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DE102023105976A1 - Polymer-graphitic bipolar plate and method for producing a bipolar plate - Google Patents

Polymer-graphitic bipolar plate and method for producing a bipolar plate Download PDF

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DE102023105976A1
DE102023105976A1 DE102023105976.9A DE102023105976A DE102023105976A1 DE 102023105976 A1 DE102023105976 A1 DE 102023105976A1 DE 102023105976 A DE102023105976 A DE 102023105976A DE 102023105976 A1 DE102023105976 A1 DE 102023105976A1
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DE
Germany
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wall thickness
polymer
plate
bipolar plate
polymer graphite
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102023105976.9A
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German (de)
Inventor
Sebastian Zwahr
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Abstract

Eine polymergraphitische Bipolarplatte (1) für einen Stapel elektrochemischer Zellen umfasst mindestens eine dreidimensional strukturierte, eine mittlere Wandstärke (dM) aufweisende Polymergraphitplatte (3, 4), welche erste Flachbereiche (8) aufweist, die in einer ersten Ebene (E1) liegen, sowie zweite Flachbereiche (9), die eine von der ersten Ebene (E1) um ein Mehrfaches der mittleren Wandstärke (dM) parallel beabstandete zweite Ebene (E2) tangieren, wobei die verschiedenen Flachbereiche (8, 9) durch Flanken (11) miteinander verbunden sind, und wobei mindestens einer der drei genannten Bereiche (8, 9, 11), das heißt Flachbereiche (8, 9) und Flanken (11), eine Materialanhäufung (14), verglichen mit einem unverformten Abschnitt der Polymergraphitplatte (3, 4), bezogen auf eine Projektion auf die erste Ebene (E1), aufweist, und zugleich in mindestens einem der beiden Flachbereiche (8, 9) eine Abprägung (15), das heißt ein Abschnitt verringerter Wandstärke (d15), ausgebildet ist.A polymer-graphitic bipolar plate (1) for a stack of electrochemical cells comprises at least one three-dimensionally structured polymer-graphite plate (3, 4) with an average wall thickness (dM), which has first flat areas (8) which lie in a first plane (E1), and second flat areas (9), which touch a second level (E2) which is spaced parallel from the first level (E1) by a multiple of the average wall thickness (dM), the different flat areas (8, 9) being connected to one another by flanks (11). , and wherein at least one of the three areas mentioned (8, 9, 11), i.e. flat areas (8, 9) and flanks (11), is an accumulation of material (14), compared to an undeformed section of the polymer graphite plate (3, 4), based on a projection onto the first plane (E1), and at the same time an impression (15), that is to say a section of reduced wall thickness (d15), is formed in at least one of the two flat areas (8, 9).

Description

Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, geeignete polymergraphitische Bipolarplatte. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte.The invention relates to a polymer-graphitic bipolar plate suitable for use in a stack of electrochemical cells, in particular fuel cells. The invention further relates to a method for producing a bipolar plate.

Die DE 102 16 306 B4 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte für eine elektrochemische Zelle. Hierbei wird ein Verbundwerkstoff aus Polypropylen und synthetischem Graphit mit einem Massenanteil an Graphit von mindestens 80 % verwendet. Die gesamte Kontaktplatte wird durch Spritzgießen hergestellt, wobei in einer Plattenoberfläche eine Medienverteilstruktur ausgebildet wird.The DE 102 16 306 B4 discloses a method for producing a contact plate for an electrochemical cell. A composite material made of polypropylene and synthetic graphite with a graphite mass fraction of at least 80% is used. The entire contact plate is manufactured by injection molding, with a media distribution structure being formed in a plate surface.

Die DE 11 2005 001 954 B4 hat eine für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehene Bipolarplatte zum Gegenstand, bei welcher es sich um eine Kompositplatte mit einem Polymer und Kohlefasern handelt. Es wird vorgeschlagen, eine Oberfläche der Bipolarplatte chemisch zu behandeln, um eine hydrophile Oberfläche zu erzeugen. Die chemische Behandlung soll durch Eintauchen der Bipolarplatte in ein Säurebad geschehen.The DE 11 2005 001 954 B4 The subject is a bipolar plate intended for use in a fuel cell system, which is a composite plate with a polymer and carbon fibers. It is proposed to chemically treat a surface of the bipolar plate to create a hydrophilic surface. The chemical treatment should be done by immersing the bipolar plate in an acid bath.

Die DE 10 2020 204 303 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Im Rahmen dieses Verfahrens wird eine Formmasse extrudiert. Anschließend wird die Formmasse mit Hilfe mehrerer Walzenpaare gewalzt und geprägt, um eine Folie zu erhalten. Eines der Walzenpaare weist eine mikrostrukturierte Walzenoberfläche auf, welche zur Durchführung des Herstellungsverfahrens erwärmt wird.The DE 10 2020 204 303 A1 discloses a method for producing bipolar plates for fuel cells. As part of this process, a molding compound is extruded. The molding compound is then rolled and embossed using several pairs of rollers to obtain a film. One of the pairs of rollers has a microstructured roller surface, which is heated to carry out the manufacturing process.

