WO2003050903A2 - Platten- oder scheibenförmiger körper - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a plate or disk-shaped body made of a plastic or synthetic resin or pitch-bonded carbon or graphite material, preferably of a thermosetting or thermoplastic with carbon or graphite filler with a filler content of in particular 70 wt % to 95% by weight, in particular in the form of a plate such as a bipolar plate intended for a fuel cell or a carbon commutator plate or a contact plate for an earth contact, the disk or plate-shaped body having a passage recess.
  • the invention relates to a method for forming a passage recess in a plate-shaped or disk-shaped body made of a plastic or synthetic resin or pitch-bonded plastic material, preferably thermosetting or thermoplastic plastic with a carbon or graphite filler with a filler content of in particular 70 % By weight to 95% by weight.
  • holes are made in the plates which are aligned with one another and through which clamping elements pass.
  • the holes can be made by drilling or milling. This is complex and therefore has the disadvantage of not being suitable for series production.
  • Plate-shaped carbon commutator plates or contact plates for ground contacts must also be provided with holes so that the former can be attached.
  • the holes are also formed by milling or drilling.
  • DE 195 42 721 AI describes a process for the production of moldings e.g. in the form of plates intended for electrical or electrochemical purposes, which consist of plastic filling mixtures with a high content of fillers.
  • the panels can be provided with a profile on one or both of their flat sides. This can be done using e.g. Embossing rolls or machining are carried out on program-controlled processing machines.
  • a bipolar plate according to DE 100 19 094 AI consists of an outer area made of electrically non-conductive plastic and an inner metallic or carbon-containing area.
  • the inner part has cutouts to form channels.
  • the outer parts are provided with holes for stack assembly.
  • the present invention is based on the problem of providing a plate-shaped or disk-shaped body of the type mentioned at the outset with at least one passage recess which is extremely precise in terms of shape and positional positioning.
  • the problem is essentially solved in that the passage recess is formed in the plate-shaped or disk-shaped body by stamping.
  • the passage recess is an opening or notch.
  • the opening formed by stamping runs in an area of the plate-like or disk-shaped body which has a thickness D with D ⁇ 5 mm, in particular D ⁇ 2 mm.
  • a plate-shaped or disk-shaped body made of a plastic or synthetic resin or pitch-bonded carbon or graphite material is provided with an opening which is not formed by milling or drilling or during pressing, but by stamping is made. This provides an opening that does not require post-processing. Exact positioning is also guaranteed.
  • a method for forming a through recess in a plate-shaped or disk-shaped body made of a plastic or synthetic resin or pitch-bonded carbon or graphite material, in particular of thermosetting or thermoplastic plastic with carbon filler with a filler content of in particular 70% by weight to 95 % By weight is distinguished by the fact that the passage recess is formed by punching.
  • the punching is done in particular by a fine-cutting tool.
  • the plate-shaped or disk-shaped body should be punched out in an area in which it has a thickness D of ⁇ 5 mm, in particular D ⁇ 2 mm.
  • the invention is also characterized by the use of a plate-shaped or disk-shaped body with a passage opening formed by stamping as a bi- polar plate intended for a fuel cell, as a carbon commutator plate or a contact plate for a ground contact.
  • a bipolar plate intended for a fuel cell 900 g of graphite with a grain fraction up to 200 ⁇ m spherical geometry, 100 g of phenolic resin were mixed in a mixer at a temperature of 80 ° C. over a period of 10 minutes. The mixture was then placed in a mold of a hot press to produce the bipolar plate by plastically deforming and hardening the mixture by hot pressing.
  • the upper and / or lower punches of the press had a shaping structure, so that meandering channels were formed in the plate, through which reactants flow in a composite fuel cell.
  • the finished panels were fed to a fine-cutting tool in order to punch them.
  • Example 2 In order to provide resistance rings with holes, a starting mixture according to Example 2 was mixed, ground, and annealed at a temperature of approximately 1000.degree. However, there was no graphitization. Disc-shaped sheets with a thickness of 1.2 mm and an outer diameter of 100 mm were obtained, into which holes with an inner diameter of 85 mm were punched.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a tool for forming passage recesses
  • Fig. 2 a-e representations of the principle of different output bodies and a corresponding body provided with a passage recess.
