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Die Erfindung betrifft eine Spritzprägevorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte und einer um die Bipolarplatte umlaufenden Dichtung gemäß Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Spritzprägeverfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und einer um die Bipolarplatte umlaufenden Dichtung mittels einer derartigen Spritzprägevorrichtung.
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Stand der Technik
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Eine einzelne Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, besteht typischerweise aus zwei Stromableiterplatten, zwei katalysierten Gasdiffussionselektroden und einer Ionenaustauschermembran, die zwischen diesen Gasdiffussionselektroden angeordnet ist. Die Stromableiterplatten enthalten Einrichtungen zur Zuführung und Verteilung der Reaktanden.
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Da die elektrische Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle für praktische Anwendungen viel zu niedrig ist, werden eine Vielzahl solcher Zellen in Reihe geschaltet. Eine derartige Zellenreihenschaltung wird auch als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet.
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Bei einem Brennstoffzellenstapel werden die aufeinandertreffenden Stromableiterplatten durch sogenannte Bipolarplatten ersetzt. Die Bipolarplatten stehen mit einer ihrer Oberflächen in elektrischem Kontakt mit der Anode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels, während die gegenüberliegende Oberfläche mit der Kathode der benachbarten Brennstoffzelle kontaktiert ist.
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Die Aufgabe der Bipolarplatten besteht im Wesentlichen darin, den Strom durch den Brennstoffzellenstapel zu leiten und die Reaktionsgase zu trennen.
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Bei der Herstellung von Bipolarplatten bzw. Brennstoffzellenstapel stellt insbesondere die dauerhafte Abdichtung der Anoden - und Kathodenräume eine große Herausforderung dar.
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Eine Möglichkeit die Anoden - und Kathodenräume abzudichten, besteht in der Fertigung von Elastomerdichtungen und dem Anordnen dieser Dichtungen zwischen den Ionenaustauschermembranen und den Bipolarplatten. Dabei werden die Dichtungen auf komplizierte Art und Weise hergestellt und in Schlitze der Bipolarplatten eingelegt.
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Eine weitere Möglichkeit wird in der Patentschrift
EP 1 437 780 A2 beschrieben. Die Patentschrift offenbart ein Spritzgießverfahren mit mehreren Verfahrensschritten, bei dem eine Bipolarplatte aus leitenden Metallblechen hergestellt und anschließend mit einer Elastomerdichtung versehen wird. Das beschriebene Verfahren weist jedoch zu viele nacheinander geschaltete Verfahrensschritte, insbesondere Einzelfertigungsschritte, auf und ist daher sehr zeit- und kostenaufwendig, sodass sich dadurch die Anzahl der Fehlerquellen erhöht.
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Des Weiteren weist die versehene Elastomerdichtung keine Haftung zu der Bipolarplatte auf, sodass dadurch Undichtigkeiten in der Grenzschicht zwischen der Elastomerdichtung und der Bipolarplatte entstehen können. Bei einem späteren Zusammenbau zu einem Brennstoffzellenstapel führen diese Undichtigkeiten zu einer wesentlichen Reduzierung der Effizienz des Brennstoffzellenstapels.
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In der
DE 10 2005 012 057 A1 wird eine durch Pressung hergestellte Bipolarplatte beschrieben, die aus einem duroplastischen Epoxid- oder Phenolharz mit einem Füllstoffanteil von 60 Prozent besteht. Die hergestellte Bipolarplatte weist jedoch eine zu große Schichtdicke auf, sodass die Fließwege um die Ränder der dicken Bipolarplatte sehr lang sind. Die Durchmesser der Dichtungskavitäten müssen daher entsprechend groß ausgeführt werden, um diese komplett ausfüllen zu können. Dabei entstehen Bindenähte, die ebenfalls zu Undichtigkeiten führen können. Des Weiteren endet die Temperaturbeständigkeit der Bipolarplatten bei unter 100 °C
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Da Bipolarplatten kritische Funktionselemente von Brennstoffzellenstapeln sind und einen erheblichen Anteil zu dem Gewicht, den Kosten und der Effizienz der Brennstoffzellenstapel beitragen, besteht eine große Nachfrage nach abgedichteten Bipolarplatten mit geringen Schichtdicken.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Spritzprägevorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte und einer um die Bipolarplatte umlaufenden Dichtung vorgestellt. Die Spritzprägevorrichtung weist ein erstes Spritzprägeformteil und ein zweites Spritzprägeformteil auf, wobei das erste Spritzprägeformteil und das zweite Spritzprägeformteil relativ zueinander bewegbar sind.
