DE102019210633A1

DE102019210633A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verteilerstruktur

Info

Publication number: DE102019210633A1
Application number: DE102019210633.1A
Authority: DE
Inventors: Franz Wetzl; Volker Henrichs; Friedrich Kneule; Andreas Burghardt; Arne Stephen Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2021-01-21
Also published as: WO2021008956A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Verteilerstruktur (10), insbesondere einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Es werden die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen:a) Anordnen, Positionieren und Fixieren mindestens einer Anodenstruktur (16) und mindestens einer Kathodenstruktur (20) in einer gestapelten Anordnung (52),b) Kontaktierung zwischen den Komponenten gemäß Verfahrensschritt a) in einem Arbeitsgang.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Verteilerstruktur, insbesondere einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle aus mehreren in einer Stapelform angeordneten Komponenten.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in Wasser (H₂O) elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Die Einheit aus H₂-, Luft- und -Kühlmittelverteiler mit einer dazwischen liegend angeordneten Separatorplatte wird als Bipolarplatte bezeichnet. Ein Stapel aus mehreren Bipolarplatten mit Protonen leitenden Membranen sowie weiteren Schichten wie Elektroden- und Katalysatorschichten dazwischen bildet einen Stack. Die Reaktionsgase H₂ und O₂ in der Luft sowie die Kühlflüssigkeit strömen parallel zur Membran, während der elektrische Strom senkrecht zur Membran von Anode zur Kathode benachbarter Zelle durch die Bipolarplatte fließt. Die auftretenden ohmschen Verluste innerhalb der Bipolarplatte werden durch den elektrischen Widerstand des Materials, bei dem es sich um Kohlenstoff oder Metall handelt sowie durch die Kontaktwiderstände an den Grenzflächen zwischen den gasführenden Strukturen und dem Separatorblech hervorgerufen. Um die elektrische Leistung im externen Stromkreis zu maximieren, sind die ohmschen Widerstandsverluste innerhalb der Brennstoffzelle zu minimieren. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass Kontaktflächen beschichtet werden, um bei den aufeinander gelegten, in Stapelform angeordneten Komponenten den Kontaktwiderstand zu verringern.
US 7,770,394 B2 bezieht sich auf direkt geklebte oder mit einer kontinuierlichen metallischen Verklebung versehene Brennstoffzellen.
US 7,323,040 B2 bezieht sich auf eine spezielle Ausgestaltung eines Brennstoffzellenmoduls sowie bestimmte stoffschlüssige Fügeverfahren wie beispielsweise das Elektronenstrahlschweißen, das Laserschweißen sowie das Ultraschallschweißen und dergleichen.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verteilerstruktur vorgeschlagen, insbesondere einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei verfahrensgemäß die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:

a) Anordnen, Positionieren und Fixieren mindestens einer Anodenstruktur und mindestens einer Kathodenstruktur in einer gestapelten Anordnung und
b) Erstellen einer ersten stoffschlüssigen Verbindung zur elektrischen Kontaktierung zwischen den Komponenten gemäß Verfahrensschritt a) in einem Arbeitsgang.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird ein Verfahren bereitgestellt, welches eine elektrische Verbindung zwischen metallischen Kathodenstruktur, Separator und Anodenstruktur erzeugt, wobei sich ein sehr geringer elektrischer Widerstand einstellt. Des Weiteren kann eine derart elektrische Kontaktierung in sehr kurzer Taktzeit erfolgen, sodass sich eine Anwendung in der Serienfertigung ergibt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann die erste stoffschlüssige Verbindung im Wege des Rollnahtschweißens oder des Punktschweißens erzeugt werden.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann eine zweite stoffschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten gemäß Verfahrensschritt a) an mindestens einem Dichtungsort im Wege des Laserverschweißens als Abdichtung zwischen der Anodenstruktur und dem Separator erzeugt werden.
Bei der ersten erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrensvariante, dem Rollnahtschweißen zur Ausbildung der ersten stoffschlüssigen Verbindung, erfolgt zwischen einer ersten Rolle an einer Oberseite und einem Gegenhalter, zum Beispiel einer zweiten Rolle oder einem Schweißtisch oder einer Platte, an einer Unterseite der gestapelten Anordnung, das Erzeugen einer nahstoffschlüssigen Naht in Linienform. Der Gegenhalter fungiert nicht nur als Elektrode, sondern dient, beispielsweise ausgeführt als Platte, zur besseren Anpressdruckverteilung und zur besseren Verteilung des elektrischen Flusses. Dabei kann das Rollnahtschweißen unter Verwendung eines Opferdrahtes durchgeführt werden.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können mehrere erste stoffschlüssige Verbindungen in Linienform gleichzeitig im Wege des Rollnahtschweißens erzeugt werden oder es können mehrere erste stoffschlüssige Verbindungen als stoffschlüssige Punktverbindungen gleichzeitig im Wege des Punktschweißens erzeugt werden. Gleichzeitige Ausbildung mehrerer erster stoffschlüssiger Verbindungen, d. h. elektrische Kontaktierung beschleunigt die Taktzeit.