  • a device 10 In order to form a through hole by punching in a plate-shaped or disk-shaped body, which consists in particular of a thermosetting or thermoplastic with carbon or plastic graphite filler with a filler content of in particular 70% by weight to 95% by weight, a device 10 is used. which comprises, as essential components, a cutting plate 12, a hold-down device 14 and punching elements 30, 32.
  • the cutting plate 12 is mounted on a carrier 20 to which the hold-down device 14 is adjustable, which in turn starts from a holder 22 which can be axially adjusted to the hold-down device 14 via spring-loaded guide elements 24.
  • the bracket 22 itself is adjustable along columns 26, 28.
  • the holding-down device 14 is penetrated by punching dies 30, 32 which extend from the holder 22 and by means of which through openings are to be formed in a body which can be placed on the cutting plate 12.
  • the hold-down device 14 presses the body onto the cutting plate 12 with the required contact pressure before the passage cutout is punched out by means of the punch 30 or 32. Usual contact pressures are between 2 MPa and 20 MPa or more.
  • Holes with diameters D of more than 1 mm with a plate thickness preferably between 0.5 mm and 10 mm can be punched out with high precision.
  • the punches can have cross sections in order to punch round holes, elongated holes, quadrilaterals such as squares or rectangles, ellipses or other geometries.
  • plate-shaped bodies 34, 36, 38, 40 are shown in the cutout, which may either have a uniform thickness (FIG. 2c) before the punching process, or depressions 42, 44 or already pre-pressed in the area of the punching to be carried out can have pre-embossed depressions 46, the geometry of which corresponds to the punched out area, so that in the case of a circle the diameter D of the depressions 42, 44 corresponds to that of the punched recess in the finished plate 34, 36, 38, 40.
  • FOG. 2c uniform thickness
  • depressions 42, 44 already pre-pressed in the area of the punching to be carried out can have pre-embossed depressions 46, the geometry of which corresponds to the punched out area, so that in the case of a circle the diameter D of the depressions 42, 44 corresponds to that of the punched recess in the finished plate 34, 36, 38, 40.
  • a pre-pressed recess 48 with a smaller diameter d can also be pre-formed in a plate 40 in order to subsequently carry out the punching process in order to punch a passage opening with a diameter D.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen plattenförmigen Körper aus einem Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff, der eine Durchgangsaussparung aufweist. Um diese überaus präzise auszubilden, wird vorgeschlagen, dass die Durchgangsaussparung (50) des Körpers (34, 36, 38, 40) durch Stanzen ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Platten- oder scheibenförmiger Körper
Die Erfindung bezieht sich auf einen platten- oder scheibenförmigen Körper aus einem kunststoff- bzw. kunstharz- oder pechgebundenen Kohlenstoff- bzw. Graphit-Material, vorzugsweise aus einem wärmeaushärtbaren oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff- oder Graphit-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.% bis 95 Gew.%, insbesondere in Form einer Platte wie Bipolarplatte bestimmt für eine Brennstoffzelle oder Kohlekommutatorplatte oder Kontaktplatte für einen Erdungskontakt, wobei der Scheiben- bzw. plattenförmiger Körper eine Durchgangsaussparung aufweist.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Ausbildung einer Durchgangsaussparung in einem platten- oder scheibenförmigen Körper aus einem kunststoff- bzw. kunstharz- oder pechgebundenen Kunststoffmaterial, vorzugsweise wärmeaushärtbaren oder thermoplastischen Kunststoff mit einem Kohlenstoff- oder Graphit-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.% bis 95 Gew.%.
