DE102019000291A1

DE102019000291A1 - Process for joining half plates of a metallic bipolar plate

Info

Publication number: DE102019000291A1
Application number: DE102019000291.1A
Authority: DE
Inventors: Philipp Hausmann; Marc Kölmel; Peter Riedel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2020-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zwei Halbplatten (2, 3) einer metallischen Bipolarplatte (1) für einen Brennstoffzellenstapel durch Verschweißen der Halbplatten (2, 3), wobei die Halbplatten (2, 3) während des Verschweißens durch einen Unterdruck zwischen den Platten verspannt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen über einen Laser (14) erfolgt, wobei im Bereich der jeweils aktuellen Laserschweißstelle ein Unterdruck erzeugt wird, welcher in etwa dem Unterdruck zwischen den Halbplatten (2, 3) entspricht.The invention relates to a method for joining two half plates (2, 3) of a metallic bipolar plate (1) for a fuel cell stack by welding the half plates (2, 3), the half plates (2, 3) being welded by a vacuum between them Plates are braced. The method according to the invention is characterized in that the welding is carried out by means of a laser (14), a vacuum being generated in the area of the current laser welding point, which corresponds approximately to the vacuum between the half-plates (2, 3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zwei Halbplatten einer metallischen Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel durch Verschweißen der Halbplatten, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a method for joining two half plates of a metallic bipolar plate for a fuel cell stack by welding the half plates, according to the kind defined in the preamble of claim 1.

Beim Verschweißen von Halbplatten einer metallischen Bipolarplatte ist es in der Fertigung notwendig, dass die Platten fest aufeinander gepresst werden, möglichst ohne nennenswerten Spaltabstand, in jedem Fall also mit einem Spaltabstand von weniger als 20 µm. Um dies zu erreichen, ist eine relativ aufwändige Spanntechnik notwendig, welche jedoch den Nachteil hat, dass sie die Freiheit, mit welcher der Schweißvorgang, beispielsweise durch ein Laserschweißen, erfolgen kann, entsprechend einschränkt, da sie die Zugänglichkeit der Oberfläche der Halbplatten beeinträchtigt.When welding half-plates of a metallic bipolar plate, it is necessary in production that the plates are pressed tightly against one another, if possible without any significant gap distance, in any case with a gap distance of less than 20 µm. In order to achieve this, a relatively complex clamping technology is necessary, but this has the disadvantage that it limits the freedom with which the welding process can be carried out, for example by laser welding, since it impairs the accessibility of the surface of the half-plates.

Ferner ist es so, dass die Halbplatten einer metallischen Bipolarplatte nach ihrer Herstellung häufig nicht vollständig plan sondern leicht gebogen sind, was toleriert werden muss, um einen einfachen, effizienten und kostengünstigen Herstellungsprozess realisieren zu können. Daher muss der Spannvorgang über weitgehend die gesamte Oberfläche der Platte relativ homogen erfolgen, was die oben beschriebene Problematik noch weiter verschärft.It is also the case that the half-plates of a metallic bipolar plate are often not completely flat but slightly curved after their production, which must be tolerated in order to be able to implement a simple, efficient and cost-effective production process. Therefore, the clamping process must be relatively homogeneous over largely the entire surface of the plate, which further exacerbates the problem described above.

Eine geeignete Lösung ist in der gattungsgemäßen Schrift DE 103 45 147 A1 angegeben. In dieser Schrift ist beschrieben, dass die Halbplatten der metallischen Bipolarplatte miteinander verschweißt werden, wozu sie während des Verschweißens über einen Unterdruck zwischen den Platten gegeneinander verspannt werden. Dies kann entweder durch eine Evakuierung eines Zwischenraums zwischen den Platten erfolgen, was Dichtelemente erfordert, um zumindest zu Beginn der Evakuierung das Ansaugen von Luft oder anderen Gasen durch potenzielle Leckagen zwischen den Platten zu vermeiden oder was den Einsatz einer Überdruckatmosphäre um die Platten herum erforderlich macht, während das Innere der Platten mit einem entsprechenden Unterdruck oder dem Umgebungsdruck verbunden ist, sodass die Platten durch den Überdruck zusammengepresst werden. In jedem Fall herrscht ein Druckgefälle zwischen dem Bereich um die Platten und dem Bereich zwischen den Platten, sodass letztlich immer ein Unterdruck zwischen den Platten, gemessen gegenüber dem Druck in der Umgebung der Platten, vorliegt.A suitable solution is in the generic script DE 103 45 147 A1 specified. In this document it is described that the half-plates of the metallic bipolar plate are welded to one another, for which purpose they are braced against one another during the welding via a negative pressure between the plates. This can be done either by evacuating a space between the plates, which requires sealing elements to prevent air or other gases from being sucked in due to potential leaks between the plates, at least at the beginning of the evacuation, or which requires the use of an overpressure atmosphere around the plates , while the inside of the plates is connected to a corresponding negative pressure or the ambient pressure, so that the plates are pressed together by the excess pressure. In any case, there is a pressure gradient between the area around the plates and the area between the plates, so that ultimately there is always a negative pressure between the plates, measured in relation to the pressure in the vicinity of the plates.