Mögliche geometrische Merkmale einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle sind in der DE 10 2020 216 095 A1 beschrieben. Die Bipolarplatte weist in diesem Fall eine Einlage für eine Verbindung zu einer Membran-Elektroden-Anordnung auf.Possible geometric features of a bipolar plate for a fuel cell are in the DE 10 2020 216 095 A1 described. In this case, the bipolar plate has an insert for a connection to a membrane-electrode arrangement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Bipolarplatten aus polymergraphitischen Werkstoffen gegenüber dem Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Materialverbrauch und Robustheit des Endproduktes, das heißt der Bipolarplatte, angestrebt wird.The invention is based on the object of further developing the production of bipolar plates made of polymer-graphitic materials compared to the prior art, with the aim of achieving a particularly favorable relationship between material consumption and robustness of the end product, i.e. the bipolar plate.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine polymergraphitische Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt die einzelne Bipolarplatte sowie einen eine Vielzahl solcher Bipolarplatten umfassenden Zellenstapel, und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a polymer-graphitic bipolar plate with the features of claim 1. The object is also achieved by a method for producing a bipolar plate according to claim 8. The embodiments and advantages of the invention explained below in connection with the manufacturing method also apply mutatis mutandis to the Devices, that is, the individual bipolar plate and a cell stack comprising a large number of such bipolar plates, and vice versa.

Die anmeldungsgemäße, für die Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, vorgesehene polymergraphitische Bipolarplatte umfasst mindestens eine dreidimensional strukturierte Polymergraphitplatte, welche erste Flachbereiche aufweist, die in einer ersten Ebene liegen, sowie zweite Flachbereiche, die eine von der ersten Ebene um ein Mehrfaches der mittleren Wandstärke der Polymergraphitplatte parallel beabstandete zweite Ebene tangieren, so dass die gesamte Polymergraphitplatte zwischen den beiden genannten Ebenen angeordnet ist. Hierbei sind die verschiedenen Flachbereiche durch Flanken der Polymergraphitplatte miteinander verbunden, wobei mindestens einer der drei genannten Bereiche, das heißt Flachbereiche und Flanken, eine Materialanhäufung, verglichen mit einem unverformten Abschnitt der Polymergraphitplatte, bezogen auf eine Projektion auf die erste Ebene, aufweist, und zugleich in mindestens einem der beiden Flachbereiche eine Abprägung, das heißt ein Abschnitt verringerter Wandstärke, verglichen mit der mittleren Wandstärke der Polymergraphitplatte, ausgebildet ist.The polymer-graphitic bipolar plate according to the application, intended for use in a stack of electrochemical cells, in particular fuel cells, comprises at least one three-dimensionally structured polymer-graphite plate, which has first flat areas that lie in a first plane and second flat areas that are a multiple of the first level the average wall thickness of the polymer graphite plate affects the second plane spaced parallel to each other, so that the entire polymer graphite plate is arranged between the two planes mentioned. Here, the various flat areas are connected to one another by flanks of the polymer graphite plate, with at least one of the three areas mentioned, i.e. flat areas and flanks, having an accumulation of material compared to an undeformed section of the polymer graphite plate, based on a projection onto the first plane, and at the same time In at least one of the two flat areas, an impression, that is, a section of reduced wall thickness compared to the average wall thickness of the polymer graphite plate, is formed.

Die Polymergraphitplatte kann mit einem polyolefinen Binder gefertigt sein. Der Graphitanteil der Polymergraphitplatte kann 80 Gewichtsprozent oder mehr betragen.The polymer graphite plate can be made with a polyolefin binder. The graphite content of the polymer graphite plate can be 80 percent by weight or more.

Das Verfahren zur Herstellung der aus einer einzigen Polymergraphitplatte oder einer Mehrzahl solcher Platten, insbesondere zwei Stück, aufgebauten Bipolarplatte umfasst folgende Schritte:

  • - Bereitstellung mindestens einer Polymergraphitfolie als Ausgangsprodukt des Herstellungsverfahrens,
  • - Einlegen der Polymergraphitfolie in ein Werkzeug und Erzeugen einer Prägestruktur in einem kombinierten Präge- und Fließpressvorgang unter Temperatureinwirkung derart, dass Material der Polymergraphitfolie innerhalb eines in unveränderter Winkellage verbleibenden Abschnitts der Polymergraphitfolie verschoben und zumindest teilweise zum Wandstärkeaufbau in einem anderen Abschnitt, nämlich einer Flanke, der Polymergraphitfolie genutzt wird.
The process for producing the bipolar plate made up of a single polymer graphite plate or a plurality of such plates, in particular two pieces, comprises the following steps:
  • - Provision of at least one polymer graphite film as the starting product of the manufacturing process,
  • - Inserting the polymer graphite foil into a tool and producing an embossed structure in a combined embossing and extrusion process under the influence of temperature in such a way that material of the polymer graphite foil is displaced within a section of the polymer graphite foil remaining in an unchanged angular position and at least partially to build up the wall thickness in another section, namely a flank, the polymer graphite film is used.