Beim Rollnahtschweißen, welches zum Erzeugen der ersten stoffschlüssigen Verbindung als elektrische Kontaktierung eingesetzt werden kann, läuft eine erste Rolle an der Oberseite der gestapelten Anordnung in geprägten Kanälen der Anodenstruktur, wobei eine Kanalbreite der geprägten Kanäle eine Rollenbreite der ersten Rolle übersteigt. Dadurch können die auf die Komponenten wirkenden Kräfte minimiert werden. Ferner kann ein störungsfreier Prozessablauf erreicht werden.
Der ersten Rolle an der Oberseite gegenüberliegend ist ein Gegenhalter an der Unterseite vorgesehen, in einer Breite, welche die Kathodenstruktur entlang mindestens einer Kanalbreite der geprägten Kanäle in der Anodenstruktur abstützt. Dadurch lässt sich eine Verformung der Kathodenstruktur wirkungsvoll vermeiden, sodass der elektrische Widerstand nicht nachteilig beeinflusst wird.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die Verteilerstruktur aus Anodenstruktur, Separator und Kathodenstruktur gebildet, wobei die Kathodenstruktur eine Porosität > 80 % aufweisen kann und bei der Herstellung der ersten stoffschlüssigen Verbindung die elektrische Energie unterhalb der ersten Rolle konzentriert wird, da sich eine lokale Verschweißung von Anodenstruktur, Separator und Kathodenstruktur ergibt, wobei insbesondere die Kathodenstruktur im unverformten Zustand verbleibt.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann entweder die gestapelte Anordnung aus Anodenstruktur, Separator und Kathodenstruktur relativ zu den als Elektroden dienenden Rollen bewegt werden oder es kann alternativ die als Elektroden dienenden Rollen relativ zu einer stationären gestapelten Anordnung bewegt werden, sodass beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren beide kinematischen Varianten möglich wären.
Es besteht die Möglichkeit, die erste stoffschlüssige Verbindung zur elektrischen Kontaktierung und die zweite stoffschlüssige Verbindung zur Abdichtung entweder zeitgleich oder zeitlich nacheinander zu erzeugen. Eine zeitgleiche Erzeugung der ersten stoffschlüssigen Verbindung und der zweiten stoffschlüssigen Verbindung würde zu einer kürzeren Taktzeit und damit zu einem höheren Durchsatz bei der Serienfertigung führen.
Bei der Herstellung der zweiten stoffschlüssigen Verbindung im Wege des Laserschweißens können bereits hergestellte erste stoffschlüssige Verbindungen - ausgebildet als Längsnähte zwischen den Komponenten der gestapelten Anordnung - zur elektrischen Kontaktierung die Anodenstruktur, den Separator und die Kathodenstruktur in Position halten. Eine separate Einspannvorrichtung kann bei der Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens mithin entfallen.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung weist die gemäß Verfahrensschritt a) gesetzte Anodenstruktur geprägte Kanäle auf. Die Kanäle, in denen die erste stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird, sind entweder mit kurvigen Kanalwänden und/oder verbreiterten Ansetzbereichen versehen. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren, kann auch bei Ausführungen ohne aufgeschäumte Kathodenstrukturen eingesetzt werden; es könnten auch lediglich aus Blech gefertigte Strukturen miteinander gefügt werden.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens gemäß einer der Ansprüche zur elektrischen Kontaktierung und zur Abdichtung von Anodenstruktur, Separator und Kathodenstruktur einer Verteilerstruktur, insbesondere einer Bipolarplatte für Brennstoffzellenstapel.
Vorteile der Erfindung
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren besteht die Möglichkeit, die Komponenten einer Verteilerstruktur, insbesondere einer Bipolarplatte, nämlich einer Kathodenstruktur, einen Separator und eine Anodenstruktur in einem Arbeitsgang Widerstandsschweißen, insbesondere über Rollnahtschweißen oder Punktschweißen stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Die Anzahl der erzeugten Schweißnähte beziehungsweise Schweißpunkte ist variabel und kann an das Design der Verteilerstruktur, einer Bipolarplatte angepasst werden. Des Weiteren besteht bei erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren die Möglichkeit, eine parallele Herstellung mehrerer Schweißnähte beziehungsweise Schweißpunkte durchzuführen, um eine geringe Taktzeit, insbesondere bei der Serienfertigung zu erreichen. Auch eine Abdichtung der Kühlkanäle lässt sich gegebenenfalls im Rollnahtschweißverfahren realisieren.