Ein gravierendes Problem bei dieser Herstellungsvariante ist es dabei jedoch, dass der Unterdruck zwischen den beiden Halbplatten während des Schweißvorgangs dazu führen kann, dass das durch das Schweißen, beispielsweise mittels eines Lasers, aufgeschmolzene Material aus der Schweißnaht nach innen in den Bereich des Unterdrucks gedrückt wird. Der Verlauf der Schweißnähte entspricht damit gegebenenfalls nicht mehr dem geplanten Verlauf, was bereits ein entsprechender Nachteil ist, da sich so über die Lebensdauer der Bipolarplatte hinweg eine Undichtheit ergeben kann. Im schlimmsten Fall kann das aufgeschmolzene Material bis ins Innere zwischen den beiden Halbplatten durch die Druckdifferenz durchgedrückt beziehungsweise eingesaugt werden. Es kann damit zu einer strak eingesunkenen Schweißnaht kommen, welche eine potentielle Schwachstelle des zwischen den Platten eingeschlossenen Raums bildet. Im schlimmsten Fall kann auch direkt eine ungewollte Verbindung beziehungsweise ein Loch entstehen, welcher den Innenraum zwischen den Platten mit der Umgebung der Platten verbindet. In diesem Fall ist die Bipolarplatte direkt Ausschuss.However, a serious problem with this production variant is that the negative pressure between the two half-plates during the welding process can result in the material melted by the welding, for example by means of a laser, being pressed inward from the weld seam into the region of the negative pressure . The course of the weld seams may therefore no longer correspond to the planned course, which is already a corresponding disadvantage, since this can result in a leak over the life of the bipolar plate. In the worst case, the melted material can be pressed or sucked in through the pressure difference to the inside between the two half-plates. This can lead to a sunken weld seam, which forms a potential weak point in the space enclosed between the plates. In the worst case, an unwanted connection or a hole can directly arise, which connects the interior between the plates and the surroundings of the plates. In this case the bipolar plate is directly rejected.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine einfache und effiziente Herstellungsmethode für das Verschweißen von Halbplatten einer metallischen Bipolarplatte anzugeben, welches diesen Nachteil vermeidet.The object of the present invention is to provide a simple and efficient production method for welding half-plates of a metallic bipolar plate, which avoids this disadvantage.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Idee ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by a method having the features in claim 1. Advantageous further developments and refinements of the idea result from the dependent claims dependent thereon.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen von zwei Halbplatten einer metallischen Bipolarplatte durch Verschweißen der Halbplatten sieht es vergleichbar wie der gattungsgemäße Stand der Technik vor, dass die Halbplatten während des Verschweißens durch einen Unterdruck zwischen den Platten verspannt werden. Um den oben ausführlich beschriebenen Nachteil zu vermeiden, ist es nun so, dass das Verschweißen über einen Laser erfolgt, wobei im Bereich der jeweils aktuellen Laserschweißstelle ein Unterdruck erzeugt wird, welcher in etwa dem zwischen den Halbplatten entspricht. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt also einen lokalen Unterdruck im Bereich um die Laserpunktschweißstelle ein, welche diesen Bereich auf zumindest in etwa den gleichen Unterdruck absenkt, welcher zwischen den beiden Halbplatten vorliegt. Die Druckdifferenz, welcher die Schweißnaht bzw. das von dem Laser aufgeschmolzene Material dann ausgesetzt ist, ist damit in etwa 0, sodass nachteilige Beeinflussungen der Schweißnaht durch größere Druckunterschiede über die Schweißnaht hinweg verhindert werden können.The method according to the invention for joining two half-plates of a metallic bipolar plate by welding the half-plates provides, like the prior art of the generic type, that the half-plates are clamped between the plates during the welding by a vacuum. In order to avoid the disadvantage described in detail above, it is now the case that the welding is carried out by means of a laser, a negative pressure being generated in the area of the current laser welding point, which corresponds approximately to that between the half-plates. The method according to the invention therefore uses a local negative pressure in the area around the laser spot welding point, which lowers this area to at least approximately the same negative pressure that is present between the two half-plates. The pressure difference to which the weld seam or the material melted by the laser is then exposed is approximately 0, so that adverse influences on the weld seam by larger pressure differences across the weld seam can be prevented.