In Brennstoffzellen kann chemische Energie mit hohem Wirkungsgrad direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. Das Grundprinzip wird durch eine räumliche Trennung von Reaktionspartner wie Wasserstoff oder Methan einerseits und Sauerstoff bzw. Luft andererseits durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten wie Polymerelektrolytmembran verwirklicht, die auf beiden Seiten mit porösen Elektroden - der Anode und der Kathode - in Kontakt steht. Auf diese Weise kann eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff nicht explosionsartig als Knallgasreaktion ablaufen, sondern so kontrolliert durchgeführt werden, dass ein Elektronenaustausch zwischen den Reaktionspartnern über einen äußeren Stromkreis erfolgt und somit die elektrische Energie liefert. Entsprechende Brennstoffzellen weisen in Stapeln aneinandergereihte Bipolarplatten mit zwischen diesen angeordneten Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) auf. Um eine hinreichende Dichtheit zwischen den Platten sicherzustellen, können diese gespannt werden. Hierzu werden in den Platten fluchtend zueinander verlaufende Bohrungen eingebracht, die von Spannelementen durchsetzt sind. Die Löcher können durch Bohren oder Fräsen hergestellt werden. Dies ist aufwendig und daher mit dem Nachteil behaftet, nicht seriengeeignet zu sein.
Auch plattenförmige Kohlekommutatorplatten oder Kontaktplatten für Erdungskontakte müssen mit Löchern versehen werden, damit erstere befestigt werden können. Die Löcher werden ebenfalls durch Fräsen oder Bohren ausgebildet.
Eine Ausbildung von Löchern bei der Formgebung der Platte ist auch bekannt.
Aus der DE 195 42 721 AI ist ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern z.B. in Form von Platten bestimmt für elektrische oder elektrochemische Zwecke bekannt, die aus Kunststoff-Füllmischungen mit einem hohen Gehalt an Füllstoffen bestehen. Dabei können die Platten auf einer oder auf beiden ihrer Flachseiten mit einem Profil versehen werden. Dies kann mittels z.B. Prägewalzen oder spanender Bearbeitung auf programmgesteuerten Bearbeitungsmaschinen erfolgen.
Eine Bipolarplatte nach der DE 100 19 094 AI besteht aus einem äußeren aus elektrisch nichtleitendem Kunststoff und einem inneren metallischen oder kohlestoffhaltigen Bereich. Der innere Teil weist Ausfräsungen zur Ausbildung von Kanälen auf. Die äußeren Teile sind zur Stackmontage mit Bohrungen versehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen platten- oder scheibenförmigen Körper der eingangs genannten Art mit zumindest einer Durchgangsaussparung zur Verfügung zu stellen, die hinsichtlich Form und Lagepositionierung überaus präzise ist. Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Durchgangsaussparung in dem platten- bzw. scheibenförmigen Körper durch Stanzen ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich bei der Durchgangsaussparung um eine Durchbrechung oder Ausklinkung.
Abweichend vom vorbekannten Stand der Technik erfolgt keine spanende Bearbeitung, um Löcher bzw. Ausklinkungen auszubilden, sondern ein Ausschneiden mit einem Stanzwerkzeug wie insbesondere Presse.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die durch Stanzen ausgebildete Durchbrechung in einem Bereich des platten- bzw. scheibenförmigen Körpers verläuft, der eine Dicke D mit D < 5mm, insbesondere D < 2mm aufweist.
Abweichend vom vorbekannten Stand der Technik wird ein platten- oder scheibenförmiger Körper aus einem kunststoff- bzw. kunstharz- oder pechgebundenen Kohlenstoff- bzw. Graphitmaterial mit einer Durchbrechung zur Verfügung gestellt, die nicht durch Fräsen oder Bohren oder beim Pressen ausgebildet wird, sondern durch Stanzen hergestellt ist. Hierdurch wird eine Durchbrechung zur Verfügung gestellt, die einer Nachbearbeitung nicht bedarf. Auch ist eine exakte Lagepositionierung gewährleistet.
Ein Verfahren zur Ausbildung einer Durchgangsaussparung in einem platten- oder scheibenförmigen Körper aus einem kunststoff- bzw. kunstharz- oder pechgebundenen Kohlenstoff- bzw. Graphitmaterial, insbesondere aus wärmeaushärtbarem oder thermoplastischem Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.% bis 95 Gew.% zeichnet sich dadurch aus, dass die Durchgangsaussparung durch Stanzen ausgebildet wird. Dabei erfolgt das Stanzen insbesondere durch ein Feinschnittwerkzeug. Insbesondere sollte der platten- oder scheibenförmige Körper in einem Bereich ausgestanzt werden, in dem dieser eine Dicke D mit < 5mm, insbesondere D < 2mm aufweist.