Beim Rollnahtschweißen wird die gestapelte Anordnung beispielsweise zwischen einer oberen und einer unteren Rolle angeordnet, wobei die obere Rolle in geprägten Kanälen der Anodenstruktur läuft. Es besteht die Möglichkeit, den Verschleiß der oben liegenden ersten Rolle dadurch zu verringern, dass ein Opferdraht eingesetzt wird. Die untere der beiden Rollen ist bei Rollnahtschweißen breiter ausgelegt, als die obere und ist insbesondere breit genug, dass eine Verformung der Kathodenstruktur ausgeschlossen ist. Durch die Kathodenstruktur, insbesondere bei einer Porosität von > 80 % wird die elektrische Energie unterhalb der oberen Rolle konzentriert, wodurch eine lokale Verschweißung aller drei Komponenten, nämlich der Anodenstruktur, des Separators und der Kathodenstruktur durchgeführt werden. Der elektrische Gesamtwiderstand einer Struktur, insbesondere einer Bipolarplatte, steigt mit steigender Anzahl von Schweißnähten. Ein Abstand von Schweißnaht zu Schweißnaht von ca. 10 mm ist ausreichend für die elektrische Leistungsfähigkeit.
Werden bei der elektrischen Kontaktierung über die erste stoffschlüssige Verbindung gleichzeitig stoffschlüssige Verbindungen zur Abdichtung der Kühlwasserkanäle gefertigt, sind parallel zu den erwähnten Rollen zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung weitere Rollen an den Außenseiten der Verteilerstruktur vorgesehen, um die Anodenstruktur und den Separator längsseitig gegeneinander anzudrücken.
Die Abdichtungsschweißnähte tragen ebenfalls zur Verbesserung der elektrischen Verbindung bei. Die beschriebenen stoffschlüssigen Nähte der elektrischen Kontaktierung oder zur Abdichtung können zeitgleich erzeugt werden oder auch zeitlich nacheinander hergestellt werden. So zum Beispiel erst die stoffschlüssige Verbindung zur Abdichtung und danach die elektrische Kontaktierung der Kathodenstruktur mit der Anodenstruktur und dem Separator.
Wie bei der kinematischen Umkehr ist es möglich, die stoffschlüssigen Verbindungen bei ruhenden Elektroden, d. h. Rollen und bewegter gestapelter Anordnung vorzunehmen oder aber alternativ auch die als Elektroden dienenden Rollen relativ zum runden Werkstück, d. h. der gestapelten Anordnung zu bewegen.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt in dem Umstand, dass die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen, die der Abdichtung dienen in vorteilhafter Weise im Laserschweißverfahren hergestellt werden, wobei die zuvor beispielsweise als Rollenschweißnähte oder als Schweißpunkte ausgeführten ersten stoffschlüssigen Verbindungen die Komponenten der gestapelten Anordnung, d. h. die Kathodenstruktur, den Separator und die Anodenstruktur in Position halten. Damit wird ein thermischer Verzug verhindert oder zumindest reduziert und eine Schweißvorrichtung ist überflüssig.
Anstelle des Rollnahtschweißens kann auch das Punktschweißen zum Einsatz kommen. Analog zu den stoffschlüssigen Verbindungen gemäß dem Rollnahtschweißen sinkt beim Erzeugen punktförmiger Schweißverbindungen der elektrische Widerstand mit sinkendem Abstand der Schweißpunkte zueinander ab. Auch beim Punktschweißen kann die obere Elektrode klein gehalten werden, um in die Kanäle der Anodenstruktur einzutauchen, wobei die unten liegende Elektrode derart gestaltet werden kann, um eine Verformung der Kathodenstruktur zu vermeiden.
Hinsichtlich prozesstechnischer Vorteile beim Rollnaht- und Punktschweißverfahren ist darauf hinzuweisen, dass die Anodenstruktur derart angepasst werden kann, dass ein Ansetzen der als Elektroden dienenden Rollen erleichtert werden kann. So können beispielsweise die Kanäle breiter ausgeführt werden; beim Punktschweißen können die Kanäle beispielsweise kurvig ausgeführt und es können Ansetzbereiche geschaffen werden, die eine Prozesserleichterung bewirken.
