DE102015207964A1

DE102015207964A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und Fertigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102015207964A1
Application number: DE102015207964.3A
Authority: DE
Inventors: Uwe Maier; Thomas Kiefer; Jürgen Kraft
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2016-11-03

Abstract

Um ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, insbesondere zur Verwendung in elektrochemischen Einrichtungen, beispielsweise Brennstoffzellen, zu schaffen, mittels welchem eine Bipolarplatte mit hoher Designfreiheit und geringem Fertigungsaufwand herstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen mehrerer Metallblechlagen; Verbinden der Metallblechlagen miteinander; Umformen der Metallblechlagen durch Einbringen eines Hochdrucks in einen zwischen den Metallblechlagen gebildeten Innenraum; Applizieren von Elastomermaterial auf mindestens eine dem Innenraum abgewandte Außenseite einer oder mehrerer Metallblechlagen, wobei das Elastomermaterial appliziert wird, während der Innenraum mit Hochdruck beaufschlagt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, insbesondere zur Verwendung in elektrochemischen Einrichtungen, beispielsweise Brennstoffzellen.
Eine Bipolarplatte ist beispielsweise aus der DE 10 2013 220 486 A1 bekannt.
Eine Bipolarplatte kann beispielsweise eine mehrlagige, flache, metallische Baugruppe sein, welche eine oder mehrere Beschichtungen und/oder eine oder mehrere sonstige Funktionslagen umfasst. Eine Bipolarplatte kann beispielsweise in einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, Anwendung finden.
Zur Herstellung einer Bipolarplatte kann beispielsweise eine Reihe von aufeinander folgenden Prozessschritten vorgesehen sein. Typische Prozessschritte sind dabei Umform- und Stanzarbeitsgänge in mechanischen oder hydraulischen Pressen im Folgeverbund und die Herstellung von Fügeverbindungen zwischen den Lagen, beispielsweise durch Kleben, Nieten, Schweißen, Löten, Durchsetzfügen, etc. Ferner können Beschichtungsprozesse, beispielsweise Stahlbandbeschichtung, Walzenbeschichtung, Nasssprühbeschichtung, Siebdruckbeschichtung, etc. vorgesehen sein.
Bekannte Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten können zu fertigungsbedingten Einschränkungen in der Designfreiheit der Bipolarplatte führen. Beispielsweise kann die Applikation einer Beschichtung in einem Hochdruckprozess zum Kollabieren von zuvor erzeugten Kanälen der Bipolarplatte führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte bereitzustellen, mittels welchem eine Bipolarplatte mit hoher Designfreiheit und geringem Fertigungsaufwand herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird beispielsweise durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gelöst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Bereitstellen mehrerer Metallblechlagen;
Verbinden der Metallblechlagen miteinander;
Umformen der Metallblechlagen durch Einbringen eines Hochdrucks in einen zwischen den Metallblechlagen gebildeten Innenraum;
Applizieren von Elastomermaterial auf mindestens eine dem Innenraum abgewandte Außenseite einer oder mehrerer Metallblechlagen,
wobei das Elastomermaterial appliziert wird, während der Innenraum mit Hochdruck beaufschlagt ist.
Dadurch, dass vorzugsweise das Elastomermaterial appliziert wird, während der Innenraum mit Hochdruck beaufschlagt ist, kann vorzugsweise vermieden werden, dass ein zwischen den Metallblechlagen gebildeter Innenraum während des Applizierens von Elastomermaterial kollabiert.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gelöst, welches alternativ oder ergänzend zu den vorstehend genannten Merkmalen Folgendes umfasst:
Bereitstellen mehrerer Metallblechlagen, wobei eine oder mehrere Metallblechlagen mit mindestens einer Durchtrittsöffnung versehen sind;
Verbinden der Metallblechlagen miteinander durch Applizieren von Elastomermaterial auf eine oder mehrere Metallblechlagen, wobei das Elastomermaterial die mindestens eine Durchtrittsöffnung durchdringt und die eine oder mehreren Metallblechlagen lokal umgibt und/oder hintergreift.