Das Herstellungsverfahren kombiniert damit Verfahrensmerkmale des Prägens mit Merkmalen des Fließpressens. Damit sind stark ausgeprägte dreidimensionale Strukturierungen mit hohen Umformgraden bei zugleich weitreichenden Möglichkeiten der Einstellung der Wandstärke erzielbar.The manufacturing process thus combines process features of embossing with features of extrusion. This means that there are very pronounced three-dimensional structures with high Degrees of forming can be achieved with extensive options for adjusting the wall thickness.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass beim klassischen Tiefziehen zwangsweise die Wandstärke des ursprünglich flächigen, ebenen Werkstücks abnimmt, wobei dieser Effekt umso ausgeprägter ist, je höher der Umformgrad ist. Bei einem durch Tiefziehen hergestellten, eine Prägestruktur aufweisenden Produkt können je nach Verfahrensführung Spannungsspitzen in Flankenbereichen, in Übergangsbereichen zwischen Flanken und ebenen Bereichen oder auch innerhalb eines ebenen Bereichs des umgeformten Werkstücks auftreten. Um all diese Belastungszustände zu beherrschen, wird üblicherweise die Wandstärke des flächigen Ausgangsproduktes derart gewählt, das keine Überbeanspruchung des späteren, fertig umgeformten Werkstücks zu erwarten ist. Dementsprechend ist die Wandstärke des Werkstücks typischerweise in weiten Flächenbereichen überdimensioniert.The invention is based on the idea that in classic deep drawing the wall thickness of the originally flat, flat workpiece inevitably decreases, with this effect becoming more pronounced the higher the degree of deformation. In the case of a product manufactured by deep drawing and having an embossed structure, depending on the process, stress peaks can occur in flank areas, in transition areas between flanks and flat areas or even within a flat area of the formed workpiece. In order to control all of these stress conditions, the wall thickness of the flat starting product is usually selected in such a way that no overstressing of the later, completely formed workpiece is to be expected. Accordingly, the wall thickness of the workpiece is typically oversized in large areas.

Einer solchen partiellen Überdimensionierung der Wandstärke wird anmeldungsgemäß dadurch wirksam begegnet, dass während des Umformvorgangs Material innerhalb einer Ebene, in der das Werkstück liegt, verschoben und in einen in Relation zu dieser Ebene schräg gestellten Abschnitt des Werkstücks verlagert wird.According to the application, such a partial oversizing of the wall thickness is effectively counteracted by moving material within a plane in which the workpiece lies during the forming process and shifting it into a section of the workpiece that is inclined in relation to this plane.

Diese Materialverschiebung wird durch die Temperierung des Werkstücks auf ein Niveau von 120 °C bis 200 °C, insbesondere auf eine Temperatur von 150 °C ± 10 K, bei moderaten Presskräften ermöglicht.This material shift is made possible by tempering the workpiece to a level of 120 °C to 200 °C, in particular to a temperature of 150 °C ± 10 K, with moderate pressing forces.

Gemäß einer möglichen Verfahrensführung wird während des gleichzeitigen Prägens und Fließpressens Werkstoff der Polymergraphitfolie aus einem Flachbereich, das heißt einem in unveränderter Winkellage in einer der beiden genannten, zueinander parallelen Ebenen verbleibenden Abschnitt, teils zum Aufbau einer Verdickung im selben Bereich verwendet und teils in eine Flanke der in der Herstellung befindlichen Polymergraphitplatte verlagert. Als Ergebnis entsteht eine uneinheitliche Wandstärke in mindestens einem der Flachbereiche, wobei zugleich Material im Flankenbereich angehäuft wird. Eine solche Materialanhäufung in der Flanke bedeutet nicht zwangsläufig, dass in dem betreffenden Bereich ein lokales Maximum der Wandstärke existiert. Vielmehr kann das angehäufte Material auch über den gesamten damit verstärkten Bereich gleichmäßig verteilt sein, so dass dessen Wandstärke einheitlich ist. Insbesondere in einem Flachbereich kann je nach Art der Umformung auch ein Maximum und mehrere Minima der Wandstärke erzeugt werden, wobei sich die Minima beispielsweise jeweils am Übergang zu einer Flanke der Polymergraphitplatte befinden. According to a possible procedure, during the simultaneous embossing and extrusion, material of the polymer graphite film from a flat area, that is to say a section remaining in an unchanged angular position in one of the two mentioned mutually parallel planes, is used partly to build up a thickening in the same area and partly in a flank the polymer graphite plate being manufactured. The result is an inconsistent wall thickness in at least one of the flat areas, while at the same time material is piled up in the flank area. Such an accumulation of material in the flank does not necessarily mean that there is a local maximum in wall thickness in the relevant area. Rather, the accumulated material can also be evenly distributed over the entire area reinforced with it, so that its wall thickness is uniform. Particularly in a flat area, depending on the type of forming, a maximum and several minima of the wall thickness can also be generated, with the minima being located, for example, at the transition to a flank of the polymer graphite plate.

Die Flanken der eine mittlere Wandstärke aufweisenden Polymergraphitplatte sind gemäß verschiedener möglicher Ausführungsformen um einen Schrägstellungswinkel α von mindestens 30° und maximal 84° gegenüber den zwei zueinander parallelen Ebenen, in welchen die Flachbereiche liegen, schräg gestellt sind, wobei die Flankenwandstärke folgendermaßen nach unten und oben begrenzt ist:

  • - Die Flankenwandstärke der Polymergraphitplatte ist größer als die Quadratwurzel aus dem Produkt aus der mittleren Wandstärke und dem Cosinus des Schrägstellungswinkels α.
  • - Die Flankenwandstärke ist kleiner als das Produkt aus der mittleren Wandstärke und dem Cosinus des halben Schrägstellungswinkels α.
According to various possible embodiments, the flanks of the polymer graphite plate having a medium wall thickness are inclined by an inclination angle α of at least 30° and a maximum of 84° relative to the two mutually parallel planes in which the flat areas lie, the flank wall thickness being inclined downwards and upwards as follows is limited:
  • - The flank wall thickness of the polymer graphite plate is greater than the square root of the product of the average wall thickness and the cosine of the inclination angle α.
  • - The flank wall thickness is smaller than the product of the average wall thickness and the cosine of half the inclination angle α.