Die Verfahren erfordern weniger komplizierte Vorrichtungen als zum Beispiel das Laserschweißen. Durch das Zusammendrücken der miteinander zu fügenden Partner bestehen geringere Anforderungen an die Toleranzen hinsichtlich Form und Lage. Beim Punktschweißen können die oberen Punktelektroden verstellbar, gegebenenfalls auch automatisch verstellbar ausgeführt sein. Dies ermöglicht eine einfache Anpassung an Kundenvarianten.
Durch die beim Widerstandsschweißverfahren aufzubringende Kraft wird ein Toleranzausgleich möglich, was gegenüber dem Einsatz des Laserverfahrens einen großen Vorteil darstellt. Des Weiteren kann das Rollnahtschweißen in eine Transportrichtung integriert werden, ohne dass eine zusätzliche Taktbeziehungsweise Prozesszeit entsteht.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Rollnahtschweißens der Verteilerstruktur,
2 Draufsichten auf Anodenstrukturen mit beispielhaft lokal modifizierten Kanalstrukturen zur Vereinfachung des Fügeprozesses,
3 eine schematische Darstellung der stoffschlüssigen Verbindungen der Verteilerstruktur,
4 eine schematische Darstellung des Rollnahtschweißens mit Opferdraht und
5 Kühlmedien-Kanäle mit kurvigen Kanalwänden sowie verbreiterte Ansetzbereiche.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Der Darstellung gemäß 1 ist eine schematische Darstellung des Rollnahtschweißens einer Verteilerstruktur 10 zu entnehmen.
Bei der in 1 schematisch dargestellten Verteilerstruktur 10 handelt es sich beispielsweise um eine Bipolarplatte, die aus den nachfolgenden Komponenten im Wege stoffschlüssiger Fügeverfahren zusammengesetzt wird:

In gestapelter Anordnung 52 sind eine Anodenstruktur 16, gegebenenfalls ein Separator 18 und eine Kathodenstruktur 20 angeordnet und relativ zueinander positioniert. Bei der Anodenstruktur 16 handelt es sich beispielsweise um ein geprägtes Blech, in das einzelne offene geprägte Kanäle 26 eingelassen sind sowie zwischen diesen verlaufende Kühlmedien-Kanäle 22 ausgeführt sind. Beim Separator 18 kann es sich beispielsweise um ein im Wesentlichen eben ausgebildetes Blech oder um ein Kunststoffbauteil handeln. Bei der in der gestapelten Anordnung 52 unten liegend angeordneten Kathodenstruktur 20 handelt es sich zum Beispiel um eine Kathodenschaumschicht, deren Porosität ≥ 80 % ist. Alternativ zur Schaumschicht könnte ein Streckgitter oder ein Drahtgewebe eingesetzt werden.

In der Darstellung gemäß 1 ist gezeigt, dass in einen in der Anodenstruktur 16 verlaufenden geprägten Kanal 26 eine erste Rolle 30 eintaucht. Gegenüberliegend befindet sich an der Unterseite 14 der gestapelten Anordnung 52 gemäß der Ansicht in 1 ein Gegenhalter 34, beispielsweise ausgeführt als zweite Rolle. Die Rolle 30 und der Gegenhalter 34 dienen in diesem Falle als Elektroden beim Rollnahtschweißen. Wie aus 1 hervorgeht, ist eine Rollenbreite 32 der ersten Rolle 30 kleiner bemessen als die Kanalbreite 28 der geprägten Kanäle 26.
Im Gegensatz zur ersten Rolle 30 ist der Gegenhalter 34 in einer Breite 36 ausgeführt, die die Kanalbreite 28 der geprägten Kanäle 26 in der Anodenstruktur 16 übersteigt. Durch den Gegenhalter 34 wird an der Unterseite 14 der gestapelten Anordnung 52 die Kathodenstruktur 20 über einen größeren Bereich abgestützt und insbesondere während der Ausbildung der stoffschlüssigen ersten und zweiten Verbindung 62, 64 zwischen den beiden als Elektroden dienenden Elementen, der ersten Rolle 30 und dem Gegenhalter 34, über eine relativ große Breite abgestützt, sodass die Kathodenstruktur 20 der gestapelten Anordnung 52 unverformt bleibt. Im Vergleich zur Dicke eines gegebenenfalls eingesetzten Separators 18 weist die Kathodenstruktur 20 eine relativ große Schichtdicke 40 auf.
Die erste Rolle 30 und ein als zweite Rolle ausgeführter Gegenhalter 34, die als Elektroden dienen, rotieren um in 1 schematisch angedeutete Rotationsachsen 38.