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Das erste Spritzprägeformteil und das zweite Spritzprägeformteil bilden in einer Einspritzstellung der Spritzprägevorrichtung eine erste Kavität zur Herstellung der Bipolarplatte und eine zweite Kavität zur Herstellung der Bipolarplatte umlaufenden Dichtung.
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Die erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung hat den wesentlichen Vorteil, dass aufgrund der Begrenzung bzw. Bildung von zwei Kavitäten, zwei Komponenten durch dieselbe Vorrichtung hergestellt werden können und dadurch der Zeit- und Kostenaufwand maßgeblich reduziert wird.
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Insbesondere können durch erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung eine Bipolarplatte mit einer umlaufenden, nahtlosen und haftenden Dichtung hergestellt werden. Aufwendige und komplizierte nacheinander geschaltete Verfahrensschritte, insbesondere Einzelfertigungsschritte, zur Herstellung und Anbringung der Dichtung an die Bipolarplatte wie im Stand der Technik sind nicht erforderlich. Durch die erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung wird die Anzahl der Fehlerquellen wesentlich verringert.
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Insbesondere können durch die erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung die Durchmesser der Dichtungen entsprechend dünn ausgeführt werden, sodass beim Zusammenführen der Bipolarplatten zu einem Brennstoffzellenstapel anschließend sehr dünne Anordnungen geschaffen werden können, um die Effizienz, insbesondere die Leistungsdichte pro Bipolarplatte, des Brennstoffstapels insgesamt zu erhöhen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend angegeben.
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Um die erste Komponente, insbesondere die dünne Bipolarplatte, durch die erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung herstellen zu können, weist die Form der ersten Kavität vorzugsweise die Form eines dünnen Quaders, insbesondere die Form einer dünnen Platte, auf.
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Um die zweite Komponente, insbesondere die um die Bipolarplatte umlaufenden Dichtung, durch dieselbe Vorrichtung herstellen zu können, ist die Form der zweiten Kavität vorzugsweise derart größer als die Form der ersten Kavität, dass die Form der zweiten Kavität zumindest die Form der ersten Kavität aufweist und zusätzlich die Form der ersten Kavität um einen umlaufenden Rahmen, insbesondere T-förmigen Rahmen, erweitert.
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Die Temperaturbeständigkeit der aus dem Stand der Technik bekannten Bipolarplatten endet bei unter 100 °C. Durch die erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung soll jedoch eine dünne Bipolarplatte mit einer höheren Temperatur-beständigkeit bereitgestellt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, in dem die Bipolarplatte wärmebehandelt, insbesondere temperiert bzw. ausgehärtet, wird. Hierfür sind das erste Spritzprägeformteil und das zweite Spritzprägeformteil vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 160 °C und 200 °C, insbesondere auf eine Temperatur von 180 °C, beheizbar.
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Die erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung weist vorzugsweise eine erste Spritzeinheit zum Einspritzen einer ersten spritzprägefähigen Füllkomponente auf. Die erste Spritzeinheit ist dabei über wenigstens einen ersten Einspritzkanal mit der ersten Kavität verbunden. Es ist denkbar, dass die erste Spritzeinheit über mehrere Einspritzkanäle mit der ersten Kavität verbunden ist.
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Die erste Spritzeinheit ist vorzugsweise ausgebildet, als erste spritzprägefähige Füllkomponente einen Bulk-Molding-Compound-Kunststoff, insbesondere einen Langglasfaser und/oder ein Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff einzuspritzen. Derartige Kunststoffe sind gut wärmebehandelbar und weisen nach dem Aushärten eine sehr hohe Festigkeit auf. Dies ist besonders wichtig, da die Bipolarplatte sehr dünn ausgebildet werden soll.