Die Metallblechlagen, insbesondere mindestens zwei oder mehr als zwei Metallblechlagen, werden vorzugsweise aufeinander gestapelt.
Günstig kann es sein, wenn sämtliche Metallblechlagen mit Durchtrittsöffnungen versehen werden.
Mittels des Elastomermaterials sind vorzugsweise Kunststoff-Nietelemente zur formschlüssigen Verbindung der Metallblechlagen herstellbar.
Günstig kann es sein, wenn die eine oder die mehreren Metallblechlagen zur Herstellung der mindestens einen Durchtrittsöffnung gestanzt, geschlitzt und/oder perforiert werden.
Das Elastomermaterial wird vorzugsweise in einem Hochdruckverfahren appliziert.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Elastomermaterial in einem Spritzgussverfahren appliziert wird.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verfahrensschritt des Umformens der Metallblechlagen durch Einbringen eines Hochdrucks in einen zwischen den Metallblechlagen gebildeten Innenraum und der Verfahrensschritt des Applizierens von Elastomermaterial auf mindestens eine dem Innenraum abgewandte Außenseite einer oder mehrerer Metallblechlagen mittels eines einzigen Formgebungswerkzeugs durchgeführt werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn vor dem Einbringen des Hochdrucks, nach dem Einbringen des Hochdrucks und/oder zum Einbringen des Hochdrucks in den zwischen den Metallblechlagen gebildeten Innenraum eine Beschichtungsflüssigkeit in den Innenraum eingebracht wird, so dass die dem Innenraum zugewandten Innenseiten der Metallblechlagen beschichtet werden.
Die Beschichtungsflüssigkeit kann beispielsweise eine Flüssigkeit zum Applizieren einer Korrosionsschutzschicht sein.
Günstig kann es sein, wenn das Elastomermaterial im Wesentlichen linienförmig und/oder mäanderförmig auf der dem Innenraum abgewandten Außenseite einer oder mehrerer Metallblechlagen appliziert wird.
Das Elastomermaterial kann insbesondere einer Perforationslinie einer Metallblechlage folgend appliziert werden.
Eine Perforation, welche insbesondere zur Herstellung mehrerer Durchtrittsöffnungen in einer oder mehreren Metallblechlagen vorgesehen ist, ist vorzugsweise linienförmig und/oder mäanderförmig ausgebildet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Metallblechlagen in einem Laserschweißverfahren, in einem Kondensator-Entladungsschweißverfahren, in einem Klebeverfahren und/oder in einem Lötverfahren miteinander verbunden werden.
Günstig kann es sein, wenn die Metallblechlagen in Stegbereichen der herzustellenden Bipolarplatte miteinander verbunden werden.
Stegbereiche der Bipolarplatte sind insbesondere Bereiche, in welchen die Metallblechlagen im fertiggestellten Zustand der Bipolarplatte aneinander anliegen und insbesondere eine Begrenzung eines oder mehrerer Kanäle der Bipolarplatte bilden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Applikationsdruck des Elastomermaterials und/oder ein oder mehrere Zuführstellen des Elastomermaterials einerseits und der Hochdruck im Innenraum andererseits so gewählt werden, dass zumindest lokal ein Druck auf einer Innenseite einer jeden Metallblechlage zumindest näherungsweise dem Druck auf einer Außenseite einer jeden Metallblechlage entspricht.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Druck auf einer Innenseite zumindest näherungsweise dem Druck auf einer Außenseite entspricht, in einem Bereich, in welchem Dichtlinien der Bipolarplatte und Fluidkanäle der Bipolarplatte einander kreuzen oder queren.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere eine Bipolarplatte herstellbar.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine Bipolarplatte, welche insbesondere durch Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens erhältlich ist.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Ferner weisen vorzugsweise die erfindungsgemäßen Verfahren einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte zwei Metallblechlagen umfasst, zwischen welchen Fluidkanäle gebildet sind, wobei die Bipolarplatte ferner eine oder mehrere Dichtlinien umfasst, welche in einem Spritzgussverfahren an eine oder beide Metallblechlagen angespritzt sind.