Durch die beiden Elemente 30, 34 wird während des Rollnahtschweißens im Bereich des geprägten Kanales 26 eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende erste stoffschlüssige Verbindung 62 (vgl. Darstellung gemäß 3) erzeugt. Diese dient der elektrischen Kontaktierung der gestapelten Anordnung 52 aus Anodenstruktur 16, Separator 18 und Kathodenstruktur 20. Um den Verschleiß der ersten Rolle 30 zu begrenzen, kann diese mit einem Opferdraht 70 betrieben werden, der während der Ausbildung der ersten stoffschlüssigen Verbindung 62 das Material für diese bildet. Durch die Kathodenstruktur 20 an der Unterseite 14 der gestapelten Anordnung 52 gemäß 1 mit einer Porosität ≥ 80 % wird die elektrische Energie unterhalb der ersten Rolle 30 konzentriert, wodurch es zu einer lokalen Verschweißung aller drei Komponenten, nämlich der Anodenstruktur 16, des Separators 18 und der Kathodenstruktur 20 kommt. In vorteilhafter Weise ist der Abschnitt zwischen einzelnen nebeneinander verlaufenden ersten stoffschlüssigen Verbindungen 62 (vgl. Darstellung gemäß 3) in der Größenordnung von 10 mm. Dieser Abstand kann variieren, abhängig vom Design der Verteilerstruktur 10, bei der es sich insbesondere um eine Bipolarplatte handeln kann.
Es ist festzuhalten, dass gemäß der schematischen Darstellung des Rollnahtschweißens in 1 eine elektrische Kontaktierung zwischen der Kathodenstruktur 20, dem Separator 18 und der Anodenstruktur 16 mit einem sehr geringen elektrischen Widerstand in sehr kurzer Taktzeit hergestellt werden kann, sodass eine Anwendung in der Serienfertigung möglich ist. Hervorzuheben ist, dass die elektrische Kontaktierung im Rahmen der ersten stoffschlüssigen Verbindung 62 beispielsweise als Längsnaht der Anodenstruktur 16, des Separators 18 und der Kathodenstruktur 20 in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgt. Dabei ist aufgrund der gewählten Geometrie der als Elektroden dienenden Elemente 30, 34 sichergestellt, dass der Edelstahlschaum, der Teil der Kathodenstruktur 20 ist, durch den stoffschlüssigen Fügevorgang nur unwesentlich verformt wird und im Wesentlichen seine ursprüngliche Form beibehält, sodass eine spätere Beeinträchtigung einer Zellfunktion von vornherein ausgeschlossen ist.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann die Anzahl von ersten stoffschlüssigen Verbindungen 62 beziehungsweise stoffschlüssigen Punktverbindungen 50 (vgl. Darstellung gemäß 2) variabel gehalten und an das Design der Verteilerstruktur 10 angepasst werden. Es besteht die Möglichkeit, gleichzeitige parallele Herstellung mehrerer erster stoffschlüssiger Verbindungen als elektrische Kontaktierung vorzunehmen, beziehungsweise diese auch im Rahmen des Punktschweißverfahrens als diskrete stoffschlüssige Punktverbindungen 50 auszubilden. Wird die erste stoffschlüssige Verbindung 62 - sei es als Längsnaht erzeugt durch das Rollnahtschweißen, seien es diskrete stoffschlüssige Punktverbindungen 50 - im Wege des Punktverschweißens parallel gefertigt, können in vorteilhafter Weise für die Serienfertigung geeignete kurze geringe Taktzeiten erreicht werden.
In Modifikation des in 1 dargestellten Rollnahtschweißens zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung von Anodenstruktur 16, Separator 18 und Kathodenstruktur 20 können - wenn auch nicht zeichnerisch dargestellt - an Dichtungsorten 24 Abdichtungen realisiert werden. Diese können beispielsweise die Kühlmedien-Kanäle 22, die in der geprägten Anodenstruktur 16 ausgebildet sind, seitlich abdichten. Neben der elektrischen Kontaktierung kann auch gleichzeitig zur teilweisen oder vollständige Abdichtung der Kühlmedien-Kanäle 22 zwischen dem Separator 18 und der Anodenstruktur 16 in Parallelanordnung zu den dargestellten Elementen, der ersten Rolle 30 und dem Gegenhalter 34 vorgesehen werden, dass neben der elektrischen Kontaktierungen weitere Rollen an den Außenseiten der Verteilerstrukur 10 eben an den Dichtungsorten 24 angeordnet werden, um die Anodenstruktur 16 einerseits und den Separator 18 andererseits längsseitig gegeneinander abzudichten. Je nach Design der Verteilerstruktur 10, bei der es sich bevorzugt um eine Bipolarplatte handelt, können die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64, vgl. Darstellung gemäß 3, die der Abdichtung dienen, auch nur zwischen Separator 18 und Anodenstruktur 16 ohne Einschluss der Kathodenstruktur 20 gefertigt werden. Die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64, vgl. Darstellung gemäß 3, tragen ebenfalls zur Verbesserung der elektrischen Verbindung bei.