Auch zeichnet sich die Erfindung durch die Verwendung eines platten- oder scheibenförmigen Körpers mit einer durch Stanzen ausgebildeten Durchgangsdurchbrechung als Bi- polarplatte bestimmt für eine Brennstoffzelle, als Kohlekommutatorplatte oder Kontaktplatte für einen Erdungskontakt aus.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1:
Zur Herstellung einer Bipolarplatte bestimmt für eine Brennstoffzelle wurden 900g Graphit einer Kornfraktion bis 200 μm kugeliger Geometrie, 100g Phenolharz in einem Mischer bei einer Temperatur von 80C° über einen Zeitraum von 10 Min. vermischt. Die Mischung wurde anschließend in eine Pressform einer Heißpresse gefüllt, um sodann durch plastisches Verformen und Härten der Mischung durch Heizpressen die Bipolarplatte herzustellen. Ober- und/oder Unterstempel der Presse wiesen dabei eine formgebende Struktur auf, so dass sich in der Platte mäanderförmig verlaufende Kanäle ausbildeten, über die bei einer zusammengesetzten Brennstoffzelle Reaktanden strömen.
Um in Eckbereichen Durchgangsbόhrungen bzw. Ausklinkungen auszubilden, wurden die fertiggestellten Platten einem Feinschnittwerkzeug zugeführt, um diese zu stanzen.
Beispiel 2:
Zur Herstellung eines Flachkommutators wurden 70 Gew.% Koks, 30 Gew.% Graphit und 10 Gew.% Ruß zusammen mit 30 Gew.% Pech bezogen auf die Feststoffe Koks, Graphit und Ruß gemischt, gemahlen und verpresst. Anschließend erfolgte ein Glühen bei einer Temperatur von in etwa 1000 °C und ein Graphitieren bei einer Temperatur von ca. 2800 °C. Es wurden sodann Plättchen einer Dicke von 3mm und eines Außendurchmessers von 35mm hergestellt. In diese wurden Durchgangsöffnungen mit einem Innendurchmesser von 10mm gestanzt. Beispiel 3:
Um Widerstandsringe mit Löchern zu versehen, wurde eine Ausgangsmischung entsprechend dem Beispiel 2 gemischt, gemahlen verpresst und bei einer Temperatur von in etwa 1000 °C geglüht. Ein Graphitieren erfolgte jedoch nicht. Man erhielt scheibenförmige Blättchen einer Stärke von 1,2 mm und einem Außendurchmesser von 100mm, in die Löcher mit einem Innendurchmesser von 85mm gestanzt wurden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus den nachstehend erläuterten Ausführungsbeispielen:
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Werkzeugs zur Ausbildung von Durchgangsaussparungen und
Fig. 2 a-e Prinzipdarstellungen von verschiedenen Ausgangskörpern sowie einen entsprechenden mit einer Durchgangsaussparung versehenen Körper.
Um in einen platten- oder scheibenförmigen Körper, der insbesondere aus einem wärmeaushärtbaren oder thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff bzw. Kunststoffgraphitfüllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.% bis 95 Gew.% besteht, eine Durchgangsbohrung durch Stanzen auszubilden, wird eine Vorrichtung 10 benutzt, die als wesentliche Bestandteile eine Schnittplatte 12, einen Niederhalter 14 und Stanzelemente 30, 32 umfasst.
Die Schnittplatte 12 ist auf einem Träger 20 gelagert, zu dem der Niederhalter 14 verstellbar ist, der seinerseits von einer Halterung 22 ausgeht, der über federvorgespannte Führungselemente 24 zu dem Niederhalter 14 axial verstellt werden kann. Die Halterung 22 selbst ist entlang von Säulen 26, 28 verstellbar. Der Niederhalter 14 wird von von der Halterung 22 ausgehenden Stanzstempeln 30, 32 durchsetzt, mittels denen in einem auf die Schnittplatte 12 auflegbaren Körper Durch- gangsöffnungen ausgebildet werden sollen. Dabei drückt der Niederhalter 14 den Körper mit dem erforderlichen Anpressdruck auf die Schnittplatte 12, bevor mittels des Stempels 30 bzw. 32 die Durchgangsaussparung ausgestanzt wird. Übliche Anpressdrücke liegen zwischen 2 MPa und 20 MPa oder mehr.