Eine oder mehrere Dichtlinien kreuzen oder queren vorzugsweise mindestens einen Fluidkanal.
Unter einem Kreuzen oder Queren ist dabei insbesondere zu verstehen, dass Projektionen der Dichtlinie und des Fluidkanals längs einer Normalenrichtung der Bipolarplatte einander schneiden.
Eine Normalenrichtung der Bipolarplatte ist insbesondere eine senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Bipolarplatte ausgerichtete Richtung.
Die Normalenrichtung ist somit insbesondere eine Stapelrichtung, in welcher die Metallblechlagen aufeinander gestapelt sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, eine Fertigungsvorrichtung bereitzustellen, mittels welcher eine Bipolarplatte mit hoher Designfreiheit und geringem Fertigungsaufwand herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte, insbesondere einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte, gelöst, wobei die Fertigungsvorrichtung Folgendes umfasst:
eine Werkstückaufnahmevorrichtung zur Aufnahme mehrerer Metallblechlagen;
eine Umformvorrichtung, mittels welcher einem Zwischenraum zwischen den Metallblechlagen ein unter hohem Druck stehendes Medium zuführbar ist;
eine Appliziervorrichtung, mittels welcher Elastomermaterial auf mindestens eine dem Zwischenraum abgewandte Außenseite einer oder mehrerer Metallblechlagen applizierbar ist,
wobei die Werkstückaufnahmevorrichtung, die Umformvorrichtung und die Appliziervorrichtung durch ein einziges Formgebungswerkzeug der Fertigungsvorrichtung gebildet sind, so dass mittels der Appliziervorrichtung Elastomermaterial auf die mindestens eine dem Zwischenraum abgewandte Außenseite einer oder mehrerer Metallblechlagen applizierbar ist, während der Zwischenraum zwischen den Metallblechlagen mit Hochdruck beaufschlagt ist.
Die erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Ferner weisen vorzugsweise die erfindungsgemäßen Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Bipolarplatte einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Günstig kann es sein, wenn die Appliziervorrichtung eine Spritzgussvorrichtung ist.
Die Werkstückaufnahmevorrichtung umfasst vorzugsweise einen oder mehrere Druckkanäle der Umformvorrichtung, mittels welchen dem Zwischenraum zwischen den Metallblechlagen ein mit Hochdruck beaufschlagtes oder zu beaufschlagendes Fluid zuführbar ist.
Die Werkstückaufnahmevorrichtung umfasst vorzugsweise ferner einen oder mehrere Applizierkanäle der Appliziervorrichtung, mittels welchen der mindestens einen dem Zwischenraum abgewandten Außenseite einer oder mehrerer Metallblechlagen ein Elastomermaterial zuführbar ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren, eine erfindungsgemäße Bipolarplatte und/oder eine erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung kann ferner vorzugsweise einzelne oder mehrere der nachfolgenden beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Vorzugsweise ist eine Kombination aus einer Presse inklusive Stanzwerkzeug mit einer Laserschweißanlage, einer Spritzgussanlage und einer Hochdruckumformanlage vorgesehen.
Hierbei ist vorzugsweise folgender Fertigungsablauf realisierbar:
Beschichten eines Stahlbands;
Platinenzuschnitt und Ausstanzen von Öffnungen eines Bauteils, beispielsweise von Kühlmittelöffnungen;
Laserverschweißen und/oder Kleben und/oder Löten und/oder Kondensator-Entladungsschweißen mehrerer Lagen (Metallblechlagen) des Bauteils (Bipolarplatte);
gleichzeitiges Umformen durch Hochdruck im Kühlmittelbereich zwischen den Metallblechlagen und Anspritzen einer Dichtung (Dichtlinie) in einem kombinierten Werkzeug.
Das kombinierte Werkzeug umfasst vorzugsweise sowohl Matrizen für die Flussfeldgeometrie als auch Einspritz-, Verteilungs- und Formkanäle für die Dichtung (Dichtlinien).
Durch geeignete Wahl des Hochdruckmediums kann vorzugsweise zugleich eine Innenbeschichtung im Kühlmittelbereich realisiert werden.