Die Ausbildung der erwähnten ersten stoffschlüssigen Verbindung 62, die der elektrischen Kontaktierung dient sowie der zweiten stoffschlüssigen Verbindung 64, die der Abdichtung dient, können entweder zeitgleich durchgeführt werden oder auch zeitlich nacheinander, d. h. sequentiell vorgenommen werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die ersten und die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 62, 64 bei ruhenden Elektroden, zum Beispiel im Falle der ersten Rolle 30 und des Gegenhalters 34 und bewegtem Werkstück, in diesem Falle der gestapelten Anordnung 52 vorzunehmen, oder aber alternativ, auch die als Elektroden dienenden Elemente, die erste Rolle 30 und den Gegenhalter 34, relativ zum ruhenden Werkstück, d. h. der gestapelten Anordnung 52 zu bewegen. Beide Bewegungsalternativen wären möglich.
2 zeigt Ansichten der Anodenstruktur 16, von der Oberseite 12 hergesehen mit Beispielen lokal modifizierter Kanalstrukturen 42. Wie aus den Darstellungen gemäß 2 hervorgeht, kann die Anodenstruktur 16 mit einer Anzahl von in einer ersten Kanalbreite 44 ausgeführten, geprägten Kanälen 26 ausgeführt sein. Zwischen diesen verlaufen einzelne geprägte Kanäle 26, die eine zweite Kanalbreite 46 aufweisen, die die erste Kanalbreite 44 übersteigt. Die geprägten Kanäle 26, die in der zweiten Kanalbreite 46 ausgebildet sind, dienen als Laufstrecke für die an der Oberseite 12 gemäß 1 der gestapelten Anordnung 52 angeordnete, als Elektrode dienende erste Rolle 30.
Alternativ besteht die Möglichkeit, die Anodenstruktur 16 so auszuführen, dass diese zunächst mit geprägten Kanälen 26 versehen wird, wobei die Kanalbreite 28 der ersten Kanalbreite 44 entspricht. In einzelnen geprägten Kanälen 26 können lokal modifizierte Kanalstrukturen 42 derart ausgebildet werden, dass diese kleine rautenförmige ebene Bereiche 48 aufweisen, in denen später - alternativ zum Rollnahtschweißen - im Wege des Punktschweißens einzelne diskrete stoffschlüssige Punktverbindungen 50 ausgeführt werden können. In Bezug auf die erste stoffschlüssige Verbindung, vgl. Darstellung gemäß 3, stehen somit sowohl das Rollnahtschweißen wie das Punktschweißen als Fertigungsmöglichkeiten zur Verfügung.
3 ist eine schematische Darstellung von stoffschlüssigen Verbindungen 62, 64 an der Verteilerstruktur 10 zu entnehmen.
Aus der Draufsicht gemäß 3 auf eine hier beispielhaft herausgegriffene Anodenstruktur 16 geht hervor, dass die Anodenstruktur 16 einerseits einen aktiven Bereich 60 umfasst, der von geprägten Kanälen 26 durchzogen ist. In den aktiven Bereich 60 schließt sich ein erster Einlass-/Auslassbereich 66 beziehungsweise ein zweiter Einlass-/Auslassbereich 68 an. Die einzelnen Geometrien der Ein- und Auslassbereiche 66, 68 sind in 3 nicht mehr dargestellt.
Aus der Darstellung gemäß 3 ergibt sich, dass in einzelnen der geprägten Kanäle 26 der Anodenstruktur 16 erste stoffschlüssige Verbindungen 62 als Längsnähte verlaufen. Sie erstrecken sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung der Anodenstruktur 16, während die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64, die im Wesentlichen der Abdichtung dienen, quer dazu in horizontaler Richtung verlaufen. Die als Längsschweißnähte ausgebildeten ersten stoffschlüssigen Verbindungen 62 werden mittels des Rollnahtschweißens hergestellt und dienen der elektrischen Kontaktierung innerhalb des aktiven Bereichs 60 einerseits und andererseits zur Abdichtung der Kühlmedien-Kanäle 22 an den Außenseiten der Anodenstruktur 16 wie in 1 durch den Dichtungsort 24 angedeutet. Dem gegenüber dienen die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64, die als quer verlaufende Schweißnähte ausgebildet sind, und in einem alternativen Schweißverfahren beispielsweise des Laserschweißverfahrens hergestellt werden, der Abdichtung. Alternativ kann die Abdichtung auch durch Rollnahtschweißen erzeugt werden.