Zwar ist es so, dass im Bereich der Schweißstelle dann durch den aufgehobenen Effekt des Unterdrucks die Verspannung der Halbplatten ebenfalls mit aufgehoben wird. Bei einem Verschweißen über einen Laser ist dieser Bereich der jeweils aktuell aufgeschmolzen und im flüssigen Zustand vorliegend ist, jedoch in seiner räumlichen Ausdehnung so klein, dass dies für ein zuverlässiges Spannen der beiden Halbplatten gegeneinander quasi unerheblich ist, da die Steifheit des Materials der Halbplatten, welche ja in allen Bereichen der Umgebung um den aktuellen Laserschweißpunkt herum weiterhin verspannt bleiben, ausreicht, um auch im Bereich der Schweißstelle eine entsprechende Anlage der Halbplatten aneinander zu gewährleisten. Die Anlage der Halbplatten aneinander erfolgt dabei mit einem Schweißspalt von weniger als 20 µm und damit insbesondere mit einem sogenannten Nullspalt im Bereich der Schweißstelle.It is true that in the area of the welding point, the tensioning of the half-plates is also also lifted due to the eliminated effect of the negative pressure. When welding using a laser, this area is the one that is currently melted and is present in the liquid state, However, its spatial extent is so small that this is practically irrelevant for reliable clamping of the two half-plates against each other, since the stiffness of the material of the half-plates, which remains in all areas around the current laser welding point, is sufficient to also in the area of the welding point to ensure that the half-plates are in contact with one another. The half-plates are placed against one another with a welding gap of less than 20 μm and thus in particular with a so-called zero gap in the area of the welding point.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass der Unterdruck über ein Saugrohr um den Laser erzeugt wird. Ein Laser ist eine einfache und effiziente Möglichkeit, mit minimalem Bauraumbedarf für das „Schweißgerät“ zu schweißen. Er kann beispielsweise über einen Roboter in der Fläche über der Halbplatte bzw. Bipolarplatte sowie gegebenenfalls auch in der Höhe, also letztlich in sechs Achsen, bewegt werden. Der Laserstahl selbst ist entsprechend klein in seinen Abmessungen, sodass der Unterdruck im Bereich der Schweißstelle über ein Saugrohr um diesen Laser herum realisiert werden kann. Aus diesem Saugrohr wird dann entsprechend Medium abgesaugt, um hier den Unterdruck zur Verfügung zu stellen. Eine Alternative dieser günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es vor, dass der Unterdruck über einen Absaugring um die Laserschweißstelle erzeugt wird. Ein solcher Absaugring als Alternative zu einem Saugrohr um den Laser ermöglicht das Erzeugen des notwendigen Unterdrucks auch dann, wenn der Laser im seinem Winkel gegenüber der Oberfläche entsprechend variiert wird. Der Absaugring kann dafür gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee so ausgebildet sein, dass er sich in Richtung des Lasers konisch öffnet und somit im Bereich der Schweißstelle einen relativ kleinen Durchmesser aufweist, welcher in Richtung des Lasers größer wird, um so eine Einstrahlung des Lasers in verschiedenen Winkeln zu ermöglichen und gleichzeitig den Unterdruck nur in dem relativ kleinen punktuellen Bereich der Schweißstelle aufzuheben.According to a very advantageous development of the method according to the invention, it is provided that the negative pressure is generated around the laser via a suction pipe. A laser is a simple and efficient way of welding with minimal installation space for the "welding machine". For example, it can be moved by a robot in the area above the half-plate or bipolar plate and, if appropriate, also in height, that is to say ultimately in six axes. The size of the laser steel itself is correspondingly small, so that the negative pressure in the area of the welding point can be achieved using a suction tube around this laser. Medium is then sucked out of this suction pipe in order to provide the negative pressure here. An alternative to this favorable embodiment of the method according to the invention provides that the negative pressure is generated via a suction ring around the laser welding point. Such a suction ring as an alternative to a suction tube around the laser enables the necessary negative pressure to be generated even if the angle of the laser relative to the surface is varied accordingly. According to an advantageous further development of the idea, the suction ring can be designed such that it opens conically in the direction of the laser and thus has a relatively small diameter in the area of the weld, which increases in size in the direction of the laser, so that the laser is irradiated into to enable different angles and at the same time to remove the negative pressure only in the relatively small punctiform area of the welding point.

Das Saugrohr oder der Absaugring kann in einer sehr einfachen und effizienten Ausführungsvariante aus Keramik realisiert sein. Es ist dann entsprechend hitzebeständig und kann sehr dicht über der Oberfläche der Halbplatte positioniert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass es zu einem „Anschweißen“ des Saugrohrs oder des Absaugrings an der Bipolarplatte kommt. Ferner ist es so, dass durch den sehr geringen Durchmesser des Lasers auch das Saugrohr beziehungsweise der Absaugring mit entsprechend geringem Innendurchmesser realisiert werden kann, ohne die Ausbreitung des Lasers zu behindern. Dadurch ist es möglich, den Unterdruck tatsächlich nur sehr punktuell an der aktuellen Laserschweißstelle und mit einer geringen Ausdehnung in der Fläche der Halbplatte bzw. Bipolarplatte zu realisieren. Dadurch wird, wie oben bereits erwähnt, die Verspannung zwischen den Halbplatten nur in einem sehr kleinen Bereich aufgehoben, welcher die Qualität der Verspannung und damit der Schweißung insgesamt nicht negativ beeinflusst.The suction pipe or the suction ring can be realized in a very simple and efficient ceramic design. It is then heat-resistant and can be positioned very close to the surface of the half-plate without the risk that the suction tube or suction ring will “weld” onto the bipolar plate. It is also the case that, due to the very small diameter of the laser, the suction tube or the suction ring with a correspondingly small inside diameter can also be realized without impeding the spread of the laser. This makes it possible to actually realize the negative pressure only very selectively at the current laser welding point and with a small expansion in the area of the half plate or bipolar plate. As already mentioned above, this means that the tension between the half-plates is only released in a very small area, which does not negatively influence the quality of the tension and thus the weld as a whole.

Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Idee sieht es dabei vor, dass der Durchmesser und die Düsengeometrie des Saugrohrs oder des Absaugrings entsprechend des gewünschten Unterdrucks gewählt werden. Rein konstruktiv kann also bereits über die Düsengeometrie und den Durchmesser des Saugrohrs oder des Absaugrings die Größe des Bereichs mit dem Unterdruck und das Niveau des Unterdrucks entsprechend eingestellt werden.A very advantageous further development of the idea provides that the diameter and the nozzle geometry of the suction pipe or the suction ring are selected according to the desired negative pressure. In purely constructive terms, the size of the area with the negative pressure and the level of the negative pressure can already be set accordingly via the nozzle geometry and the diameter of the suction pipe or the suction ring.

Ferner ist es so, dass alternativ oder ergänzend zur Variation der Größe des Unterdrucks die Saugleistung und/oder das Spaltmaß zwischen der Oberfläche der Halbplatte und dem Saugrohr oder dem Absaugring variiert werden. Hierdurch lässt sich der Unterdruck auch ohne konstruktive Änderungen während des Verfahrens entsprechend beeinflussen. So kann beispielsweise bei Stellen mit relativ geringer Auflagefläche zwischen den beiden Halbplatten in der Umgebung des Schweißpunkts der Unterdruck etwas reduziert werden, um hier die Verspannung zwischen den Halbplatten nicht ganz so stark aufzuheben wie in anderen Bereichen, in denen dies durch größere Materialansammlungen leichter ausgeglichen werden kann. Dies kann beispielsweise durch eine Ansteuerung der den Unterdruck erzeugenden Saugpumpe, welche mit dem Saugrohr beziehungsweise dem Absaugring verbunden ist, erreicht werden, oder außerordentlich einfach und effizient dadurch, dass das Saugrohr oder der Absaugring geringfügig weiter von der Oberfläche der Halbplatte abgehoben wird als in anderen Bereichen. Dies ist bei der Führung des Saugrohrs oder des Absaugrings und der Laserschweißanlage über einen Roboterarm problemlos möglich.Furthermore, as an alternative or in addition to the variation in the size of the negative pressure, the suction power and / or the gap dimension between the surface of the half-plate and the suction pipe or the suction ring are varied. As a result, the negative pressure can be influenced accordingly even without design changes during the process. For example, at points with a relatively small contact area between the two half-plates in the vicinity of the welding point, the negative pressure can be reduced somewhat, so that the tension between the half-plates is not quite eliminated as much as in other areas in which this is more easily compensated for by larger material accumulations can. This can be achieved, for example, by actuating the suction pump generating the negative pressure, which is connected to the suction pipe or the suction ring, or extremely simply and efficiently by lifting the suction pipe or the suction ring slightly further from the surface of the half-plate than in others Areas. This is easily possible when guiding the suction pipe or the suction ring and the laser welding system using a robot arm.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es ferner vor, dass die dem Laser abgewandte untere Halbplatte über eine Vakuumspannvorrichtung gespant wird. Ein solches Verspannen der unteren dem Laser abgewandten Halbplatte über eine Vakuumspannvorrichtung erlaubt ein zuverlässiges Spannen und eine sehr plane Anlage dieser Halbplatte an der Vakuumspannvorrichtung. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Vakuumspannvorrichtung ein formgenau zur jeweiligen Halbplatte passendes Gesenk aufweist. Eventuelle Unebenheiten der unteren Halbplatte aus der vorherigen Fertigung können so weitgehend ausgeglichen werden. Die obere Halbplatte kann dann über der unteren Halbplatte positioniert werden und wird mit dem Anlegen des Unterdrucks entsprechend plan gegen die nun in der Vakuumspannvorrichtung plan gespannte untere Halbplatte gespannt.Another very advantageous embodiment of the method according to the invention further provides that the lower half-plate facing away from the laser is machined by means of a vacuum clamping device. Such clamping of the lower half plate facing away from the laser via a vacuum clamping device allows reliable clamping and a very flat contact of this half plate with the vacuum clamping device. This applies in particular if the vacuum clamping device has a die that fits the shape of the respective half-plate. Any unevenness in the lower half plate from the previous production can be largely compensated for in this way. The upper half plate can then be positioned over the lower half plate are and is clamped with the application of the negative pressure correspondingly flat against the lower half-plate now clamped flat in the vacuum clamping device.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass die Halbplatten oder zumindest die obere Halbplatte, wenn die untere in der Vakuumspannvorrichtung verspannt ist, über eine Druckbrille miteinander verpresst werden. Die Druckbrille würde also im Fall, dass die untere Halbplatte der Vakuumspannvorrichtung verspannt ist, die obere Halbplatte gegen die untere Halbplatte pressen. Die Druckbrille kann dabei insbesondere die Randbereiche der Halbplatten miteinander verspannen, wonach dann der Unterdruck zwischen den Halbplatten, unter Verzicht auf zusätzliche Dichtelemente zwischen den Halbplatten, aufgebracht wird. Die Platten sind dann ohne das, wie im Stand der Technik, Dichtelemente eingesetzt werden müssen, zuverlässig gegeneinander verspannt und die Druckbrille, welche nur dazu gedient hat, die Platten anfänglich gegeneinander zu pressen, um diese gegeneinander abzudichten, kann dann entfernt werden, bevor die Halbplatten verschweißt werden. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass beim Verschweißen die Halbplatten frei zugänglich sind und die Druckbrille nicht die Bewegung und den optimalen Abstand der Schweißeinrichtung bzw. des Saugrohrs zu der Oberfläche der dem Laser zugewandten Halbplatte beeinträchtigt.According to a very advantageous development of the method according to the invention, it can be provided that the half-plates or at least the upper half-plate, when the lower one is clamped in the vacuum clamping device, are pressed together using pressure glasses. In the event that the lower half-plate of the vacuum clamping device is clamped, the pressure glasses would press the upper half-plate against the lower half-plate. The pressure glasses can in particular clamp the edge regions of the half-plates to one another, after which the negative pressure between the half-plates is then applied, without additional sealing elements between the half-plates. The plates are then reliably clamped against each other without the sealing elements having to be used in the prior art, and the pressure glasses, which only served to initially press the plates against one another in order to seal them against one another, can then be removed before the Half plates are welded. This has the decisive advantage that the half-plates are freely accessible during welding and the pressure glasses do not impair the movement and the optimal distance of the welding device or the suction tube from the surface of the half-plate facing the laser.