Unter der mittleren Wandstärke wird hierbei die ursprüngliche Wandstärke der noch nicht verformten Polymergraphitplatte verstanden. Die genannten Grenzen können sowohl bei Ausführungsformen, bei denen die Wandstärke einer Flanke in sich einheitlich ist, als auch bei Varianten mit uneinheitlicher Flankenwandstärke gültig sein.The average wall thickness is understood to mean the original wall thickness of the not yet deformed polymer graphite plate. The limits mentioned can be valid both in embodiments in which the wall thickness of a flank is uniform and in variants with non-uniform flank wall thickness.

Unabhängig von der genauen geometrischen Gestaltung der Polymergraphitplatten ist in sehr vielen Fällen die Möglichkeit gegeben, zwei gleichartige oder unterschiedliche Polymergraphitplatten zu einer Bipolarplatte zusammenzusetzen. An den beiden Au-ßenoberflächen der Bipolarplatte können, insbesondere im Bereich eines Aktivfeldes, beliebige strömungsleitende Strukturen, beispielsweise in Form von geraden oder gewellten Kanälen in Form einer alternierenden Tropfengeometrie, ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang wir beispielhaft auf die DE 10 2021 105 373 A1 hingewiesen. Hohlräume zwischen den miteinander verbundenen Polymergraphitplatten sind insbesondere zur Durchleitung eines Kühlmediums nutzbar.Regardless of the exact geometric design of the polymer graphite plates, in many cases it is possible to assemble two similar or different polymer graphite plates to form a bipolar plate. Any flow-conducting structures, for example in the form of straight or corrugated channels in the form of an alternating droplet geometry, can be formed on the two outer surfaces of the bipolar plate, particularly in the area of an active field. In this context we take the example of: DE 10 2021 105 373 A1 pointed out. Cavities between the interconnected polymer graphite plates can be used in particular to pass a cooling medium through.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

  • 1 eine aus zwei Polymergraphitplatten zusammengesetzte Bipolarplatte für ein elektrochemisches System,
  • 2 und 3 weitere Gestaltungsmöglichkeiten von Polymergraphitplatten für elektrochemische Systeme,
  • 4 in schematisierter Ansicht eine Anlage zur Fertigung der Bipolarplatte nach 1.
Several exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. Herein show:
  • 1 a bipolar plate composed of two polymer graphite plates for an electrochemical system,
  • 2 and 3 further design options for polymer graphite plates for electrochemical systems,
  • 4 A schematic view of a system for manufacturing the bipolar plate 1 .

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Unless otherwise stated, the following explanations refer to all exemplary embodiments. Parts that correspond to one another or have the same effect in principle are marked with the same reference numerals in all figures.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Bipolarplatte, die ein- oder mehrlagig aufgebaut sein kann, ist zur Verwendung in einem nicht weiter dargestellten Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, vorgesehen. Die Bipolarplatte 1 ist durch eine einzige Polymergraphitplatte 3 oder durch eine Anordnung aus zwei aufeinander liegenden, dauerhaft miteinander verbundenen Polymergraphitplatten 3, 4 gebildet. Die Polymergraphitplatten 3, 4 weisen in beiden Fällen einen Graphitanteil von mindestens 80 Gew.-% und einen polyolefinen Binder auf. Ausgangsprodukt zur Herstellung der Polymergraphitplatten 3, 4 ist eine Folie 19, das heißt Polymergraphitfolie, mit einer Wandstärke dM. Bei der fertiggestellten Polymergraphitplatte 3, 4 stellt dM die mittlere Wandstärke dar.A bipolar plate, marked overall with the reference number 1, which can be constructed in one or more layers, is intended for use in a stack of electrochemical cells, in particular fuel cells, not shown. The bipolar plate 1 is formed by a single polymer graphite plate 3 or by an arrangement of two polymer graphite plates 3, 4 lying one on top of the other and permanently connected to one another. In both cases, the polymer graphite plates 3, 4 have a graphite content of at least 80% by weight and a polyolefinic binder. The starting product for producing the polymer graphite plates 3, 4 is a film 19, i.e. polymer graphite film, with a wall thickness dM. In the finished polymer graphite plate 3, 4, dM represents the average wall thickness.

Jede Polymergraphitplatte 3, 4 tangiert eine erste Ebene E1 sowie eine hiervon parallel beabstandete Ebene E2. Der Abstand zwischen den Ebenen E1, E2 stellt die Dicke DH der Polymergraphitplatte 3, 4 dar. Sind zwei Polymergraphitplatten 3, 4 zu einer Bipolarplatte 1 zusammengesetzt, so wird jede Polymergraphitplatte 3, 4 auch als Halbplatte bezeichnet.Each polymer graphite plate 3, 4 touches a first plane E1 and a plane E2 spaced parallel therefrom. The distance between the planes E1, E2 represents the thickness DH of the polymer graphite plate 3, 4. If two polymer graphite plates 3, 4 are assembled to form a bipolar plate 1, each polymer graphite plate 3, 4 is also referred to as a half plate.

