DE102019210633A1

DE102019210633A1 - Method for manufacturing a manifold structure

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.The invention relates to a method for producing a distributor structure (10), in particular a bipolar plate for a fuel cell. The following process steps are carried out: a) arranging, positioning and fixing at least one anode structure (16) and at least one cathode structure (20) in a stacked arrangement (52), b) contacting between the components according to process step a) in one operation.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Verteilerstruktur, insbesondere einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle aus mehreren in einer Stapelform angeordneten Komponenten.The invention relates to a method for producing a distributor structure, in particular a bipolar plate for a fuel cell, from a plurality of components arranged in a stack.

Stand der TechnikState of the art

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.Fuel cells are electrochemical energy converters in which hydrogen (H ₂ ) and oxygen (O ₂ ) are converted into water (H ₂ O), electrical energy and heat. The unit consisting of H ₂ , air and coolant distributors with a separator plate in between is called a bipolar plate. A stack of several bipolar plates with proton-conducting membranes and other layers such as electrode and catalyst layers in between forms a stack. The reaction gases H ₂ and O ₂ in the air and the cooling liquid flow parallel to the membrane, while the electrical current flows perpendicular to the membrane from the anode to the cathode of the neighboring cell through the bipolar plate. The ohmic losses that occur within the bipolar plate are caused by the electrical resistance of the material, which is carbon or metal, and by the contact resistances at the interfaces between the gas-carrying structures and the separator sheet. In order to maximize the electrical power in the external circuit, the ohmic resistance losses within the fuel cell must be minimized. This can be done, for example, by coating contact surfaces in order to reduce the contact resistance of the stacked components placed on top of one another.

US 7,770,394 B2 bezieht sich auf direkt geklebte oder mit einer kontinuierlichen metallischen Verklebung versehene Brennstoffzellen. US 7,770,394 B2 refers to fuel cells that are directly bonded or provided with a continuous metallic bond.

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. US 7,323,040 B2 relates to a special configuration of a fuel cell module as well as certain material-locking joining methods such as electron beam welding, laser welding and ultrasonic welding and the like.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

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.

According to the invention, a method for producing a distributor structure is proposed, in particular a bipolar plate for a fuel cell, the following method steps being carried out according to the method:

a) arranging, positioning and fixing at least one anode structure and at least one cathode structure in a stacked arrangement and
b) Establishing a first material connection for electrical contacting between the components according to method step a) in one operation.

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.The solution proposed according to the invention provides a method which produces an electrical connection between the metallic cathode structure, separator and anode structure, with a very low electrical resistance being established. Furthermore, such electrical contact can be made in a very short cycle time, so that it can be used in series production.

In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann die erste stoffschlüssige Verbindung im Wege des Rollnahtschweißens oder des Punktschweißens erzeugt werden.In a further development of the method proposed according to the invention, the first material connection can be produced by means of roller seam welding or spot welding.

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.In a further development of the solution proposed according to the invention, a second material connection between the components according to method step a) can be produced at at least one sealing location by means of laser welding as a seal between the anode structure and the separator.

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.In the first variant of the method proposed according to the invention, roller seam welding to form the first material connection, a first roller on an upper side and a counterholder, for example a second roller or a welding table or plate, on a lower side of the stacked arrangement, is used to produce a close-fitting seam in line shape. The counterholder not only functions as an electrode, but also serves, for example designed as a plate, for better contact pressure distribution and better distribution of the electrical flow. The roller seam welding can be carried out using a sacrificial wire.

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.In the method proposed according to the invention, several first material connections in line form can be produced simultaneously by means of roller seam welding or several first material connections as material connection point connections can be produced simultaneously by means of spot welding. Simultaneous formation of several first material connections, d. H. electrical contact accelerates the cycle time.

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.In roller seam welding, which is used to create the first material connection as electrical contacting can be used, a first roller runs on the top of the stacked arrangement in embossed channels of the anode structure, a channel width of the embossed channels exceeding a roll width of the first roller. In this way, the forces acting on the components can be minimized. Furthermore, a trouble-free process flow can be achieved.

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.Opposite the first roller on the upper side, a counter holder is provided on the underside, with a width that supports the cathode structure along at least one channel width of the embossed channels in the anode structure. A deformation of the cathode structure can thereby be effectively avoided, so that the electrical resistance is not adversely affected.

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.In the method proposed according to the invention, the distributor structure is formed from the anode structure, separator and cathode structure, whereby the cathode structure can have a porosity> 80% and during the production of the first material connection, the electrical energy is concentrated below the first role, since there is local welding of the anode structure , Separator and cathode structure results, in particular the cathode structure remains in the undeformed state.

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.In the method proposed according to the invention, either the stacked arrangement of anode structure, separator and cathode structure can be moved relative to the rollers serving as electrodes or, alternatively, the rollers serving as electrodes can be moved relative to a stationary stacked arrangement, so that in the method proposed according to the invention both kinematic variants would be possible.

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.There is the possibility of producing the first material connection for electrical contacting and the second material connection for sealing either at the same time or one after the other. A simultaneous production of the first material connection and the second material connection would lead to a shorter cycle time and thus to a higher throughput in series production.