Wie auch im Stand der Technik kann das Verschweißen dabei insbesondere unter einer Schutzgas/Inertgas-Atmosphäre stattfinden, beispielsweise in einem geeigneten Raum, welcher bei Atmosphärendruck oder Überdruck mit einem geeignetem Schutzgas, beispielsweise Stickstoff, Argon oder einer Mischung davon, gefüllt ist.As in the prior art, the welding can take place in particular under a protective gas / inert gas atmosphere, for example in a suitable space which is filled with a suitable protective gas, for example nitrogen, argon or a mixture thereof, at atmospheric pressure or excess pressure.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous refinements of the method also result from the exemplary embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:

1 eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung; und
2 eine alternative mögliche Vorrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung

Show:

1 a possible device for performing the method according to the invention in a schematic representation; and
2nd an alternative possible device of the inventive method in a schematic representation

In 1 ist eine mit 1 bezeichnete metallische Bipolarplatte in einer Schnittdarstellung zu erkennen. Diese ist aus zwei Halbplatten, nämlich einer oberen Halbplatte 2 und einer unteren Halbplatte 3, aufgebaut. Die beiden Halbplatten 2, 3, welche im späteren Einsatz in der Brennstoffzelle die Anodenplatte und die Kathodenplatte sein werden, weisen dabei Strömungsfelder und dergleichen auf, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt und deshalb hier nicht nochmals dargestellt ist. Zwischen den beiden Halbplatten 2, 3 befindet sich ein typischerweise durchlaufender Kanal für ein Kühlmedium. Dies ist in der Darstellung der Figur durch mehrere nebeneinander liegende Kanäle 4 entsprechend angedeutet, welche untereinander alle verbunden sind, und welche rein beispielhaft mit zwei Medienports 5 in Verbindung stehen. Im späteren Aufbau der Brennstoffzelle wird durch diese Medienports 5 Kühlmedium zu- und wieder abgeführt.In 1 a metallic bipolar plate labeled 1 can be seen in a sectional illustration. This is made up of two half plates, namely an upper half plate 2nd and a lower half plate 3rd , built up. The two half-plates 2nd , 3rd , which will be the anode plate and the cathode plate in later use in the fuel cell, have flow fields and the like, as is known per se from the prior art and is therefore not shown again here. Between the two half plates 2nd , 3rd there is a typically continuous channel for a cooling medium. This is in the illustration of the figure through several channels lying side by side 4th accordingly indicated, which are all connected to each other, and which are purely exemplary with two media ports 5 stay in contact. In the later construction of the fuel cell through these media ports 5 Cooling medium supplied and removed again.