Der Schweißprozess, beispielsweise mittels Kondensator-Entladungsschweißen, kann vorzugsweise ebenfalls in das Werkzeug integriert werden. Ein separater Prozessschritt kann hierdurch vorzugsweise entbehrlich sein.
Alternativ oder ergänzend zu dem vorstehend beschriebenen Ablauf kann vorgesehen sein, dass anstelle eines Stahlbands eine geschweißte Einheit oder die fertige Einheit beschichtet wird.
Vorzugsweise sind durch das erfindungsgemäße Verfahren Designrestriktionen überwindbar und sehr kurze Taktzeiten realisierbar.
Die Fertigung erfolgt insbesondere in einem "One-Piece-Flow" bei extrem großen Stückzahlen und einer hundertprozentigen Anlagenauslastung durch ein Einzelprodukt. Prozessschritte können dabei parallelisiert werden, insbesondere um eine verkürzte Fertigungsdauer zu realisieren.
Unterschiedliche Taktzeiten der Einzelprozesse sowie kollabierende Fluidkanäle werden vorzugsweise vermieden, indem ein Hochdruckumformprozess mit weiteren Prozessen in einem einzigen Werkzeug durchgeführt wird.
Zwischen einzelnen oder mehreren, insbesondere jedem, Fertigungsschritt kann vorzugsweise ein Spülvorgang vorgesehen sein.
Das Elastomermaterial ist vorzugsweise ein Spritzgussmaterial.
Günstig kann es sein, wenn das Elastomermaterial chemisch und physikalisch beständig ist gegen Wasser, Luft, Wasserstoff und/oder ein Redoxmedium.
Vorteilhaft kann es sein, wenn in einem ersten Schritt zwei Metallblechlagen miteinander verschweißt werden.
Eine Metallblechlage ist dabei zunächst vorzugsweise ein Glattblech, welches beispielsweise mit Kühlmittelanschlüssen (so genannten Ports) versehen ist.
Vorzugsweise sind senkrecht zur Blechebene ausgerichtete Ports (Kühlmittelanschlüsse) vorgesehen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Metallblechlagen im Bereich von Schweißnähten mittels der Werkstückaufnahme und/oder der Umformvorrichtung abgestützt sind, insbesondere um ein Aufreißen während des Innenhochdruckumformens zu verhindern.
Die eine oder die mehreren Metallblechlagen sind vorzugsweise Dünnbleche, welche insbesondere eine Dicke von höchstens ungefähr 0,5 mm, beispielsweise höchstens ungefähr 0,2 mm, insbesondere höchstens ungefähr 0,1 mm, aufweisen.
Vorzugsweise wird der Hochdruck im Innenraum an einen lokal variierenden Außendruck, welcher beim Applizieren des Elastomermaterials auf die Metallblechlagen wirkt, angepasst.
Unter "Hochdruck" ist insbesondere ein Druck von mindestens ungefähr 500 bar, beispielsweise mindestens ungefähr 2.000 bar, zu verstehen.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte, wobei die Fertigungsvorrichtung eine Umformvorrichtung und eine Spritzgussvorrichtung umfasst;
2 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung der Fertigungsvorrichtung, wobei zwei in einem Ausgangszustand vorliegende Metallblechlagen in einer Werkstückaufnahmevorrichtung der Fertigungsvorrichtung angeordnet sind;
3 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung der Fertigungsvorrichtung aus 1, wobei zwei Metallblechlagen in einem umgeformten Zustand vorliegen und mit einem Dichtelement versehen wurden;
4 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs IV in 3;
5 einen alternativen schematischen Schnitt durch die Werkstückaufnahmevorrichtung aus 1;
6 eine schematische teiltransparente Draufsicht auf eine Oberseite einer Bipolarplatte zur Illustration von sich kreuzenden Dichtelementen und Fluidkanälen;
7 einen schematischen Schnitt durch die Bipolarplatte aus 6 längs der Linie 7-7 in 6;
8 einen schematischen Schnitt durch eine alternative Ausgestaltung einer Bipolarplatte, bei welcher eine perforierte Metallblechlage vorgesehen ist, die mit einem Elastomermaterial umspritzt und hierdurch mit einer weiteren Metallblechlage verbunden ist;
9 einen schematischen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Bipolarplatte, bei welcher ein Elastomer-Nietelement zur Verbindung der Metallblechlagen vorgesehen ist; und
10 eine der 8 entsprechende schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Bipolarplatte, wobei zwei Metallblechlagen perforiert und mit einem Elastomermaterial umspritzt sind.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1 bis 5 dargestellte Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Fertigungsvorrichtung dient der Herstellung von Bauteilen, beispielsweise Bipolarplatten 102.
