DE102010052741B4 - Method and device for producing components for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy storage device - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von Bauelementen (2) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher, wobei ein flächiges Bauelement (2) in einem mehrstufigen Prozess in einem ersten Umformschritt hydromechanisch umgeformt wird, wobei das Bauelement (2) durch eine einwirkende Kraft eines Mediums gegen eine Formmatrize (3) gepresst und somit entsprechend einer Oberflächenstruktur der Formmatrize (3) verformt wird, und in einem zweiten Umformschritt durch eine Kompression elastischer Teilbereiche (9), die zwischen erhabenen Abschnitten (12) der Formmatrize (3) und der übrigen Formmatrize (3) angeordnet sind, und/oder elastischer Zwischenelemente (10) einer Umformvorrichtung (1) mechanisch nachgeformt wird, wobei die Zwischenelemente (10) horizontal oder nahezu horizontal in einem Randbereich (4) der Umformvorrichtung (1) angeordnet sind, so dass ein oberer Abschnitt (11) des Randbereichs (4) vollständig von einer Grundplatte (5) entkoppelt ist.Method for producing components (2) for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy storage device, wherein a flat component (2) is hydromechanically formed in a multi-stage process in a first forming step, the component (2) being influenced by an acting The force of a medium is pressed against a forming die (3) and is thus deformed according to a surface structure of the forming die (3), and in a second forming step by compression of elastic partial areas (9) which are between raised sections (12) of the forming die (3) and the remaining forming die (3) are arranged, and / or elastic intermediate elements (10) of a forming device (1) are mechanically reshaped, the intermediate elements (10) being arranged horizontally or almost horizontally in an edge region (4) of the forming device (1), so that an upper section (11) of the edge region (4) is completely decoupled from a base plate (5).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.The invention relates to a method for producing components for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy storage device according to the preamble of
Aus der
Die
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher anzugeben, wodurch insbesondere eine optimierte Geometrie der hergestellten Bauelemente ermöglicht ist.The invention is based on the object of specifying an improved method and an improved device for producing components for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy storage device compared to the prior art, which in particular enables an optimized geometry of the components produced.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 2 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the method, the object is achieved according to the invention by the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.
Beim Verfahren zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher wird ein flächiges Bauelement erfindungsgemäß in einem mehrstufigen Prozess in einem ersten Umformschritt hydromechanisch umgeformt, wobei das Bauelement durch eine einwirkende Kraft eines Mediums gegen eine Formmatrize gepresst und somit entsprechend einer Oberflächenstruktur der Formmatrize verformt wird, und in einem zweiten Umformschritt durch eine Kompression elastischer Teilbereiche, die zwischen erhabenen Abschnitten der Formmatrize und der übrigen Formmatrize angeordnet sind, und/oder elastischer Zwischenelemente einer Umformvorrichtung mechanisch nachgeformt, wobei die Zwischenelemente horizontal oder nahezu horizontal in einem Randbereich der Umformvorrichtung angeordnet sind, so dass ein oberer Abschnitt des Randbereichs vollständig von einer Grundplatte entkoppelt ist. Dadurch ist eine optimierte Ausformung der Geometrie des Bauelements ermöglicht.In the method for producing components for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy storage device, according to the invention, a flat component is hydromechanically formed in a multi-stage process in a first forming step, the component being pressed against a forming die by an acting force of a medium and thus is deformed in accordance with a surface structure of the forming die, and in a second forming step is mechanically reshaped by compression of elastic partial areas which are arranged between raised sections of the forming die and the remaining forming die, and/or elastic intermediate elements of a forming device, the intermediate elements being horizontal or almost horizontal in are arranged in an edge region of the forming device, so that an upper section of the edge region is completely decoupled from a base plate. This enables an optimized shape of the geometry of the component.
Besonders vorteilhafterweise können enge und tiefe Kanäle sowie ebene Kanalbereiche im Bauelement realisiert werden, woraus eine verbesserte Funktionalität des Bauelements resultiert.Particularly advantageously, narrow and deep channels as well as flat channel areas can be realized in the component, resulting in improved functionality of the component.