Die untere Halbplatte 3 der metallischen Bipolarplatte 1 wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in eine Vakuumspannvorrichtung 6, welche insbesondere ein Gesenk aufweist, welches formgenau zu der unteren Halbplatte 3 passt, eingelegt. Über eine erste Saugpumpe 7 wird die untere Halbplatte 3 plan gegen die Vakuumspannvorrichtung 6 verspannt und liegt in dem Gesenk der Vakuumspannvorrichtung 6 auf. Auf diese nun eben ausgerichtete untere Halbplatte 3 wird die obere Halbplatte 2 gelegt. Sie kann anfangs im Randbereich durch eine hier nicht dargestellte Druckbrille gegen die untere Halbplatte 3 gepresst werden. Dies hat den Vorteil, dass der Bereich der Kanäle 4 gegenüber der Umgebung entsprechend angedichtet wird. Einer der Ports 5, hier der in der Figur rechts dargestellte Port 5, wird dicht verschlossen. Der andere Port 5 wird mit einer zweiten Vakuumpumpe 8 verbunden. Der Bereich zwischen den beiden Halbplatten 2, 3 wird dann evakuiert bzw. auf einem Unterdruck gegenüber der Umgebung abgesaugt. Diese Umgebung befindet sich in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel unter einer als Kuppel dargestellten Haube 9, welche mit einem inerten Gas, beispielsweise einem Gemisch aus Argon und Stickstoff, gefüllt wird. Hierfür dient eine mit 10 bezeichnete Förderpumpe, über welche dieses inerte Gas zum Aufbau einer Schutzgasatmosphäre eingebracht wird.The lower half plate 3rd the metallic bipolar plate 1 is in the embodiment shown here in a vacuum chuck 6 , which in particular has a die which has a precise shape with respect to the lower half-plate 3rd fits, inserted. Via a first suction pump 7 becomes the lower half plate 3rd flat against the vacuum clamping device 6 clamped and lies in the die of the vacuum clamping device 6 on. On this now aligned lower half plate 3rd becomes the top half plate 2nd placed. You can initially in the edge area by pressure glasses, not shown here, against the lower half-plate 3rd be pressed. This has the advantage that the area of the channels 4th is sealed accordingly to the environment. One of the ports 5 , here the port shown in the figure on the right 5 , is tightly closed. The other port 5 with a second vacuum pump 8th connected. The area between the two half-plates 2nd , 3rd is then evacuated or vacuumed off from the environment at a negative pressure. In the exemplary embodiment shown here, this environment is located under a hood shown as a dome 9 , which is filled with an inert gas, for example a mixture of argon and nitrogen. A feed pump designated by 10 is used for this purpose, via which this inert gas is introduced to build up a protective gas atmosphere.

Ein Laserschweißroboter 11, welcher insbesondere in sechs Achsen, also in alle Raumrichtungen x, y, z, beweglich ist, wird innerhalb dieser Kuppel 9 und damit in der Schutzgasatmosphäre über ein entsprechendes Programm geführt und verschweißt die beiden Halbplatten 2, 3 miteinander. In der Darstellung der 1 ist dabei ein aufgeschmolzener Bereich 12 des Materials der Halbplatten 2, 3 durch eine Kreuzschraffur entsprechend angedeutet. Um zu verhindern, dass das Druckgefälle zwischen der Inertgasatmosphäre unter der Kuppel 9 und dem Unterdruck zwischen den beiden Halbplatten 2, 3 zu einer unerwünschten Veränderung der Schweißnaht und insbesondere zu einem Absaugen von geschmolzenem Material in das Innere zwischen die beiden Halbplatten 2, 3 führt, ist außerdem ein Saugrohr 13, insbesondere aus einem keramischen Material, um den hier als strichzweipunktierte Linie dargestellten und mit 14 bezeichneten Laserstrahl des Laserschweißroboters 11 angeordnet. Über einen Abstand bzw. ein Spaltmaß zwischen dem Saugrohr 13 und der Oberfläche der oberen Halbplatte 2, wobei dieser Spalt in der Darstellung der Figur rein beispielhaft mit 15 bezeichnet ist, und die Geometrie im Bereich einer Einlassdüse des Saugrohrs 13 an seinem der Halbplatte 2 zugewandten Ende wird nun ein Unterdruck in seiner Größe und Art definiert, welcher durch ein Absaugen von Gas über eine dritte Saugpumpe 16 aus dem Saugrohr 13 erreicht wird.A laser welding robot 11 , which is particularly movable in six axes, i.e. in all spatial directions x, y, z, becomes within this dome 9 and thus guided and welded the two half-plates in the protective gas atmosphere via a corresponding program 2nd , 3rd together. In the representation of the 1 is a melted area 12th the material of the half-plates 2nd , 3rd indicated by cross hatching. To prevent the pressure drop between the inert gas atmosphere under the dome 9 and the negative pressure between the two half-plates 2nd , 3rd to an undesirable change in the weld seam and, in particular, to suck molten material into the interior between the two half-plates 2nd , 3rd leads is also a Intake manifold 13 , in particular made of a ceramic material, around the laser beam of the laser welding robot shown here as a two-dot chain line and designated by 14 11 arranged. Over a distance or a gap between the intake manifold 13 and the surface of the upper half plate 2nd , this gap being designated 15 in the illustration of the figure purely by way of example, and the geometry in the region of an inlet nozzle of the intake manifold 13 at its the half-plate 2nd A vacuum is now defined in its size and type at the end, which is generated by suctioning off gas via a third suction pump 16 from the intake manifold 13 is achieved.