Die Fertigungsvorrichtung 100 umfasst insbesondere eine Umformvorrichtung 104.
Die Umformvorrichtung 104 ist insbesondere als eine Innenhochdruck-Umformvorrichtung 106 ausgebildet.
Die Umformvorrichtung 104 umfasst insbesondere zwei Werkzeughälften 108, zwischen welchen ein Bauteil anordenbar und umformbar ist.
Mittels der Werkzeughälften 108 ist insbesondere eine Werkstückaufnahmevorrichtung 110 der Fertigungsvorrichtung 100 gebildet.
Die Werkzeughälften 108 weisen dreidimensional ausgeformte Werkzeugoberflächen 112 auf.
Die Werkzeugoberflächen 112 sind insbesondere so ausgebildet, dass diese im Wesentlichen komplementär zu einer Außenform eines herzustellenden Bauteils, insbesondere einer Bipolarplatte 102, sind.
Vorzugsweise umfasst die Umformvorrichtung 104 eine Hochdruckvorrichtung 114, welche insbesondere einen oder mehrere Druckkanäle 116 umfasst.
Mittels der Hochdruckvorrichtung 114 ist insbesondere ein mit Hochdruck beaufschlagtes oder beaufschlagbares Fluid (Druckfluid) in einen Innenraum 118 oder Zwischenraum 120 eines umzuformenden Bauteils einleitbar.
Die Fertigungsvorrichtung 100 umfasst ferner eine Appliziervorrichtung 122, welche beispielsweise als Spritzgussvorrichtung 124 ausgebildet ist (siehe 4).
Die Appliziervorrichtung 122 umfasst insbesondere einen oder mehrere Applizierkanäle 126, mittels welchen ein Material, beispielsweise ein Elastomermaterial 136, in einen Bereich zwischen den beiden Werkzeughälften 108 einleitbar ist.
Insbesondere ist mittels des einen oder mehreren Applizierkanäle 126 ein Elastomermaterial 136 auf ein mittels der Umformvorrichtung 104 umzuformendes oder umgeformtes Werkstück (Bauteil) applizierbar.
Die Fertigungsvorrichtung 100 umfasst insbesondere ein integriertes oder kombiniertes Formgebungswerkzeug 127, welches die Funktionen des Umformens und Kunststoff-Anspritzens vereint.
Mittels der Fertigungsvorrichtung 100 kann beispielsweise eine Bipolarplatte 102 unter Verwendung von zwei Metallblechlagen 128 hergestellt werden.
Die beiden beispielsweise zunächst flachen Metallblechlagen (siehe 2) sind hierzu in die Werkstückaufnahmevorrichtung 110 zwischen den beiden Werkzeughälften 108 einbringbar.
Mittels der Hochdruckvorrichtung 114 kann dann ein Fluid zwischen die beiden Metallblechlagen 128 eingebracht und mit Hochdruck beaufschlagt werden.
Die beiden Metallblechlagen 128 werden hierdurch verformt und an die Werkzeugoberflächen 112 der beiden Werkzeughälften 108 angedrückt.
Insbesondere nehmen die beiden Metallblechlagen 128 dabei zumindest näherungsweise die Form der beiden Werkzeugoberflächen 112 der beiden Werkzeughälften 108 an (siehe 3).
Wie insbesondere 4 zu entnehmen ist, kann vorgesehen sein, dass eine oder beide Werkzeughälften 108 einen oder mehrere Dichtkanäle 130 umfassen.