Bei der Umformvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das flächige Bauelement mit einer mehrstufigen Umformvorrichtung hydromechanisch umformbar, d. h. mittels der Umformvorrichtung in einem mehrstufigen Prozess hydromechanisch umformbar, wobei das Bauelement durch eine einwirkende Kraft eines Mediums gegen eine Formmatrize pressbar und somit entsprechend einer Oberflächenstruktur der Formmatrize verformbar ist, und anschließend durch eine Kompression elastischer Teilbereiche, die zwischen erhabenen Abschnitten der Formmatrize und der übrigen Formmatrize angeordnet sind, und/oder Zwischenelemente der Umformvorrichtung mechanisch nachformbar, wobei die Zwischenelemente horizontal oder nahezu horizontal in einem Randbereich der Umformvorrichtung angeordnet sind, so dass ein oberer Abschnitt des Randbereichs vollständig von einer Grundplatte entkoppelt ist. Eine solche mehrstufige Umformvorrichtung ermöglicht die Reduzierung der Herstellungskosten des Bauelements.In the forming device for carrying out the method according to the invention, the flat component can be hydromechanically formed with a multi-stage forming device, ie hydromechanically formed by means of the forming device in a multi-stage process, the component being pressable against a forming die by an acting force of a medium and thus corresponding to a surface structure of the forming die is deformable, and then by compression of elastic subregions which are arranged between raised sections of the forming die and the remaining forming die, and/or intermediate The elements of the forming device can be mechanically reshaped, the intermediate elements being arranged horizontally or almost horizontally in an edge region of the forming device, so that an upper section of the edge region is completely decoupled from a base plate. Such a multi-stage forming device enables the manufacturing costs of the component to be reduced.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Bauteile bei der Nachformung für einen späteren Fügevorgang optimiert werden.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the components can be optimized during reshaping for a later joining process.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Umformvorrichtung nach dem hydromechanischen Umformen und -
2 schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Umformvorrichtung während des mechanischen Nachformens.
-
1 schematically a sectional view through a forming device according to the invention after hydromechanical forming and -
2 schematically a sectional view through a forming device according to the invention during mechanical reshaping.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numbers in all figures.
In
Mittels der Umformvorrichtung 1 ist ein flächiges Bauelement 2, welches beispielsweise aus einem Blechwerkstoff oder einem Folienwerkstoff gebildet ist, umformbar. Somit kann aus dem flächigen Bauelement 2 in einem mehrstufigen Prozess ein strukturiertes Bauelement 2 für eine nicht dargestellte elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher gefertigt werden. Dabei wird das Bauelement 2 beispielsweise zu einer Kathoden-, Anoden-, Separator- oder Endplatte umgeformt.By means of the forming
In einem ersten Umformschritt wird das umzuformende Bauelement 2 in der Umformvorrichtung 1 angeordnet. Das Bauelement 2 ist derart zwischen einer Formmatrize 3 und einer Grundplatte 5 angeordnet, dass es zwischen einem die Grundplatte 5 vollständig umlaufenden Randbereich 4 und der Formmatrize 3 form- und/oder kraftschlüssig angeordnet und gehalten ist. In die dem Bauelement 2 zugewandte Oberfläche der Formmatrize 3 ist die auf das Bauelement 2 zu applizierende Struktur aufgebracht.In a first forming step, the
Zwischen der Unterseite des Bauelements 2 und der Grundplatte 5 ist ein Arbeitsraum 6 gebildet. Dieser Arbeitsraum 6 ist insbesondere durch die Anordnung einer Dichtung 7 zwischen Randbereich 4 und Bauelement 2 gegenüber der Umgebung abgedichtet. Der Arbeitsraum 6 ist mittels zumindest eines Ventils 8 gesteuert und/oder geregelt mit einem unkompressiblen oder nahezu unkompressiblen Medium beaufschlagbar.A