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Die erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung weist vorzugsweise eine zweite Spritzeinheit zum Einspritzen einer zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente auf. Die zweite Spritzeinheit ist dabei über wenigstens einen zweiten Einspritzkanal mit der zweiten Kavität verbunden. Es ist denkbar, dass die zweite Spritzeinheit über mehrere Einspritzkanäle mit der zweiten Kavität verbunden ist.
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Die zweite Spritzeinheit ist vorzugsweise ausgebildet, als zweite spritzprägefähige Füllkomponente einen Liquid-Silicon-Rubber-Kunststoff, insbesondere einen Elastosil-Kunststoff und/oder einen Silopren-Kunststoff einzuspritzen. Derartige Kunststoffe weisen selbsthaftende Eigenschaften auf und lassen sich dadurch auf einfache Weise umlaufend und insbesondere nahtlos an die Bipolarplatte stoffschlüssig vernetzen. Dadurch muss die Dichtung nicht mehr wie im Stand der Technik auf komplizierte Art und Weise hergestellt und in weiteren Folgeprozessen in die Schlitze der Bipolarplatte eingelegt werden. Durch die stoffschlüssige Vernetzung ohne Bindenähte werden zudem Undichtigkeiten vermieden.
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Um die erste Kavität und die zweite Kavität in der Einspritzstellung der Spritzprägevorrichtung gegenüber der Umgebung abzudichten und ein Herausfließen der zunächst flüssigen ersten bzw. zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente zu verhindern, weist das erste Spritzprägeformteil vorzugsweise erste Tauchflächen und das zweite Spritzprägeformteil vorzugsweise zweite Tauchflächen auf. Dabei sind die ersten Tauchflächen und die zweiten Tauchflächen relativ zueinander parallel und/oder einander unmittelbar berührend verschiebbar.
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Im Stand der Technik werden die Kanäle an den Seitenflächen der Bipolarplatte durch aufwendige und komplizierte Folgeprozesse wie beispielsweise durch Ätzen, Strahlung, Aufrauhung der Oberfläche oder durch Aufbringen eines Pulvers eines Polymers gebildet. Um die Kanäle auf einfache und kostengünstige Weise herstellen zu können, sind vorzugsweise die Innenfläche des ersten Spritzprägeformteils und/oder die Innenfläche des zweiten Spritzprägeformteils zur Prägung einer Feinstruktur, insbesondere einer Kanalstruktur, zumindest bereichsweise konturiert. Vorzugsweise ist die Konturierung durch Vertiefungen und/oder Vorsprüngen gebildet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Spritzprägeverfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und einer um die Bipolarplatte umlaufenden Dichtung mittels der erfindungsgemäßen Spritzprägevorrichtung vorgestellt.
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Das Spritzprägeverfahren umfasst die Schritte:
- - Relative Bewegung des ersten Spritzprägeformteils und des zweiten Spritzpräge-formteils zueinander aus einer Ausgangsstellung in eine Einspritzstellung der Spritzprägevorrichtung, sodass das erste Spritzprägeformteil und das zweite Spritzprägeformteil eine erste Kavität zur Herstellung der Bipolarplatte und eine zweite Kavität zur Herstellung der die Bipolarplatte umlaufenden Dichtung bilden,
- - Aufheizen des ersten Spritzprägeformteils und des zweiten Spritzprägeformteils auf eine Temperatur zwischen 160 °C und 200 °C, insbesondere auf eine Temperatur von 180 °C,
- - Einspritzen der ersten spritzprägefähigen Füllkomponente, insbesondere des Bulk-Molding-Compound-Kunststoffs, in die erste Kavität,
- - Relative Bewegung des ersten Spritzprägeformteils und des zweiten Spritzprägeformteils zueinander aus der Einspritzstellung in eine Schließstellung der Spritzprägevorrichtung,
- - Prägen und Aushärten der ersten spritzprägefähigen Füllkomponente in der ersten Kavität zu einer Bipolarplatte mit einer Kanalstruktur,
- - Relative Bewegung des ersten Spritzprägeformteils und des zweiten Spritzprägeformteils gegeneinander aus der Schließstellung in die Ausgangsstellung,
- - Umlegen der ausgehärteten Bipolarplatte aus der ersten Kavität in die zweite Kavität,
- - Relative Bewegung des ersten Spritzprägeformteils und des zweiten Spritzprägeformteils zueinander aus der Ausgangsstellung in die Einspritzstellung,
- - Einspritzen der zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente, insbesondere des Liquid-Silicon-Rubber-Kunststoffs, in die zweite Kavität,
- - Relative Bewegung des ersten Spritzprägeformteils und des zweiten Spritzprägeformteils zueinander aus der Einspritzstellung in die Schließstellung,
- - Stoffschlüssiges Vernetzen der zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente in der zweiten Kavität zu einer umlaufenden, nahtlosen und haftenden Dichtung um die Bipolarplatte,
- - Relative Bewegung des ersten Spritzprägeformteils und des zweiten Spritzprägeformteils gegeneinander aus der Schließstellung in die Ausgangsstellung, und
- - Entnehmen der Bipolarplatte mit der umlaufenden, nahtlosen und haftenden Dichtung aus der zweiten Kavität.