Ein Dichtkanal 130 dient insbesondere der Aufnahme von Elastomermaterial 136, welches mittels der Appliziervorrichtung 122 in den Dichtkanal 130 einleitbar ist.
Das Elastomermaterial 136 wird dabei insbesondere an eine dem Innenraum 118 oder Zwischenraum 120 abgewandte Außenseite 132 einer oder mehrerer Metallblechlagen 128 angespritzt.
Dieser Vorgang wird mit unter Hochdruck stehendem Elastomermaterial 136 durchgeführt, so dass mittels der Appliziervorrichtung 122 zugleich verhindert wird, dass sich die Metallblechlage 128 in den Dichtkanal 130 hineinverformt.
Die Fertigungsvorrichtung 100 wird somit vorzugsweise derart betrieben, dass eine Metallblechlage 128 im Bereich des Dichtkanals 130 zumindest näherungsweise unverformt bleibt, da vorzugsweise ein im Innenraum 118 oder Zwischenraum 120 vorhandener Druck eines Druckfluids 134 zumindest näherungsweise dem Druck eines mittels der Appliziervorrichtung 122 applizierten Elastomermaterials 136 entspricht.
Nach einem Aushärtungsvorgang des Elastomermaterials 136 ist hiermit insbesondere ein Dichtelement 138 gebildet.
Dieses Dichtelement 138 kann insbesondere eine Dichtlinie 140 bilden.
Wie insbesondere 4 zu entnehmen ist, sind die Dichtlinie 140 und ein durch den Innenraum 118 oder Zwischenraum 120 in der Bipolarplatte 102 gebildeter Fluidkanal 142 lediglich durch eine Metallblechlage 128 voneinander getrennt.
Wie 5 zu entnehmen ist, kann es vorgesehen sein, dass die Bipolarplatte 102 mehrere Fluidkanäle 142 umfasst, welche insbesondere mittels Abstützbereichen 144 oder Stegbereichen 146 voneinander getrennt sind.
In diesen Abstützbereichen 144 oder Stegbereichen 146 liegen die Metallblechlagen 128 vorzugsweise abdichtend aneinander an. Insbesondere kann hierbei eine Schweißverbindung zwischen den beiden Metallblechlagen 128 vorgesehen sein.
Der Schweißvorgang zur Verbindung der beiden Metallblechlagen 128 kann insbesondere in einer von der Umformvorrichtung 104 verschiedenen Vorrichtung erfolgen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Schweißvorgang innerhalb der Umformvorrichtung 104 durchgeführt wird, insbesondere während die beiden Metallblechlagen 128 in der Werkstückaufnahmevorrichtung 110 der Fertigungsvorrichtung 100 angeordnet sind.
In 6 ist eine schematische teiltransparente Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Bipolarplatte 102 dargestellt. Mittels 6 soll insbesondere illustriert werden, dass die Bipolarplatte 102 sich kreuzende Dichtlinien 140 und Fluidkanäle 142 aufweisen kann.
Ein Abstand A zwischen den Applizierkanälen 126 der Appliziervorrichtung 122 ist dann insbesondere so gewählt, dass der Druck des Elastomermaterials 136 und der Druck des Druckfluids 134 zumindest näherungsweise identisch sind in Bereichen, in welchen sich die Dichtlinien 140 und die Fluidkanäle 142 schneiden oder kreuzen.
Insbesondere kann durch geeignete Wahl des Abstands A sowie durch geeignete Wahl der verwendeten Drücke eine Verformung der zwischen der Dichtlinie 140 und dem Fluidkanal 142 angeordneten Metallblechlage 128 vermieden werden (siehe insbesondere 7).
In 8 ist ein Bauteil, beispielsweise eine Bipolarplatte 102, dargestellt, welches zwei Metallblechlagen 128 umfasst.
Eine der beiden Metallblechlagen 128 ist mit mehreren Durchtrittsöffnungen 148 versehen.
Durch diese Durchtrittsöffnungen 148 ist insbesondere ein Elastomermaterial 136 applizierbar, so dass das Elastomermaterial 136 die mit Durchtrittsöffnungen 148 versehene Metallblechlage 128 formschlüssig umgibt und in einen Zwischenraum 120 zwischen den beiden Metallblechlagen 128 eindringen kann.