Löcher mit Durchmessern D von mehr als 1 mm bei einer Plattendicke vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 10 mm können mit hoher Präzision ausgestanzt werden. Dabei können die Stempel Querschnitte aufweisen, um Rundlöcher, Langlöcher, Vierecke wie Quadrate oder Rechtecke, Ellipsen oder sonstige Geometrien auszustanzen.
In den Fig. 2a bis d sind plattenförmige Körper 34, 36, 38, 40 im Ausschnitt dargestellt, die entweder vor dem Stanzvorgang eine gleichmäßige Dicke (Fig. 2c) aufweisen können, oder im Bereich der durchzuführenden Stanzung bereits vorgepresste Vertiefungen 42, 44 oder vorgeprägte Vertiefungen 46 aufweisen können, deren Geometrie der Ausstanzung entspricht, so dass im Falle eines Kreises der Durchmesser D der Vertiefungen 42, 44 dem der gestanzten Aussparung der fertigen Platte 34, 36, 38, 40 entspricht.
Auch kann in einer Platte 40 eine vorgepresste Vertiefung 48 mit einem geringeren Durchmesser d vorgebildet sein, um anschließend den Stanzvorgang durchzuführen, um eine Durchgangsdurchbrechung mit einem Durchmesser D zu stanzen.

Claims

PatentansprüchePlatten- oder scheibenförmiger Körper
1. Platten- oder scheibenförmiger Körper (3, 36, 38, 40) aus einem kunststoff- bzw. kunststoff- oder pechgebundenen Kohlenstoff- bzw. Graphit-Material, vorzugsweise wärmeaushärtbaren oder thermostatischen Kunststoff mit Kohlenstoff- bzw. Graphit-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.% bis 95 Gew.%, vorzugsweise in Form einer Platte wie Bipolarplatte bestimmt für eine Brennstoffzelle oder Kohlekommutatorplatte oder Kontaktplatte für einen Erdungskontakt, wobei der Scheiben- bzw. plattenförmige Körper eine Durchgangsaussparung (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsaussparung (50) des Körpers (34, 36, 38, 40) durch Stanzen ausgebildet ist.
2. Körper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsaussparung (50) eine Durchbrechung oder eine Ausklirikung ist.
3. Körper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der platten- oder scheibenförmige Körper (34, 36, 38, 40) im Bereich der Durchgangsaussparung eine Dicke D mit 0,5 mm < D < 10 mm, insbesondere D < 2 mm aufweist.
4. Verfahren zur Ausbildung einer Durchgangsaussparung (50) in einem platten- oder scheibenförmigen Körper (34, 36, 38, 40) aus einem kunststoff- bzw. kunstharz- oder pechgebundenem Kohlenstoff- bzw. Graphit-Material, insbesondere aushärtbaren bzw. thermoplastischen Kunststoff mit Kohlenstoff-Füllstoff mit einem Füllstoffanteil von insbesondere 70 Gew.% bis 95 Gew.%, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsaussparung (50) in dem Köφer (34, 36, 38, 40) durch Stanzen ausgebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsaussparung (50) durch ein Feinschnittwerkzeug ausgebildet ist.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Köφer (34, 36, 38, 40) zwischen einer Schnittplatte (12) und einem Niederhalter (14) mit einem Anpressdruck p mit 2 MPa < p < 20 MPa fixiert und sodann die Durchgangsbohrung (50) gestanzt wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung (50) in dem platten- oder scheibenförmigen Köφer (34, 36, 38, 40) im Bereich einer Dicke D des Köφers mit 0,5 mm < D < 10 mm, insbesondere D < 2 mm gestanzt wird.
8. Verwendung eines platten- oder scheibenförmigen Köφers (34, 36, 38, 40) aus einem kunststoff- bzw. kunstharz- oder pechgebundenen Kohlenstoff- bzw. Graphitmaterial mit einer durch Stanzen ausgebildeten Durchgangsaussparung als Bi- polaφlatte bestimmt für eine Brennstoffzelle, Kohlekommutatoφlatte oder Kontaktplatte für einen Erdungskontakt.
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