Bereiche der Polymergraphitplatte 3, welche auf der ersten Ebene E1 aufliegen, werden als erste Flachbereiche 8 bezeichnet. In entsprechender Weise werden Bereiche der Polymergraphitplatte 3, 4, welche die zweite Ebene E2 tangieren, als zweite Flachbereiche 9 bezeichnet. Sind zwei Polymergraphitplatten 3, 4 zu einer einzigen Bipolarplatte 1 zusammengesetzt, wie in 1 skizziert, so fällt die erste Ebene E1 der ersten Halbplatte 3 mit der ersten Ebene E1 der zweiten Halbplatte 4 zusammen und bildet eine Mittelebene ME der Bipolarplatte 1. Die mit DG bezeichnete Gesamtdicke der Bipolarplatte 1 entspricht der Summe aus der Dicke DH der ersten Halbplatte 3 und der Dicke DH der zweiten Halbplatte 4, wobei die Halbplatten 3, 4 nicht notwendigerweise gleich dick sind.Areas of the polymer graphite plate 3 which rest on the first level E1 are referred to as first flat areas 8. In a corresponding manner, areas of the polymer graphite plate 3, 4 which touch the second plane E2 are referred to as second flat areas 9. If two polymer graphite plates 3, 4 are assembled to form a single bipolar plate 1, as in 1 sketched, the first plane E1 of the first half plate 3 coincides with the first plane E1 of the second half plate 4 and forms a central plane ME of the bipolar plate 1. The total thickness of the bipolar plate 1, designated DG, corresponds to the sum of the thickness DH of the first half plate 3 and the thickness DH of the second half plate 4, the half plates 3, 4 not necessarily having the same thickness.

Jede Polymergraphitplatte 3, 4 weist eine Prägestruktur 5 mit Erhebungen 6 auf. Zumindest ein Teil der Erhebungen 6 liegt an der zweiten Ebene E2 an. Im Fall zusammengesetzter Halbplatten 3, 4 ist durch die Prägestrukturen 5 mindestens ein Hohlraum 7 gebildet, der insbesondere zur Durchleitung eines Kühlmittels nutzbar ist.Each polymer graphite plate 3, 4 has an embossed structure 5 with elevations 6. At least some of the elevations 6 lie on the second level E2. In the case of assembled half-plates 3, 4, at least one cavity 7 is formed by the embossed structures 5, which can be used in particular for the passage of a coolant.

Die verschiedenen, an der ersten Ebene E1 beziehungsweise an der zweiten Ebene E2 anliegenden Flachbereiche 8, 9 ein und derselben Polymergraphitplatte 3, 4 sind durch Flanken 11 miteinander verbunden. Der Schrägstellungswinkel einer Flanke 11 gegenüber den Ebenen E1, E2 ist mit α bezeichnet. Zwischen der Flanke 11 und den Flachbereichen 8, 9 existieren abgerundete Bereiche 12, 13 der Polymergraphitplatte 3, 4, wie aus jeder der 1 bis 3 hervorgeht.The different flat areas 8, 9 of one and the same polymer graphite plate 3, 4 lying on the first level E1 or on the second level E2 are connected to one another by flanks 11. The inclination angle of a flank 11 relative to the planes E1, E2 is designated α. Between the flank 11 and the flat areas 8, 9 there are rounded areas 12, 13 of the polymer graphite plate 3, 4, as from each of the 1 until 3 emerges.

Im Vergleich zu tiefgezogenen Folien sind die Flanken 11 in den Ausführungsbeispielen relativ zu den Flachbereichen 8, 9 nicht oder nur gering in ihrer Wandstärke geschwächt oder sogar verstärkt. Dies wird besonders deutlich bei Betrachtung einer projizierten Wandstärke dP im Bereich der Flanken 11, wie in jeder der 1 bis 3 eingezeichnet. Würde man die Flachbereiche 8, 9 ausschließlich durch Tiefziehen gegeneinander verschieben, so würde die projizierte Wandstärke in jedem Bereich der ursprünglich ebenen Platte, auch im Flankenbereich, der Ausgangswandstärke entsprechen. Die tatsächliche Wandstärke entspräche dann im Flankenbereich zumindest näherungsweise dem Produkt aus der Ursprungswandstärke mit dem Cosinus des Flankenwinkels.In comparison to deep-drawn films, the flanks 11 in the exemplary embodiments are not or only slightly weakened or even strengthened in their wall thickness relative to the flat areas 8, 9. This becomes particularly clear when considering a projected wall thickness dP in the area of the flanks 11, as in each of the 1 until 3 drawn. If the flat areas 8, 9 were to be moved against one another exclusively by deep drawing, the projected wall thickness in every area of the originally flat plate, including in the flank area, would correspond to the initial wall thickness. The actual wall thickness in the flank area would then correspond at least approximately to the product of the original wall thickness with the cosine of the flank angle.

Im Vergleich mit einem solchen hypothetischen, rein durch Tiefziehen geformten Produkt ist in den Ausführungsbeispielen die mit d11 bezeichnete Flankenwandstärke relativ groß. Dies wird dadurch ermöglicht, dass beim Herstellungsprozess Material mindestens eines Flachbereichs 8, 9 in die Flanke 11 hinein verlagert wird.In comparison with such a hypothetical product formed purely by deep drawing, the flank wall thickness designated d11 is relatively large in the exemplary embodiments. This is made possible by the material of at least one flat area 8, 9 being displaced into the flank 11 during the manufacturing process.

Zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens wird im Folgenden auf das Schema nach 4 verwiesen. Hierin ist eine Fertigungsanlage 10 skizziert, welche als Ausgangsprodukt die Bipolarplatte 1 nach 1 liefert. Ebenso könnte die Fertigungsanlage 10 nach 4 dazu eingerichtet sein, eine Bipolarplatte 1 zu liefern, die aus zwei Polymergraphitplatten 3 nach 2, aus zwei Polymergraphitplatten 3 nach 3, oder aus einer Halbplatte 3 nach 2 und einer Halbplatte 3 nach 3 zusammengesetzt ist.To explain the manufacturing process, see the diagram below 4 referred. A production system 10 is sketched here, which is the bipolar plate 1 as the starting product 1 delivers. Likewise, the manufacturing plant 10 could 4 be set up to deliver a bipolar plate 1, which consists of two polymer graphite plates 3 2 , made from two polymer graphite plates 3 after 3 , or from a half plate 3 after 2 and a half plate 3 after 3 is composed.

In dem in 4 skizzierten Fall wird die erste Halbplatte 3 in einem kontinuierlichen Verfahren und die zweite Halbplatte 4 in einem diskontinuierlichen Verfahren geformt. Abweichend hiervon sind auch Herstellungsverfahren realisierbar, in denen beide Halbplatten 3, 4 in einem kontinuierlichen Verfahren oder beide Halbplatten 3, 4 in einem diskontinuierlichen Verfahren geformt werden.In the in 4 In the case outlined, the first half plate 3 is formed in a continuous process and the second half plate 4 is formed in a discontinuous process. Deviating from this, manufacturing processes can also be implemented in which both half-plates 3, 4 are formed in a continuous process or both half-plates 3, 4 are formed in a discontinuous process.

Im Verfahren nach 4 wird davon ausgegangen, dass die Folien 19 zunächst als Coil 18 vorliegen. Zur Formung der Halbplatten 3, 4 werden verschiedene Präge- und Fließpressvorrichtungen 20 genutzt, wobei die Formung in jedem Fall durch mechanische Krafteinwirkung und gleichzeitige Temperatureinwirkung erfolgt. Im Fall der ersten Halbplatte 3 wird die Prägestruktur durch Walzen 21, 22 erzeugt, wobei mit Hilfe von Heizelementen 23 ein Temperaturniveau im Bereich zwischen 150° Celsius und 200° Celsius eingestellt ist. Nach dem kontinuierlich ablaufenden Präge- und Fließpressvorgang werden die Halbplatten 3 durch eine Schneidevorrichtung 24 vereinzelt.In the process according to 4 It is assumed that the foils 19 are initially present as a coil 18. To shape the half-plates 3, 4, various embossing and extrusion devices 20 are used, the shaping in each case being carried out by mechanical force and the simultaneous effect of temperature. In the case of the first half plate 3, the embossed structure is produced by rollers 21, 22, with the help of heating elements 23 setting a temperature level in the range between 150° Celsius and 200° Celsius. After the continuous embossing and extrusion process the half plates 3 are separated by a cutting device 24.

Im Rahmen der Herstellung der Halbplatten 4, in 4 unten, befindet sich die Schneidevorrichtung 24 zwischen dem Coil 18 und der hier diskontinuierlich arbeitenden Präge- und Fließpressvorrichtung 20. Die Präge- und Fließpressvorrichtung 20 umfasst in diesem Fall ein Werkzeugoberteil 25 und ein Werkzeugunterteil 26, wobei auch hier der Präge- und Fließpressvorgang unter Temperatureinwirkung erfolgt. Ergebnis dieses Vorgangs ist die fertiggeformte Halbplatte 4, die zum Fügen mit der ersten Halbplatte 3 bereitgestellt wird. In beiden in 4 veranschaulichten Präge- und Fließpressprozessen wird eine präzise Geometrie der Endprodukte, das heißt der Polymergraphitplatten 3, 4 trotz vergleichsweise weit tolerierter geometrischer Eigenschaften der als Ausgangsprodukte verwendeten Folien 19 erzielt.As part of the production of the half plates 4, in 4 below, the cutting device 24 is located between the coil 18 and the embossing and extrusion device 20, which works discontinuously here. The embossing and extrusion device 20 in this case comprises an upper tool part 25 and a lower tool part 26, whereby here too the embossing and extrusion process is carried out under the influence of temperature he follows. The result of this process is the fully formed half plate 4, which is prepared for joining with the first half plate 3. In both in 4 With the embossing and extrusion processes illustrated, a precise geometry of the end products, that is to say the polymer graphite plates 3, 4, is achieved despite the comparatively widely tolerated geometric properties of the films 19 used as starting products.