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Vorteile, die ausführlich zu der Spritzprägevorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte und einer um die Bipolarplatte umlaufenden Dichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausführlich beschrieben werden, gelten gleichermaßen bei dem Spritzprägeverfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und einer um die Bipolarplatte umlaufenden Dichtung mittels der erfindungsgemäßen Spritzprägevorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch:
- 1 Spritzprägevorrichtung in einer Einspritzstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 Spritzprägevorrichtung in einer Schließstellung zur Herstellung einer ersten Komponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 Spritzprägevorrichtung in einer Schließstellung zur Herstellung einer zweiten Komponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte zur Herstellung einer ersten und zweiten Komponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung 10, die ein erstes Spritzprägeformteil 40, ein zweites Spritzprägeformteil 50, eine erste Spritzeinheit 61 und eine zweite Spritzeinheit 71 aufweist.
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Das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 sind relativ zueinander bewegbar und eine erste Kavität 60 zur Herstellung der Bipolarplatte 20 und eine zweite Kavität 70 zur Herstellung der die Bipolarplatte 20 umlaufenden Dichtung 30. Die Form der ersten Kavität 60 ist plattenförmig. Die Form der zweiten Kavität 70 ist derart größer als die Form ersten Kavität 60, dass die Form der zweiten Kavität 70 zumindest die Form der ersten Kavität 60 aufweist und zusätzlich die Form der ersten Kavität 60 um einen umlaufenden Rahmen, insbesondere um einen T-förmigen Rahmen, erweitert.
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Die erste Spritzeinheit 61 ist zum Einspritzen einer ersten spritzprägefähigen Füllkomponente 62 über wenigstens einen ersten Einspritzkanal 63 mit der ersten ebenen Kavität 60 verbunden. Die zweite Spritzeinheit 71 ist zum Einspritzen einer zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente 72 über wenigstens einen zweiten Einspritzkanal 73 mit der zweiten umlaufenden Kavität 70 verbunden.
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Das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 befinden sich in einer Einspritzstellung der Spritzprägevorrichtung 10. In der Einspritzstellung wird die erste spritzprägefähige Füllkomponente 62 bzw. die zweite spritzprägefähige Füllkomponente 72 in die erste Kavität 60 bzw. zweite Kavität 70 eingespritzt.
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Das erste Spritzprägeformteil 40 weist erste Tauchflächen 64, 65 auf. Das zweite Spritzprägeformteil 50 weist zweite Tauchflächen 74, 75 auf. Die ersten Tauchflächen 64, 65 und die zweiten Tauchflächen 74, 75 sind relativ zueinander parallel und/oder einander unmittelbar berührend verschiebbar.
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Durch relative Verschiebung der ersten Tauchflächen 64, 65 und zweiten Tauchflächen 74, 75 zueinander können die erste Kavität 60 und die zweite Kavität 70 verkleinert bzw. vergrößert werden.
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In der Einspritzstellung weisen die erste Kavität 60 und die zweite Kavität 70 ein größeres Volumen als die am Ende hergestellte Bipolarplatte bzw. Dichtung auf. Dadurch kann ein Einspritzen der ersten spritzprägefähigen Füllkomponente 62 bzw. der zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente 72 mit weniger Druckbedarf und ein Prägen mit geringerem Verzug ermöglicht werden.