Insbesondere ergibt sich zwischen dem Elastomermaterial 136 und der nicht mit Durchtrittsöffnungen 148 versehenen Metallblechlage 128 eine stoffschlüssige Verbindung, so dass letztlich mittels des Elastomermaterials 136 beide Metallblechlagen 128 miteinander verbindbar sind.
Die in 8 dargestellte Verbindung zwischen den beiden Metallblechlagen 128 kann insbesondere alternativ oder ergänzend zu einer Schweißverbindung vorgesehen sein, insbesondere bei einer Bipolarplatte 102 gemäß der in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsform.
Ferner kann alternativ oder ergänzend zur Verbindung zweier Metallblechlagen 128 vorgesehen sein, dass jede der beiden Metallblechlagen 128 eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen 148 umfasst (siehe 9).
Die beiden Metallblechlagen 128 sind dann vorzugsweise mit Elastomermaterial 136 versehen, welches sich durch die beiden Durchtrittsöffnungen 148 hindurch erstreckt.
Mittels des Elastomermaterials 136 sind vorzugsweise an beiden einander abgewandten Außenseiten 132 der Metallblechlagen 128 Verankerungsabschnitte 150 gebildet, so dass die Metallblechlagen 128 mittels des Elastomermaterials 136 insbesondere formschlüssig miteinander verbunden sind.
Mittels des Elastomermaterials 136 ist somit insbesondere ein Kunststoff-Nietelement 152 gebildet.
Eine in 10 dargestellte Ausführungsform eines Bauteils, insbesondere einer Bipolarplatte 102, unterscheidet sich von der in 8 dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die beiden Metallblechlagen 128 mit mehreren Durchtrittsöffnungen 148 versehen sind.
Insbesondere sind hierbei Perforierungen 154, beispielsweise linienförmige oder mäanderförmige Perforierungen 154, vorgesehen.
Vorzugsweise sind die beiden Metallblechlagen 128 im Bereich der Durchtrittsöffnungen 148 vollständig mit Elastomermaterial 136 umspritzbar, um letztlich insbesondere eine linienförmige oder mäanderförmige formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Metallblechlagen 128 zu ermöglichen.
Im Übrigen stimmt die in 10 dargestellte Ausführungsform eines Bauteils hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 8 dargestellten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013220486 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (102), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: – Bereitstellen mehrerer Metallblechlagen (128); – Verbinden der Metallblechlagen (128) miteinander; – Umformen der Metallblechlagen (128) durch Einbringen eines Hochdrucks in einen zwischen den Metallblechlagen (128) gebildeten Innenraum (118); – Applizieren von Elastomermaterial (136) auf mindestens eine dem Innenraum (118) abgewandte Außenseite (132) einer oder mehrerer Metallblechlagen (128), wobei das Elastomermaterial (136) appliziert wird, während der Innenraum (118) mit Hochdruck beaufschlagt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (102), insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Folgendes umfasst: – Bereitstellen mehrerer Metallblechlagen (128), wobei eine oder mehrere Metallblechlagen (128) mit mindestens einer Durchtrittsöffnung (148) versehen sind; – Verbinden der Metallblechlagen (128) miteinander durch Applizieren von Elastomermaterial (136) auf eine oder mehrere Metallblechlagen (128), wobei das Elastomermaterial (136) die mindestens eine Durchtrittsöffnung (148) durchdringt und die eine oder mehreren Metallblechlagen (128) lokal umgibt und/oder hintergreift.