen die Dichtungen angebracht werden sollen. Eine direkte Dichtungsapplikation durch ein Aufspritzen des Dichtungsmaterials auf die Bipolarplatte gestaltet sich daher relativ schwierig.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatte sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchen eine zuverlässige Anbringung einer Dichtung an einer Bipolarplatte ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Bipolarplatte mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Zur verbesserten Anbringung einer Dichtung an einer Bipolarplatte ist es bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte vorgesehen, dass die Dichtung an einen im Wesentlichen in Hochrichtung der Bipolarplatte elastisch verformbaren Federbereich der Bipolarplatte angespritzt ist, welcher mit einer Versteifungsstruktur versehen ist. Es ist also erfindungsgemäß vorgesehen, an dem elastisch verformbaren Federbereich der Bipolarplatte, welcher üblicherweise auch als Dichtungsbrücke bezeichnet wird, eine Versteifungsstruktur vorzusehen. Durch diese Formteilversteifung im Bereich der Dichtungsbrücke wird eine besonders einfache und kostengünstige Aussteifung der Bipolarplatte ermöglicht, so dass eine prozesssichere und insbesondere auch leckagefreie Anspritzung der Dichtung an die Bipolarplatte erfolgen kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Bipolarplatte eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte aufweist, welche bereichsweise aneinander anliegend angeordnet und mittels der Versteifungsstruktur aneinander befestigt sind. Dadurch können die Kathodenplatte und die Anodenplatte exakt zueinander positioniert und sogleich aneinander gefügt werden, wobei die Versteifungsstruktur somit eine Doppelfunktion erfüllt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Versteifungsstruktur eine Mehrzahl von in Längsrichtung der Bipolarplatte verteilt angeordnete, kuppelförmige, eine Öffnung aufweisende Hohlräume umfasst, welche innenseitig mit der Dichtung befüllt und außenseitig mit der Dichtung versehen sind. Während des Herstellvorgangs der Bipolarplatte beziehungsweise während des Anspritzens der Dichtung wird das Dichtungsmaterial in die Hohlräume eingebracht, wodurch eine Versteifung der Bipolarplatte in diesem Bereich erzielt wird, so dass das daran anschließende außenseitige Anspritzen der Dichtung leckage- und fehlerfrei erfolgen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die kuppelförmigen Hohlräume zwischen der Kathodenplatte und der Anodenplatte ausgebildet und mittels einer Schweißnaht begrenzt sind. Dadurch wird eine Leckage zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte vermieden, so dass während des Anspritzens der Dichtung kein Dichtungsmaterial austreten kann.
Eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Versteifungsstruktur eine Mehrzahl von in Längsrichtung der Bipolarplatte verteilt angeordnete Nietverbindungen umfasst. Neben der Versteifung der Bipolarplatte können dadurch gleichzeitig die Kathodenplatte und die Anodenplatte auf besonders einfache und kostengünstige Weise aneinander befestigt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, wird eine Dichtung an die Bipolarplatte angespritzt, wobei sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch auszeichnet, dass die Dichtung an einem im Wesentlichen in Hochrichtung der Bipolarplatte elastisch verformbaren Federbereich der Bipolarplatte angespritzt wird, welcher zuvor mit einer Versteifungsstruktur versehen wird. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sind dabei auch als vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine teilweise geschnittene Perspektivansicht auf eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle eines Kraftwagens, wobei ein als Dichtungsbrücke dienender, im Wesentlichen in Hochrichtung der Bipolarplatte elastisch verformbarer Federbereich mit einer mehrere Nietverbindungen umfassenden Versteifungsstruktur versehen ist;
2 eine teilweise geschnittene Perspektivansicht der in 1 gezeigten Bipolarplatte entlang der in 1 gekennzeichneten Schnittebene;
3 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten zur Herstellung der Nietverbindungen;
4 eine schematische Darstellung von alternativen Verfahrensschritten zur Herstellung der Nietverbindungen;
5 eine Perspektivansicht auf einen Ausschnitt der Bipolarplatte, wobei eine alternative Versteifungsstruktur in Form eines kuppelförmig ausgebildeten Hohlraums dargestellt ist;
6 eine teilweise geschnittene Perspektivansicht der in 5 dargestellten Versteifungsstruktur; und in
7 eine Schnittansicht der als kuppelförmiger Hohlraum ausgebildeten Versteifungsstruktur, wobei der Hohlraum innenseitig mit einem Dichtungsmaterial gefüllt und außenseitig mit demselben Dichtungsmaterial versehen ist.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Bipolarplatte 10 für eine hier nicht dargestellte Brennstoffzelle eines Kraftwagens ist in einer teilweise geschnittenen Perspektivansicht in 1 gezeigt. Die Bipolarplatte 10 umfasst eine Kathodenplatte 12 und eine Anodenplatte 14. Sowohl die Kathodenplatte 12 als auch die Anodenplatte 14 weisen einen im Wesentlichen in Hochrichtung z der Bipolarplatte 10 elastisch verformbaren Federbereich 16, 18 auf, welcher mit einer Versteifungsstruktur 20 versehen ist.
Die Versteifungsstruktur 20 umfasst eine Mehrzahl von in Längsrichtung x der Bipolarplatte 10 verteilt angeordnete Nietverbindungen 22. Die Bipolarplatte 10 umfasst in ihrem Federbereich 16 eine hier nicht dargestellte, angespritzte Dichtung 24, welche dazu dient, eine Mehrzahl von Bipolarplatten 10 innerhalb der Brennstoffzelle gegeneinander abzudichten, und zwar so, dass es nicht zu einer Vermischung von Reaktionsgasen untereinander beziehungsweise mit Reaktionsflüssigkeit kommen kann.