Die Halbplatte 3 nach 2 weist, anders als die Halbplatten 3, 4 nach 1, uneinheitliche Wandstärken der Flachbereiche 8, 9 auf. Gut erkennbar sind Abprägungen 15, das heißt Abschnitte verringerter Wandstärke, in den Flachbereichen 8, 9. Die Wandstärke im Bereich der Abprägung 15 ist mit d15 bezeichnet und deutlich geringer als die mittlere Wandstärke dM. Während des Präge- und Fließpressvorgangs, der durch Werkzeuge 21, 22, 25, 26 bewirkt wird, wird Material aus dem Flachbereich 8, 9 in die Flanke 11 verlagert, sodass sich dort eine Materialanhäufung 14 bildet. Zugleich wird während des kombinierten Prägens und Fließens Material innerhalb der Flachbereiche 8, 9 verlagert. Dies führt zur Ausbildung von lokalen Verdickungen 16, 17, das heißt Wandstärkemaxima, in den Flachbereichen 8, 9.The half plate 3 after 2 shows, unlike the half plates 3, 4 1 , inconsistent wall thicknesses of the flat areas 8, 9. Imprints 15, i.e. sections of reduced wall thickness, are clearly visible in the flat areas 8, 9. The wall thickness in the area of the imprint 15 is designated d15 and is significantly smaller than the average wall thickness dM. During the embossing and extrusion process, which is effected by tools 21, 22, 25, 26, material is displaced from the flat area 8, 9 into the flank 11, so that an accumulation of material 14 forms there. At the same time, material is displaced within the flat areas 8, 9 during the combined embossing and flowing. This leads to the formation of local thickenings 16, 17, i.e. wall thickness maxima, in the flat areas 8, 9.

Eine besonders starke Ausprägung der Materialanhäufung 14 ist im Fall 3 gegeben. In diesem Fall ist die Wandstärke d11 im Bereich der Flanke 11 wesentlich größer als die Wandstärke d8 im ersten Flachbereich 8 sowie die Wandstärke d9 im zweite Flachbereich 9. Die Wandstärke d15 im Bereich der Abprägung 15 stimmt in diesem Fall mit der Wandstärke d9 überein.A particularly strong manifestation of the material accumulation 14 is in the case 3 given. In this case, the wall thickness d11 in the area of the flank 11 is significantly larger than the wall thickness d8 in the first flat area 8 and the wall thickness d9 in the second flat area 9. The wall thickness d15 in the area of the impression 15 corresponds to the wall thickness d9 in this case.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
BipolarplatteBipolar plate
22
PrägestrukturEmbossed structure
33
Halbplatte, PolymergraphitplatteHalf plate, polymer graphite plate
44
Halbplatte, PolymergraphitplatteHalf plate, polymer graphite plate
55
PrägestrukturEmbossed structure
66
Erhebungsurvey
77
Hohlraumcavity
88th
erster Flachbereichfirst flat area
99
zweiter Flachbereichsecond flat area
1010
FertigungsanlageManufacturing facility
1111
FlankeFlank
1212
abgerundeter Bereichrounded area
1313
abgerundeter Bereichrounded area
1414
Materialanhäufung in der FlankeMaterial accumulation in the flank
1515
Abprägung, Abschnitt verringerter WandstärkeImprint, section of reduced wall thickness
1616
lokale Verdickung in der Erhebunglocal thickening in the elevation
1717
lokale Verdickung im ersten Flachbereichlocal thickening in the first flat area
1818
CoilCoil
1919
Foliefoil
2020
Präge- und FließpressvorrichtungEmbossing and extrusion device
2121
Walzeroller
2222
Walzeroller
2323
HeizelementHeating element
2424
Schneidevorrichtungcutting device
2525
Werkzeugteiltool part
2626
Werkzeugteil tool part
αα
Winkelangle
d8d8
Wandstärke im ersten FlachbereichWall thickness in the first flat area
d9d9
Wandstärke im zweiten FlachbereichWall thickness in the second flat area
d11d11
Flankenwandstärkeflank wall thickness
d15d15
Wandstärke im Bereich der AbprägungWall thickness in the area of the impression
dMdm
mittlere Wandstärkemedium wall thickness
dPdp
projizierte Wandstärkeprojected wall thickness
DGDG
GesamtdickeTotal thickness
DHDH
Dicke einer HalbplatteThickness of a half plate
E1E1
erste Ebenefirst floor
E2E2
zweite Ebenesecond level
MEM.E
MittelebeneMiddle level

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10216306 B4 [0002]DE 10216306 B4 [0002]
  • DE 112005001954 B4 [0003]DE 112005001954 B4 [0003]
  • DE 102020204303 A1 [0004]DE 102020204303 A1 [0004]
  • DE 102020216095 A1 [0005]DE 102020216095 A1 [0005]
  • DE 102021105373 A1 [0018]DE 102021105373 A1 [0018]

Claims (10)