Durch die Einleitung des Mediums in den Arbeitsraum 6 wirkt eine Kraft allseitig und gleichmäßig auf alle Begrenzungen des Arbeitsraums 6. Diese einwirkende Kraft ist von dem Druck, mit welchem das Medium in den Arbeitsraum 6 eingeleitet wird, abhängig und kann somit mittels einer Variation dieses Drucks verändert und an dem umzuformenden Werkstoff angepasst werden. Diejenige Begrenzung des Arbeitsraums 6, welche der Kraft des Mediums am wenigsten widersteht, ist das Bauelement 2. Dieses wird durch die einwirkende Kraft des Mediums gegen die Formmatrize 3 gepresst und somit entsprechend der Oberflächenstruktur der Formmatrize 3 verformt.By introducing the medium into the
Dieser erste Umformschritt entspricht im Wesentlichen dem herkömmlichen hydromechanischen Umformen. Die mittels der Formmatrize 3 auf das Bauelement 2 aufbringbare Struktur ist in ihrer Geometrie eingeschränkt. Beispielsweise sind enge und/oder tiefe Kanäle, ebene Kanalbereiche, scharfkantige Ausformungen oder Ausformungen mit sehr kleinen Verrundungsradien an den Kanten nicht herstellbar.This first forming step essentially corresponds to conventional hydromechanical forming. The structure that can be applied to the
Zur Durchführung des zweiten Umformschrittes ist die Umformvorrichtung 1 mit elastischen, insbesondere kompressiblen, Teilbereichen 9 und/oder Zwischenelementen 10 versehen. Diese Zwischenelemente 10 sind beispielsweise horizontal oder nahezu horizontal im Randbereich 4 angeordnet, so dass ein oberer Abschnitt 11 des Randbereichs 4 vollständig von der Grundplatte 5 entkoppelt ist. Weiterhin kann die mittels der Formmatrize 3 auf das Bauelement 2 zu applizierende Struktur erhabene Abschnitte 12 umfassen. Zwischen diesen erhabenen Abschnitten 12 und der übrigen Formmatrize 3 können elastische Teilbereiche 9 angeordnet sein.To carry out the second forming step, the forming
In einer besonders vorteilhaften, nicht dargestellten Ausführungsform können die auf das Bauelement 2 einwirkenden Oberflächen der Formmatrize 3, beispielweise die erhabenen Abschnitte 12, bombiert ausgebildet sein. Eine solche Bombierung ist eine Veränderung der Form und/oder Struktur der auf das Bauelement 2 einwirkenden Oberfläche eines Tiefziehwerkzeugs, so dass die Verformung des Bauelements 2 über das gewünschte Maß hinaus erfolgt und folglich ein Rückfedern des Bauelements 2 nach dem Entnehmen aus dem Tiefziehwerkzeug ausgeglichen wird.In a particularly advantageous embodiment, not shown, the surfaces of the forming die 3 acting on the
In
Bei der Durchführung des zweiten Umformschrittes, auch als Nachformen bezeichnet, wird das Ventil 8 geschlossen, so dass es als herkömmliches Absperrventil wirkt. Anschließend wird die Formmatrize 3 mit einer Kraft F beaufschlagt, welche eine Kompression der elastischen Teilbereiche 9 und/oder der elastischen Zwischenelemente 10 bewirkt. Durch diese Kompression wird ein Volumen des Arbeitsraums 6 verringert und daraus resultierend erhöht sich der Druck innerhalb des Arbeitsraums 6 und das Bauelement 2 wird vollflächig an die Oberfläche der Formmatrize 3 gepresst und somit vollständig ausgeformt.When carrying out the second forming step, also referred to as post-forming, the
In nicht dargestellten Ausführungsvarianten können mittels des Nachformens enge und/oder tiefe Kanäle, ebene Kanalbereiche, scharfkantige Ausformungen oder Ausformungen mit sehr kleinen Verrundungsradien an den Kanten nachgeformt werden.In embodiment variants not shown, narrow and/or deep channels, flat channel areas, sharp-edged formations or formations with very small rounding radii on the edges can be formed by means of reshaping.
In einer zum auszuformenden Bauelement 2 weisenden Stirnseite 13 des unkomprimierten elastischen Teilbereichs 9 und/oder des unkomprimierten elastischen Zwischenelements 10 ist eine Aussparung 14 angeordnet. Diese Aussparung 14 ist derart ausgeformt, dass in einem komprimierten Zustand des Teilbereichs 9 und/oder des Zwischenelements 10 die Stirnseite 13 bündig mit der umgebenden Oberfläche der Formmatrize 3 abschließt. Mit anderen Worten wird eine seitliche Ausdehnung des Teilbereichs 9 und/oder des Zwischenelements 10 beim Komprimieren durch die Aussparung 14 kompensiert. Somit ist insbesondere ein Herauswölben oder ein Überragen des komprimierten Teilbereichs 9 und/oder des Zwischenelements 10 über die Oberfläche der Formmatrize 3 hinaus sicher vermieden.A
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