Werden die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64 bevorzugt als Querschweißnähte ausgeführt, so können zuvor im Wege des Rollnahtschweißens hergestellte erste stoffschlüssige Verbindungen 62 die Komponenten Anodenstruktur 16, Separator 18 und Kathodenstruktur 20 in Position halten und einen thermischen Verzug verhindern. Dadurch ist eine separat vorzuhaltende Schweißvorrichtung nicht erforderlich.
Alternativ zum Rollnahtschweißen kann, wie bereits erwähnt, auch das Punktschweißen zum Einsatz kommen. Analog zur Anzahl der ersten stoffschlüssigen Verbindungen 62, die im Wege des Rollnahtschweißens hergestellt werden, sinkt beim Punktschweißen der elektrische Widerstand mit sinkendem Abstand der einzelnen diskreten stoffschlüssigen Punktverbindungen 50 zueinander. Auch beim Punktschweißen sollte die an der Oberseite 12 vorliegende Elektrode klein genug sein, um in die geprägten Kanäle 26 der Anodenstruktur 16 einzutauchen, wohingegen die unten liegende Elektrode eine Größe aufweisen sollte, sodass eine Verformung der Kathodenstruktur 20 an der Unterseite 14 der gestapelten Anordnung 52 gemäß der 1 vermieden wird.
In vorteilhafter Weise können sowohl beim Rollnahtschweißen als auch beim Punktschweißen die Nahtstruktur, d. h. die geprägten Kanäle 26 in der Anodenstruktur 16 soweit angepasst werden, dass ein Ansetzen der Elektroden, beispielsweise der ersten Rolle 30 und des Gegenhalters 34, vereinfacht werden kann. So kann zum Beispiel ein jeder der geprägten Kanäle 26, der per Rollnaht verschweißt werden soll, in einer etwas größeren Breite - beispielsweise der zweiten Kanalbreite 46 - ausgeführt werden, um eine Aufsetzfläche für die als Elektrode dienende erste Rolle 30 zu vergrößern. Die Verbreiterung von Ansetzbereichen 74 für die Elektrode, d. h. die erste Rolle 30, ermöglicht den Einsatz größerer Elektroden, wodurch der Verschleiß der Elektroden verringert werden kann.
Der Darstellung gemäß 4 ist zu entnehmen, dass sich unterhalb der ersten Rolle 30 ein Opferdraht 70 befindet. Dieser liegt in einem der geprägten Kanäle 26 der Anodenstruktur 16. Kommt es zum stoffschlüssigen Fügen der Anodenstruktur 16 mit der Kathodenstruktur 20 unter Zwischenschaltung des Separators 18, so wird im Bereich des Opferdrahts 70, sobald die erste Rolle 30 und der Gegenhalter 34 aneinander angestellt werden, der Opferdraht 70 aufgeschmolzen und die erste stoffschlüssige Verbindung 62 als Längsnaht erzeugt. Analog zur Darstellung gemäß 1 ist die Kathodenstruktur 20 vom Gegenhalter 34 abgestützt. Der Gegenhalter 34 weist die Breite 36 auf, die die Rollenbreite 32 der ersten Rolle 30 übersteigt, sodass im Bereich der Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung 62 als Längsnaht die Kathodenstruktur 20 abgestützt ist.
Der Darstellung gemäß 5 ist zu entnehmen, dass dort in der Anodenstruktur 16 die geprägten Kanäle 26 jeweils in einem verbreiterten Ansetzbereich 74 in Bezug aufeinander angeordnet, bevorzugt eingeprägt sind. Im Unterschied zu den Ausführungsvarianten gemäß der 1 und 4 sind die geprägten Kanäle 26 in der Ausführungsvariante gemäß 5 nicht von geraden Kanalwänden begrenzt, sondern diese sind viel mehr kurvig gehalten, vgl. Position 72. Die in 5 dargestellten kurvigen Kanalwände 72 können eine konvexe oder konkave Krümmung aufweisen, um das Einsetzen beziehungsweise Einlaufen der ersten Rolle 30, die zum Rollnahtschweißen erforderlich ist, in den jeweiligen geprägten Kanal 26 zu erleichtern, indem die stoffschlüssige Verbindung 62 als Längsnaht erzeugt werden soll.