Polymergraphitische Bipolarplatte (1) für einen Stapel elektrochemischer Zellen, umfassend mindestens eine dreidimensional strukturierte, eine mittlere Wandstärke (dM) aufweisende Polymergraphitplatte (3, 4), welche erste Flachbereiche (8) aufweist, die in einer ersten Ebene (E1) liegen, sowie zweite Flachbereiche (9), die eine von der ersten Ebene (E1) um ein Mehrfaches der mittleren Wandstärke (dM) parallel beabstandete zweite Ebene (E2) tangieren, wobei die verschiedenen Flachbereiche (8, 9) durch Flanken (11) miteinander verbunden sind, und wobei mindestens einer der drei genannten Bereiche (8, 9, 11), das heißt Flachbereiche (8, 9) und Flanken (11), eine Materialanhäufung (14), verglichen mit einem unverformten Abschnitt der Polymergraphitplatte (3, 4), bezogen auf eine Projektion auf die erste Ebene (E1), aufweist, und zugleich in mindestens einem der beiden Flachbereiche (8, 9) eine Abprägung (15), das heißt ein Abschnitt verringerter Wandstärke (d15), ausgebildet ist.Polymer-graphitic bipolar plate (1) for a stack of electrochemical cells, comprising at least one three-dimensionally structured polymer-graphite plate (3, 4) with an average wall thickness (dM), which has first flat areas (8) which lie in a first plane (E1), and second flat areas (9), which touch a second level (E2) which is spaced parallel from the first level (E1) by a multiple of the average wall thickness (dM), the different flat areas (8, 9) being connected to one another by flanks (11). , and wherein at least one of the three areas mentioned (8, 9, 11), i.e. flat areas (8, 9) and flanks (11), is an accumulation of material (14), compared to an undeformed section of the polymer graphite plate (3, 4), based on a projection onto the first plane (E1), and at the same time an impression (15), that is to say a section of reduced wall thickness (d15), is formed in at least one of the two flat areas (8, 9). Bipolarplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymergraphitplatte (3, 4) einen polyolefinen Binder umfasst.Bipolar plate (1). Claim 1 , characterized in that the polymer graphite plate (3, 4) comprises a polyolefinic binder. Bipolarplatte (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitanteil der Polymergraphitplatte (3, 4) mindestens 80 Gew.-% beträgt.Bipolar plate (1). Claim 2 , characterized in that the graphite content of the polymer graphite plate (3, 4) is at least 80% by weight. Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Polymergraphitplatte (3, 4) in mindestens einem Flachbereich (8, 9) uneinheitlich ist.Bipolar plate (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the wall thickness of the polymer graphite plate (3, 4) is non-uniform in at least one flat area (8, 9). Bipolarplatte (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Flachbereich (8, 9) mit einem Maximum und mehreren Minima der Wandstärke existiert.Bipolar plate (1). Claim 4 , characterized in that there is at least one flat area (8, 9) with a maximum and several minima of the wall thickness. Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (11) der Polymergraphitplatte (3, 4) um einen Winkel α von mindestens 30° und maximal 84° gegenüber den zwei genannten, zueinander parallelen Ebenen (E1, E2) schräg gestellt sind, wobei folgender Zusammenhang zwischen der mittleren Wandstärke (dM) der Polymergraphitplatte (3, 4) und der Flankenwandstärke (d11) gegeben ist: ( SQRT ( cos ( α ) ) ) × dM < d 11 < ( cos ( 0,5   α ) ) × dM
Figure DE102023105976A1_0001
Bipolar plate (1) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the flanks (11) of the polymer graphite plate (3, 4) are inclined by an angle α of at least 30° and a maximum of 84° relative to the two mentioned, mutually parallel planes (E1, E2), the following relationship between the average wall thickness (dM) of the polymer graphite plate (3, 4) and the flank wall thickness (d11) is given: ( SQRT ( cos ( α ) ) ) × dm < d 11 < ( cos ( 0.5 α ) ) × dm
Figure DE102023105976A1_0001
Bipolarplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus zwei sich in einer Mittelebene (ME) tangierenden Polymergraphitplatten (3, 4) zusammengesetzt ist.Bipolar plate (1) according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that it is composed of two polymer graphite plates (3, 4) tangent to one another in a central plane (ME). Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte(1), mit folgenden Schritten: - Bereitstellung einer Polymergraphitfolie (19), - Einlegen der Polymergraphitfolie (19) in ein Werkzeug (21, 22, 25, 26) und Erzeugen einer Prägestruktur (2, 5) in einem kombinierten Präge- und Fließpressvorgang unter Temperatureinwirkung derart, dass Material der Polymergraphitfolie (19) innerhalb eines in unveränderter Winkellage verbleibenden Abschnitts (8, 9) der Polymergraphitfolie (19) verschoben und zum Wandstärkeaufbau in einem anderen Abschnitt, nämlich einer Flanke (11), der Polymergraphitfolie (19) genutzt wird.Method for producing a bipolar plate (1), with the following steps: - Provision of a polymer graphite film (19), - Inserting the polymer graphite film (19) into a tool (21, 22, 25, 26) and producing an embossed structure (2, 5) in a combined embossing and extrusion process under the influence of temperature in such a way that the material of the polymer graphite film (19) remains unchanged within one Angular position of the remaining section (8, 9) of the polymer graphite film (19) is shifted and used to build up the wall thickness in another section, namely a flank (11), of the polymer graphite film (19). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gleichzeitige Prägen und Fließpressen bei einer Temperatur von mindestens 120 °C und maximal 200 °C erfolgt.Procedure according to Claim 8 , characterized in that the simultaneous embossing and extrusion takes place at a temperature of at least 120 °C and a maximum of 200 °C. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des gleichzeitigen Prägens und Fließpressens Werkstoff der Polymergraphitfolie (19) aus einem Flachbereich (8, 9), das heißt einem in unveränderter Winkellage verbleibenden Abschnitt, teils zum Aufbau einer Verdickung (16) im selben Bereich verwendet und teils in eine Flanke (11) verlagert wird.Procedure according to Claim 8 or 9 , characterized in that during the simultaneous embossing and extrusion, material of the polymer graphite film (19) is used from a flat area (8, 9), that is to say a section remaining in an unchanged angular position, partly to build up a thickening (16) in the same area and partly in an edge (11) is displaced.
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