Je nach Situation und Material der beiden Halbplatten 2, 3 kann beispielsweise der Abstand und/oder die Saugleistung der dritten Saugpumpe 16 variiert werden, um den Unterdruck entsprechend einzustellen. Er ist während des Fertigungsverfahrens typischerweise so eingestellt, dass er in seiner Größenordnung in etwa dem Unterdruck zwischen den beiden Halbplatten 2, 3 entspricht. Dadurch ist im Bereich des aufgeschmolzenen Materials 12 ein Druckgleichgewicht gegeben, sodass Druckeffekte die Schweißnaht, welche aus dem aufgeschmolzenen Material 12 später entsteht, nicht nachteilig beeinflussen können. Das Saugrohr 13 ist dabei in seinen Abmessungen relativ klein, sehr viel kleiner als in der hier dargestellten Skizze, gewählt, sodass lediglich ein minimaler Bereich um das aktuell aufgeschmolzene Material 12 herum mit dem Unterdruck beaufschlagt wird, um in den danebenliegenden Bereichen die Verspannung der beiden Halbplatten 2, 3 gegeneinander über die eingebrachten Druckkräfte nicht großflächig zu beeinflussen.Depending on the situation and material of the two half-plates 2nd , 3rd For example, the distance and / or the suction power of the third suction pump 16 can be varied to adjust the vacuum accordingly. It is typically set during the manufacturing process so that it is of approximately the same size as the negative pressure between the two half-plates 2nd , 3rd corresponds. This is in the area of the melted material 12th a pressure equilibrium is given, so that pressure effects the weld seam, which is made of the melted material 12th arises later, can not adversely affect. The intake manifold 13 is relatively small in its dimensions, much smaller than in the sketch shown here, so that only a minimal area around the currently melted material 12th around the negative pressure is applied to the bracing of the two half-plates in the adjacent areas 2nd , 3rd not influence each other over a large area via the applied pressure forces.

In der Darstellung der 2 ist eine alternative Ausführungsvariante gezeigt. Der Laserschweißroboter 11 bzw. Umlenkspiegel in dem Laserschweißroboter 11 sind dabei zusätzlich um wenigstens zwei Winkel α, β beweglich, der Laserstrahl 14 kann also in einem entsprechenden Winkel auf die Oberfläche der oberen Halbplatte 2 treffen. An die Stelle des Saugrohrs 13 tritt nun ein mit 17 bezeichneter Absaugring, welcher seinerseits in alle Raumrichtungen x, y, z entsprechend bewegt werden kann. Diese Bewegung kann dabei unabhängig von der des Laserschweißroboters 11 erfolgen. Der Absaugring 17 hat eine ringförmige Struktur und öffnet sich nach oben vorzugsweise konisch, um auch das Einstrahlen des Laserstrahls 14 in einem entsprechend flachen Winkel, wie in der Darstellung der 2 angedeutet, zu erlauben. Über ein Düsensystem, beispielsweise eine ringförmige Düse oder mehrere über den Umfang verteilte Düsenöffnungen wird auch hier ein Unterdruck erzeugt und Gas über die dritte Saugpumpe 16 aus dem Absaugring 17 abgesaugt. Auch hier lässt sich der Spalt 15 ebenso wie die Leistung der Saugpumpe 16 nutzen um in jedem Punkt den gewünschten Unterdruck zu erzeugen. Anders als bei der Verwendung eines Saugrohrs 13, welches mit dem Laserschweißroboter 11 verbunden ist, erlaubt der Absaugring 17 eine größere Flexibilität beim Laserschweißroboter 11. Insbesondere lassen sich zwei weitere „virtuelle“ Achsen nutzen, indem eine Bewegung nicht nur in die sechs Raumrichtungen sondern auch um die Winkel α und β in jeweils beide Drehrichtungen möglich wird. Der Aufbau lässt sich in an sich bekannter Art und Weise beispielsweise durch drehbare Umlenkspiegel im Bereich des Laserschweißroboters 11 realisieren.In the representation of the 2nd an alternative embodiment is shown. The laser welding robot 11 or deflecting mirror in the laser welding robot 11 are additionally movable by at least two angles α, β, the laser beam 14 can therefore at an appropriate angle on the surface of the upper half-plate 2nd to meet. In the place of the intake manifold 13 now occurs a suction ring designated 17, which in turn can be moved accordingly in all spatial directions x, y, z. This movement can be independent of that of the laser welding robot 11 respectively. The suction ring 17th has an annular structure and preferably opens conically upwards in order to also irradiate the laser beam 14 at a correspondingly flat angle, as in the illustration of the 2nd hinted to allow. A negative pressure is also generated here via a nozzle system, for example an annular nozzle or a plurality of nozzle openings distributed over the circumference, and gas via the third suction pump 16 from the suction ring 17th aspirated. The gap can also be found here 15 as well as the performance of the suction pump 16 use to create the desired vacuum in every point. Unlike when using a suction pipe 13 which with the laser welding robot 11 is connected, the suction ring allows 17th greater flexibility in the laser welding robot 11 . In particular, two further “virtual” axes can be used by making movement not only in the six spatial directions but also by the angles α and β in both directions of rotation. The construction can be carried out in a manner known per se, for example by means of rotatable deflecting mirrors in the area of the laser welding robot 11 realize.