5 entspricht im Wesentlichen der Darstellung gemäß 1, mit den Unterschieden, dass in der Ausführungsvariante gemäß 5 zwischen den einzelnen Kühlmedien-Kanälen 22 der Anodenstruktur 16 verbreiterte Ansetzbereiche 74 angedeutet sind und die Anodenstruktur 16 derart ausgebildet ist, dass die Begrenzungswände der geprägten Kanäle 26 als kurvige Kanalwände 72 ausgeführt sind. Auch in der Ausführungsvariante gemäß 5 wird die Kathodenstruktur 20 über den Gegenhalter 34 abgestützt, dessen Breite 36 die Rollenbreite 32 der ersten Rolle 30 übersteigt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7770394 B2 [0003]
US 7323040 B2 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Verteilerstruktur (10), insbesondere einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Anordnen, Positionieren und Fixieren mindestens einer Anodenstruktur (16) und mindestens einer Kathodenstruktur (20) in einer gestapelten Anordnung (52), b) Herstellen einer ersten stoffschlüssigen Verbindung (62) zur elektrischen Kontaktierung zwischen den Komponenten gemäß Verfahrensschritt a) in einem Arbeitsgang.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste stoffschlüssige Verbindung (62) im Wege des Rollnahtschweißens oder durch Punktschweißen erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der gestapelten Anordnung (52) gemäß Verfahrensschritt a) mindestens ein Separator (18) vorgesehen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite stoffschlüssige Verbindung (64) zwischen den Komponenten gemäß Verfahrensschritt a) an einem Dichtungsort (24) im Wege des Laserschweißens als Abdichtung zwischen der Anodenstruktur (16) und dem Separator (18) erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollnahtschweißen zwischen einer ersten Rolle (30) an einer Oberseite (12) und einem Gegenhalter (34) - ausgeführt als Rolle, als Platte oder als Tisch - an einer Unterseite (14) einer gestapelten Anordnung (52) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollnahtschweißen unter Verwendung eines Opferdrahtes (70) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste stoffschlüssige Verbindungen (62) in Linienform gleichzeitig im Wege des Rollnahtschweißens erzeugt werden, oder mehrere erste stoffschlüssige Verbindungen (62) als stoffschlüssige Punktverbindungen (50) gleichzeitig im Wege des Punktschweißens erzeugt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rolle (30) in geprägten Kanälen (26) läuft, deren Kanalbreite (28) eine Rollenbreite (32) der ersten Rolle (30) übersteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhalter (34) eine Breite (36) aufweist, die die Kathodenstruktur (20) über mindestens eine Kanalbreite (28) der geprägten Kanäle (26) in der Anodenstruktur (16) abstützt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kathodenstruktur (20) eine Porosität > 80 % aufweist und bei der Herstellung der ersten stoffschlüssigen Verbindung (62) elektrische Energie unterhalb der ersten Rolle (30) konzentriert wird und eine lokale Verschweißung von Anodenstruktur (16), Separator (18) und Kathodenstruktur (20) in unverformtem Zustand erzeugt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gestapelte Anordnung (52) aus Anodenstruktur (16), Separator (18) und Kathodenstruktur (20) relativ zu den als Elektrode dienenden Elementen (30, 34) bewegt wird, oder diese relativ zu einer stationären gestapelten Anordnung (52) bewegt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, die erste stoffschlüssige Verbindung (62) zur elektrischen Kontaktierung und die zweite stoffschlüssige Verbindung (64) zur Abdichtung zeitgleich oder zeitlich nacheinander erzeugt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der zweiten stoffschlüssigen Verbindung (64) im Wege des Laserschweißens, bereits hergestellte erste stoffschlüssige Verbindungen (62) zur elektrischen Kontaktierung die Anodenstruktur (16), den Separator (18) und die Kathodenstruktur (20) in Position halten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß Verfahrensschritt a) eingesetzte Anodenstruktur (16) geprägte Kanäle (26) aufweist und die geprägten Kanäle (26), in denen die erste stoffschlüssige Verbindung (62) erzeugt wird, eine zweite Kanalbreite (46) und/oder kurvige Kanalwände (72) und/oder verbreiterte Ansetzbereiche (74) aufweisen.
Verwendung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zur elektrischen Kontaktierung und Abdichtung von Anodenstruktur (16), Separator (18) und Kathodenstruktur (20) einer Verteilerstruktur (10), insbesondere einer Bipolarplatte, eines Brennstoffzellenstapels.