In 2 ist eine teilweise geschnittene Perspektivansicht der Bipolarplatte 10 entlang der in 1 gekennzeichneten Schnittebene A-A gezeigt. Wie im vorliegenden Fall zu erkennen, sind die Nietverbindungen 22 dadurch ausgebildet, dass ein Teil der Kathodenplatte 12 jeweils durch eine entsprechende Durchgangsöffnung 26 innerhalb der Anodenplatte 14 hindurchgestülpt ist. Zum einen wird durch die Nietverbindung 22 eine Aussteifung im Bereich der Federbereiche 16, 18 ermöglicht und zum anderen können die Kathodenplatte 12 und die Anodenplatte 14 exakt zueinander positioniert und aneinander berfestigt werden.
In 3 sind in einer schematischen Darstellung vier aufeinanderfolgende Verfahrensschritte zur Herstellung der Nietverbindungen 22 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt wird die Durchgangsöffnung 26 innerhalb der Anodenplatte 14, beispielsweise durch Lochen oder dergleichen, hergestellt und ein korrespondierender Bereich der Kathodenplatte 12 entsprechend umgeformt.
In einem darauf folgenden Verfahrensschritt wird in der Kathodenplatte 12 ebenfalls eine Durchgangsöffnung 28, beispielsweise durch Lochen, hergestellt. Danach wird der mit der Durchgangsöffnung 28 versehene Bereich der Kathodenplatte 12 durch die Durchgangsöffnung 26 hindurchgestülpt und schließlich wird der hindurchgestülpte Endbereich 30 an die Unterseite der Anodenplatte 14 angedrückt, um eine dauerhaft stabile und feste Nietverbindung 22 auszubilden.
In 4 ist eine alternative Abfolge von Prozessschritten zur Herstellung der Nietverbindungen 22 dargestellt. Im vorliegend gezeigten Fall handelt es sich um ein sogenanntes Napf-Nieten. In einem ersten Verfahrensschritt wird wiederum die Durchgangsöffnung 26 innerhalb der Anodenplatte 14 ausgebildet und der korrespondierende Bereich der Kathodenplatte 12 entsprechend umgeformt. Anschließend wird der umgeformte Bereich der Kathodenplatte 12 durch die Durchgangsöffnung 26 mit ihrem Endbereich 30 hindurchgestülpt und letzten Endes wiederum an die Unterseite der Anodenplatte 14 angedrückt und flachgedrückt.
In 5 ist ein Ausschnitt der Bipolarplatte 10 dargestellt, wobei eine alternative Ausführungsform der Versteifungsstruktur 20 gezeigt ist. Die in der 5 nicht näher bezeichnete Versteifungsstruktur 20 umfasst in der hier gezeigten Ausführungsform eine Mehrzahl von in Längsrichtung x der Bipolarplatte 10 verteilt angeordneten, kuppelförmigen, eine schlitzförmige Öffnung 32 aufweisende Hohlräume 34.
In 6 ist eine teilweise geschnittene Perspektivansicht der in 5 gezeigten Bipolarplatte 10 gezeigt. Wie zu erkennen, ist der hier dargestellte kuppelförmige Hohlraum 34 zwischen der Kathodenplatte 12 und der Anodenplatte 14 ausgebildet und mittels einer Schweißnaht 36 begrenzt.
In 7 ist eine Schnittansicht der Bipolarplatte 10 gezeigt, wobei der kuppelförmige, die Öffnung 32 aufweisende Hohlraum 34 zu erkennen ist, welcher innenseitig mit der Dichtung 24 befüllt und außenseitig mit der Dichtung 24 versehen ist. Während des Anspritzens des Dichtungsmaterials an die Bipolarplatte 10 dringt dieses in den Hohlraum 34 ein und verfestigt dort, wodurch die Dichtung 24 auf der Bipolarplatte 10 fest verankert wird. Um ein Austretend des Dichtungsmaterials aus dem zwischen der Anodenplatte 12 und der Kathodenplatte 14 ausgebildeten Hohlraum 34 zu vermeiden, ist die in den 5 und 6 dargestellte Schweißnaht 36 vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/157377 A2 [0002]

Claims

Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, mit einer an der Bipolarplatte (10) angespritzten Dichtung (24), dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (24) an einen im Wesentlichen in Hochrichtung der Bipolarplatte (10) elastisch verformbaren Federbereich der Bipolarplatte (10) angespritzt ist, welcher mit einer Versteifungsstruktur (24) versehen ist.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) eine Kathodenplatte (12) und einer Anodenplatte (14) aufweist, welche bereichsweise aneinander anliegend angeordnet und mittels der Versteifungsstruktur (20) aneinander befestigt sind.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (20) eine Mehrzahl von in Längsrichtung (x) der Bipolarplatte (10) verteilt angeordnete, kuppelförmige, eine Öffnung (32) aufweisende Hohlräume (34) umfasst, welche innenseitig mit der Dichtung (24) befüllt und außenseitig mit der Dichtung (24) versehen sind.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kuppelförmigen Hohlräume (34) zwischen der Kathodenplatte (12) und der Anodenplatte (14) ausgebildet und mittels einer Schweißnaht (36) begrenzt sind.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (20) eine Mehrzahl von in Längsrichtung (x) der Bipolarplatte (10) verteilt angeordnete Nietverbindungen (22) umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, bei welchem eine Dichtung (24) an die Bipolarplatte (10) angespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (24) an einen im Wesentlichen in Hochrichtung (z) der Bipolarplatte (10) elastisch verformbaren Federbereich (16, 18) der Bipolarplatte (10) angespritzt wird, welcher zuvor mit einer Versteifungsstruktur (20) versehen wird.