Neben einer Beeinflussung des Drucks durch einen gezielt eingestellten Unterdruck im Bereich des aufgeschmolzenen Materials 12 ist es auch wichtig, die Vorschubgeschwindigkeit des Laserschweißroboters 11 zu den Halbplatten 2, 3 der Bipolarplatte 1 entsprechend auszuwählen, sodass es durch das punktuelle Aufheben der Verspannung nicht zu einem Auftreten von Schwingungen kommen kann.In addition to influencing the pressure by a specifically set negative pressure in the area of the melted material 12th it is also important to adjust the feed rate of the laser welding robot 11 to the half plates 2nd , 3rd the bipolar plate 1 to be selected accordingly so that there is no possibility of vibrations occurring when the tension is removed at certain points.

Alles in allem erlaubt jedoch diese Variation des Verschweißens der Halbplatten 2, 3 der metallischen Bipolarplatte 1 mit einer Spannung der Halbplatten 2, 3 gegeneinander durch Unterdruck und einem Aufheben des Druckgefälles im Bereich des aufgeschmolzenen Materials 12 eine qualitative Verbesserung der Schweißnähte und eine deutliche Verringerung von Ausschuss gegenüber einer Herstellung über das bisher bekannte Verfahren.All in all, however, this variation allows the welding of the half-plates 2nd , 3rd the metallic bipolar plate 1 with a tension of the half-plates 2nd , 3rd against each other by negative pressure and lifting the pressure gradient in the area of the melted material 12th a qualitative improvement in the weld seams and a significant reduction in scrap compared to production using the previously known method.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 10345147 A1 [0004]DE 10345147 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Fügen von zwei Halbplatten (2, 3) einer metallischen Bipolarplatte (1) für einen Brennstoffzellenstapel durch Verschweißen der Halbplatten (2, 3), wobei die Halbplatten (2, 3) während des Verschweißens durch einen Unterdruck zwischen den Platten verspannt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen über einen Laser (14) erfolgt, wobei im Bereich der jeweils aktuellen Laserschweißstelle ein Unterdruck erzeugt wird, welcher in etwa dem Unterdruck zwischen den Halbplatten (2, 3) entspricht.Method for joining two half-plates (2, 3) of a metallic bipolar plate (1) for a fuel cell stack by welding the half-plates (2, 3), the half-plates (2, 3) being clamped between the plates during the welding process, characterized in that the welding is carried out by means of a laser (14), a negative pressure being generated in the area of the current laser welding point, which corresponds approximately to the negative pressure between the half-plates (2, 3).

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck über ein Saugrohr (13) um den Laser (14) erzeugt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the negative pressure is generated via a suction pipe (13) around the laser (14).

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck über einen Absaugring (17) um die Laserschweißstelle erzeugt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the negative pressure is generated via a suction ring (17) around the laser welding point.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Absaugring (17) sich in Richtung des Lasers (14) konisch öffnet.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the suction ring (17) opens conically in the direction of the laser (14).

Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein Saugrohr (13) oder ein Absaugring (17) aus Keramik eingesetzt wird.Procedure according to Claim 2 , 3rd or 4th characterized in that a suction tube (13) or a suction ring (17) made of ceramic is used.

Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser und die Düsengeometrie des Saugrohrs (13) oder des Absaugrings (17) entsprechend des gewünschten Unterdrucks gewählt werden.Procedure according to one of the Claims 2 to 5 , characterized in that the diameter and the nozzle geometry of the suction pipe (13) or the suction ring (17) are selected according to the desired vacuum.

Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Variation der Größe des Unterdrucks die Saugleistung in dem Saugrohr (13) oder dem Absaugring (17) und/oder das Spaltmaß (15) zwischen der Oberfläche der Halbplatte (2) und dem Saugrohr (13) oder dem Absaugring (17) variiert werden.Procedure according to one of the Claims 2 to 6 , characterized in that for varying the size of the negative pressure, the suction power in the suction pipe (13) or the suction ring (17) and / or the gap dimension (15) between the surface of the half-plate (2) and the suction pipe (13) or the suction ring (17) can be varied.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Laser (14) abgewandte untere Halbplatte (3) über eine Vakuumspannvorrichtung (6) aufgespannt wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that the lower half-plate (3) facing away from the laser (14) is clamped over a vacuum clamping device (6).

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbplatten (2, 3) miteinander über wenigstens eine Druckbrille verpresst werden, wonach der Unterdruck zwischen den Halbplatten (2, 3) unter Verzicht auf zusätzliche Dichtelemente zwischen den Halbplatten (2, 3) aufgebaut wird, und wonach die Druckbrille entfernt wird, bevor die Halbplatten (2, 3) miteinander verschweißt werden.Procedure according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the half-plates (2, 3) are pressed together via at least one pair of pressure glasses, after which the negative pressure between the half-plates (2, 3) is built up without additional sealing elements between the half-plates (2, 3), and after which the Pressure glasses are removed before the half-plates (2, 3) are welded together.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen der Halbplatten (2, 3) in einer Schutzgas/Inertgas-Atmosphäre erfolgt.Procedure according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the welding of the half-plates (2, 3) takes place in a protective gas / inert gas atmosphere.