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Metallblechlagen (128) zur Herstellung der mindestens einen Durchtrittsöffnung (148) gestanzt, geschlitzt und/oder perforiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomermaterial (136) in einem Hochdruckverfahren appliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomermaterial (136) in einem Spritzgussverfahren appliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass (i) der Verfahrensschritt des Umformens der Metallblechlagen (128) durch Einbringen eines Hochdrucks in einen zwischen den Metallblechlagen (128) gebildeten Innenraum (118) und (ii) der Verfahrensschritt des Applizierens von Elastomermaterial (136) auf mindestens eine dem Innenraum (118) abgewandte Außenseite (132) einer oder mehrerer Metallblechlagen (128) mittels eines einzigen Formgebungswerkzeugs (127) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen des Hockdrucks, nach dem Einbringen des Hochdrucks und/oder zum Einbringen des Hochdrucks in den zwischen den Metallblechlagen (128) gebildeten Innenraum (118) eine Beschichtungsflüssigkeit in den Innenraum (118) eingebracht wird, so dass die dem Innenraum (118) zugewandten Innenseiten der Metallblechlagen (128) beschichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomermaterial (136) im Wesentlichen linienförmig und/oder mäanderförmig auf der dem Innenraum (118) abgewandten Außenseite (132) einer oder mehrerer Metallblechlagen (128) appliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallblechlagen (128) in einem Laserschweißverfahren, in einem Kondensator-Entladungsschweißverfahren, in einem Klebeverfahren und/oder in einem Lötverfahren miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Applikationsdruck und/oder eine oder mehrere Zuführstellen des Elastomermaterials (136) einerseits und der Hochdruck im Innenraum (118) andererseits so gewählt werden, dass zumindest lokal ein Druck auf einer Innenseite einer jeden Metallblechlage (128) zumindest näherungsweise dem Druck auf einer Außenseite (132) einer jeden Metallblechlage (128) entspricht.
Bipolarplatte (102), erhältlich durch Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Bipolarplatte (102), insbesondere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (102) zwei Metallblechlagen (128) umfasst, zwischen welchen Fluidkanäle (142) gebildet sind, wobei die Bipolarplatte (102) ferner eine oder mehrere Dichtlinien (140) umfasst, welche in einem Spritzgussverfahren an eine oder beide Metallblechlagen (128) angespritzt sind.
Bipolarplatte (102) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Dichtlinien (140) mindestens einen Fluidkanal (142) kreuzen oder queren.
Fertigungsvorrichtung (100) zur Herstellung einer Bipolarplatte (102), wobei die Fertigungsvorrichtung (100) Folgendes umfasst: – eine Werkstückaufnahmevorrichtung (110) zur Aufnahme mehrerer Metallblechlagen (128); – eine Umformvorrichtung (104), mittels welcher einem Zwischenraum (120) zwischen den Metallblechlagen (128) ein unter hohem Druck stehendes Medium zuführbar ist; – eine Appliziervorrichtung (122), mittels welcher Elastomermaterial (136) auf mindestens eine dem Zwischenraum (120) abgewandte Außenseite (132) einer oder mehrerer Metallblechlagen (128) applizierbar ist, wobei die Werkstückaufnahmevorrichtung (110), die Umformvorrichtung (104) und die Appliziervorrichtung (122) durch ein einziges Formgebungswerkzeug (127) der Fertigungsvorrichtung (100) gebildet sind, so dass mittels der Appliziervorrichtung (122) Elastomermaterial (136) auf die mindestens eine dem Zwischenraum (120) abgewandte Außenseite (132) einer oder mehrerer Metallblechlagen (128) applizierbar ist, während der Zwischenraum (120) zwischen den Metallblechlagen (128) mit Hochdruck beaufschlagt ist.
Fertigungsvorrichtung (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Appliziervorrichtung (122) eine Spritzgussvorrichtung (124) ist.
Fertigungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückaufnahmevorrichtung (110) einen oder mehrere Druckkanäle (116) der Umformvorrichtung (104) umfasst, mittels welchen dem Zwischenraum (120) zwischen den Metallblechlagen (128) ein mit Hochdruck beaufschlagtes oder zu beaufschlagendes Fluid zuführbar ist.
Fertigungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückaufnahmevorrichtung (110) einen oder mehrere Applizierkanäle (126) der Appliziervorrichtung (122) umfasst, mittels welchen der mindestens einen dem Zwischenraum (120) abgewandten Außenseite (132) einer oder mehrerer Metallblechlagen (128) ein Elastomermaterial (136) zuführbar ist.