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Die Ausgangsstellung stellt die geöffnete Stellung der Spritzprägevorrichtung 10 dar, in der die ersten Tauchflächen 64, 65 und zweiten Tauchflächen 74, 75 relativ voneinander parallel verschoben bzw. relativ voneinander entfernt sind und einander nicht berühren.
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In der Einspritzstellung berühren die ersten Tauchflächen 64, 65 und die zweiten Tauchflächen 74, 75 einander unmittelbar in einem vorderen Bereich, sodass die erste Kavität 60 und die zweite Kavität 70 gerade noch dicht verschlossen sind.
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Die erste Kavität 60 und die zweite Kavität 70 können teilweise oder vollständig befüllt werden. Hierfür können jeweils Kavitätsbegrenzer vorgesehen sein.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung 10 zur Herstellung einer ersten Komponente, insbesondere einer dünnen strukturierten Bipolarplatte 20.
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Zur Komprimierung und Prägung der ersten spritzprägefähigen Füllkomponente 62 werden das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 durch eine Schließkraft der Spritzprägevorrichtung 10 aus der Einspritzstellung in eine Schließstellung gebracht. Dabei werden die ersten Tauchflächen 64, 65 und die zweiten Tauchflächen 74, 65 relativ zueinander bewegt bzw. gegeneinander gefahren, wobei diese sich über die gesamte Schließbewegung unmittelbar berühren.
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Die Kraft zum Öffnen und Schließen der Spritzprägevorrichtung 10, insbesondere die Kraft zur relativen Bewegung des ersten Spritzprägeformteils 40 und des zweiten Spritzprägeformteils 50 zueinander, kann durch einen pneumatischen, hydraulischen und/oder elektrischen Antrieb verursacht werden. Die erste spritzprägefähige Füllkomponente 62 ist ein Bulk-Molding-Compound-Kunststoff, insbesondere ein Langglasfaser und/oder ein Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff, welcher zuvor im flüssigen Zustand in der Einspritzstellung durch die erste Spritzeinheit 61 über den wenigstens einen ersten Einspritzkanal 63 in die erste Kavität 60 eingespritzt wurde.
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Bipolarplatten weisen typischerweise einseitig oder beidseitig eine Feinstruktur, insbesondere feine offene und/oder feine geschlossene Kanäle auf, entlang der bzw. in denen ein Reaktionsfluid strömen können. Insbesondere in der den Elektroden zugewandte Flächenseite der Bipolarplatte sind Kanäle eingelassen. Je feiner die Kanalstruktur, desto höher ist der Wirkungsgrad der Bipolarplatte. Des Weiteren kann eine feine Kanalstruktur ein Anhaften des Reaktionsfluides an der Oberfläche der Bipolarplatte verhindern.
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Um die Bipolarplatte 20 samt der Kanäle gleichzeitig in einem Schritt herstellen und prägen zu können, weist das erste Spritzprägeformteil 40 eine Innenfläche 66 und das zweite Spritzprägeformteil 50 eine Innenfläche 76 auf, die bereichsweise konturiert sind. Die Konturierung wird durch Vertiefungen und Vorsprünge gebildet, um dadurch eine Prägung der Feinstruktur, insbesondere der Kanalstruktur, zu ermöglichen. Dabei können die Vertiefungen und Vorsprünge beispielsweise eine mittlere Tiefe T von 5 nm ≤ T ≤ 1 pm aufweisen.
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Die erste spritzprägefähige Füllkomponente 62 wird in der ersten Kavität 60 zur einer Bipolarplatte 20 verdichtet und geprägt. Insbesondere findet in der ersten ebenen Kavität 60 eine konturnahe Temperierung bzw. formnahe Temperierung statt, die auch als „conformal cooling“ bezeichnet wird. Dabei wird die erste spritzprägefähige Füllkomponente 62 möglichst nah konturfolgend temperiert, um dadurch kürzere Zykluszeiten bei gleichzeitig höherer Qualität zu erreichen. Durch die konturnahe Temperierung wird insbesondere die Temperaturbeständigkeit und Festigkeit der Bipolarplatte 20 nach dem Aushärten wesentlich erhöht.
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Um die eine Verflüssigung der ersten spritzprägefähigen Füllkomponente 62 und der zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente 72 sowie eine anschließend konturnahe Temperierung zu ermöglichen, sind das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 auf eine Temperatur zwischen 160 °C und 200 °C, insbesondere auf eine Temperatur von 180 °C, beheizbar. Die Beheizung des ersten Spritzprägeformteils 40 und des zweiten Spritzprägeformteils 50 kann beispielsweise durch eine Heizeinrichtung, Kontaktheizung, Heißluft, Laserstrahlung, Infrarotstrahlung oder durch Ultraschall erfolgen.
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Das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 können zur Abfuhr der Wärme Kühlkanäle aufweisen oder mit einem Kühlsystem verbunden sein, sodass dadurch das Aushärten der spritzprägefähigen Füllkomponente 62, 72 beschleunigt werden kann.
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Es ist denkbar, dass die Verflüssigung der ersten spritzprägefähigen Füllkomponente 62 und der zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente 72 extern und nicht durch die Beheizung des ersten Spritzprägeformteils 40 und des zweiten Spritzprägeformteils 50 erfolgt.
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3 zeigt die erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung 10 zur Herstellung einer zweiten Komponente, insbesondere einer um die Bipolarplatte 20 umlaufenden, nahtlosen und haftenden Dichtung 30.
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Nachdem die erste spritzprägefähige Füllkomponente 62 in der ersten Kavität 60 zur Bipolarplatte 20 temperiert ausgehärtet wurde, wird die Spritzprägevorrichtung 10 wieder geöffnet. Dabei wird die Bipolarplatte 20 aus der ersten Kavität 60 entnommen und in die zweite Kavität 70 umgelegt. Danach werden das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 wieder in die Einspritzstellung zum Einspritzen der zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente 72 gebracht.
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Die Umlegung der Bipolarplatte 20 kann beispielsweise durch eine Greifvorrichtung durchgeführt werden, die eine automatisierte Robotik mit einem flexiblen Greifarm umfasst, um die Bipolarplatte 20 halten oder in X-, Y- und Z-Richtung bewegen zu können. Hierfür kann die Greifvorrichtung mit einer Steuervorrichtung verbunden sein, die eine Prägesoftware aufweist, mittels der die Greifvorrichtung programmiert werden kann. Dadurch kann die ausgehärtete Bipolarplatte schnell und einfach aus der ersten Kavität 60 in die zweite Kavität 70 umgelegt und nach Beendigung aus der zweiten Kavität 70 entnommen werden. Die zweite spritzprägefähige Füllkomponente 72 ist ein Liquid-Silicon-Rubber-Kunststoff, insbesondere ein Elastosil-Kunststoff und/oder ein Silopren-Kunststoff, der im flüssigen Zustand durch die zweite Spritzeinheit 71 über den wenigstens einen zweiten Einspritzkanal 73 in die zweite Kavität 70 eingespritzt wird.
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Nach dem Einspritzen werden zur Komprimierung der zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente 72 das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 durch eine Schließkraft der Spritzprägevorrichtung 10 aus der Einspritzstellung wieder in die Schließstellung gebracht. Dabei werden die ersten Tauchflächen 64, 65 und die zweiten Tauchflächen 74, 65 relativ zueinander bewegt bzw. gegeneinander gefahren, wobei diese sich über die gesamte Schließbewegung unmittelbar berühren.
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Die erste spritzprägefähige Füllkomponente 62 und die zweite spritzprägefähige Füllkomponente 72 vernetzten bei derselben Temperatur von 180 °C. Aufgrund der aktiven Oberflächen der beiden Füllkomponenten 62, 72, bilden diese eine stoffschlüssige Verbindung, sodass dadurch die zweite spritzprägefähige Füllkomponente 72 zu einer umlaufenden, nahtlosen und haftenden Dichtung 30 um die Bipolarplatte geprägt wird. Durch die stoffschlüssige Verbindung der ersten spritzprägefähigen Füllkomponente 62 und der zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente 72 entstehen keine Bindenähte, sodass dadurch Undichtigkeiten vermieden werden. Die umlaufende und haftende Dichtung 30 kann wie eine Dichtlippen-Struktur gesehen werden, jedoch ohne Bindenähte, wodurch selbst bei geringem Anpressdruck die Dichtigkeit sichergestellt ist. Somit kann insbesondere der Durchmesser der Dichtung entsprechend dünn ausgeführt werden.
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Mit anderen Worten werden die erste spritzprägefähige Füllkomponente 62, insbesondere der Bulk-Molding-Compound-Kunststoff, und die zweite spritzprägefähige Füllkomponente 72, insbesondere der Liquid-Silicon-Rubber-Kunststoff, durch das auf 180° C aufgeheizte erste Spritzprägeformteil 40 und zweite Spritzprägeformteil 50 aufgeschmolzen, in die erste Kavität 60 bzw. in die zweite Kavität 70 eingespritzt, unter Druck verdichtet und geprägt, sodass die erste spritzprägefähige Füllkomponente 62 und die zweite spritzprägefähige Füllkomponente 72 stoffschlüssig vernetzt werden, wobei keine Bindenähte entstehen. Dabei erfolgt die stoffschlüssige Vernetzung insbesondere an den aufgeheizten Grenzschichten bzw. Oberflächen der ersten spritzprägefähigen Füllkomponente 62 und der zweiten spritzprägefähigen Füllkomponente 72.
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4 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte zur Herstellung einer Bipolarplatte 20 und einer um die Bipolarplatte umlaufenden Dichtung mittels einer erfindungsgemäßen Spritzprägevorrichtung 10.
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Im ersten Schritt S1 werden das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 aus einer Ausgangsstellung der Spritzprägevorrichtung 10 in eine Einspritzstellung relativ zueinander bewegt, sodass das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 eine erste Kavität 60 zur Herstellung der Bipolarplatte 20 und eine zweite Kavität 70 zur Herstellung der die Bipolarplatte 20 umlaufenden Dichtung 30 bilden. Im zweiten Schritt S2 werden das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 auf eine Temperaturzwischen 160 °C und 200 °C, insbesondere auf eine Temperatur von 180 °C, aufgeheizt. Nachdem sich das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 aufgeheizt haben, wird im dritten Schritt S3 die erste spritzprägefähige Füllkomponente 62, insbesondere der Bulk-Molding-Compound-Kunststoff, in die erste Kavität 60 eingespritzt. Anschließend werden im Schritt S4 das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 aus der Einspritzstellung in die Schließstellung relativ zueinander bewegt. In der Schließstellung wird die erste spritzprägefähige Füllkomponente 62 in der ersten Kavität 60 zu einer Bipolarplatte 20 mit einer Kanalstruktur geprägt und ausgehärtet S5. Nach dem Aushärten der Bipolarplatte 20 werden das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 aus der Schließstellung in die Ausgangsstellung relativ zueinander bewegt, um die Spritzprägevorrichtung 10 zu öffnen S6. In der geöffneten Stellung der Spritzprägevorrichtung 10 wird die Bipolarplatte 20 aus der ersten Kavität 60 in die zweite Kavität 70 umgelegt S7. Anschließend werden das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 wieder aus der Ausgangsstellung in die Einspritzstellung relativ zueinander bewegt S8. In der Einspritzstellung wird im neunten Schritt S9 die zweite spritzprägefähige Füllkomponente 72, insbesondere das Liquid-Silicon-Rubber-Kunststoff, in die zweite Kavität 70 eingespritzt. Anschließend wird im zehnten Schritt S10 das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 aus der Einspritzstellung in die Schließstellung relativ zueinander bewegt. In der Schließstellung wird die zweite spritzprägefähige Füllkomponente 72 in der zweiten Kavität 70 zu einer umlaufenden, nahtlosen und haftenden Dichtung 30 um die Bipolarplatte 20 stoffschlüssig vernetzt S11.
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Anschließend werden das erste Spritzprägeformteil 40 und das zweite Spritzprägeformteil 50 aus der Schließstellung in die Ausgangsstellung relativ zueinander bewegt, um die Spritzprägevorrichtung 10 zu öffnen S12. Im letzten Schritt S13 wird die Bipolarplatte 20 mit der umlaufenden, nahtlosen und haftenden Dichtung 30 aus der zweiten Kavität 70 entnommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1 437 780 A2 [0008]
- DE 10 2005 012 057 A1 [0010]