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.When making the second integral connection by means of laser welding, the first integral connections that have already been made - designed as longitudinal seams between the components of the stacked arrangement - can hold the anode structure, the separator and the cathode structure in position for electrical contacting. A separate clamping device can therefore be omitted when carrying out the method proposed according to the invention.

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.In the solution proposed according to the invention, the anode structure set according to method step a) has embossed channels. The channels in which the first material connection is produced are provided with either curved channel walls and / or widened attachment areas. The method proposed according to the invention can also be used in designs without foamed cathode structures; structures made only from sheet metal could also be joined to one another.

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.In addition, the invention relates to the use of the method according to one of the claims for making electrical contact and for sealing the anode structure, separator and cathode structure of a distributor structure, in particular a bipolar plate for fuel cell stacks.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.The method proposed according to the invention makes it possible to materially connect the components of a distributor structure, in particular a bipolar plate, namely a cathode structure, a separator and an anode structure, in one operation, resistance welding, in particular via seam welding or spot welding. The number of weld seams or weld points produced is variable and can be adapted to the design of the distributor structure, a bipolar plate. Furthermore, with the method proposed according to the invention there is the possibility of producing a plurality of weld seams or weld points in parallel in order to achieve a short cycle time, in particular in series production. The cooling channels can also be sealed using the roll seam welding process.

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.In roller seam welding, the stacked arrangement is arranged, for example, between an upper and a lower roller, the upper roller running in embossed channels of the anode structure. It is possible to reduce the wear and tear on the first roller on top by using a sacrificial wire. In roller seam welding, the lower of the two rollers is designed to be wider than the upper one and, in particular, is wide enough to prevent deformation of the cathode structure. Due to the cathode structure, in particular with a porosity of> 80%, the electrical energy is concentrated below the upper roller, whereby a local welding of all three components, namely the anode structure, the separator and the cathode structure, is carried out. The total electrical resistance of a structure, especially a bipolar plate, increases with the number of welds. A distance of Weld to weld of approx. 10 mm is sufficient for the electrical performance.

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.If, when making electrical contact via the first material connection, material connections are simultaneously made to seal the cooling water ducts, additional rollers are provided on the outside of the distributor structure in parallel to the aforementioned rollers for making electrical contact, in order to press the anode structure and the separator against one another along their length.

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.The sealing welds also help improve the electrical connection. The material-locking seams described for the electrical contact or for sealing can be produced at the same time or they can also be produced one after the other. For example, first the material connection for sealing and then the electrical contacting of the cathode structure with the anode structure and the 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.As with the kinematic reversal, it is possible to remove the material connections when the electrodes are at rest, i.e. H. To undertake rollers and a moving stacked arrangement or alternatively also the rollers serving as electrodes relative to the round workpiece, d. H. to move the stacked arrangement.

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.A particular advantage of the solution proposed according to the invention lies in the fact that the second material connections, which are used for sealing, are advantageously produced using the laser welding process, with the first material connections, previously executed, for example, as roller welds or as weld points, the components of the stacked arrangement, i.e. . H. hold the cathode structure, separator and anode structure in place. Thermal distortion is thus prevented or at least reduced and a welding device is superfluous.

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.Spot welding can also be used instead of roll seam welding. In analogy to the material-to-material connections according to roller seam welding, the electrical resistance decreases as the distance between the welding points decreases when creating point-like welded connections. Even with spot welding, the upper electrode can be kept small in order to be immersed in the channels of the anode structure, whereby the electrode lying below can be designed in such a way as to avoid deformation of the cathode structure.

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.With regard to procedural advantages in the roller seam and spot welding method, it should be pointed out that the anode structure can be adapted in such a way that it is easier to attach the rollers that serve as electrodes. For example, the channels can be made wider; With spot welding, the channels can be curved, for example, and attachment areas can be created that facilitate the process.

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.The processes require less complex equipment than laser welding, for example. By pressing the partners to be joined together, there are lower demands on the tolerances in terms of shape and position. In the case of spot welding, the upper spot electrodes can be designed to be adjustable, if necessary also automatically adjustable. This enables easy adaptation to customer variants.

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.The force to be applied in the resistance welding process enables tolerance compensation, which is a great advantage over the use of the laser process. Furthermore, roll seam welding can be integrated in a transport direction without creating an additional cycle or process time.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

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.

Show it:

1 a schematic representation of the roller seam welding of the manifold structure,
2 Top views of anode structures with exemplary locally modified channel structures to simplify the joining process,
3 a schematic representation of the material connections of the distributor structure,
4th a schematic representation of roller seam welding with sacrificial wire and
5 Cooling media channels with curved channel walls and widened attachment areas.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

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.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

Der Darstellung gemäß 1 ist eine schematische Darstellung des Rollnahtschweißens einer Verteilerstruktur 10 zu entnehmen.According to the representation 1 Figure 3 is a schematic representation of the seam welding of a manifold structure 10 refer to.

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.

At the in 1 distribution structure shown schematically 10 it is, for example, a bipolar plate that is assembled from the following components using a material-locking joining process:

In a stacked arrangement 52 are an anode structure 16 , optionally a separator 18th and a cathode structure 20th arranged and positioned relative to each other. With the anode structure 16 it is, for example, an embossed sheet metal in which individual open embossed channels 26th are embedded as well as cooling media channels running between them 22nd are executed. With the separator 18th it can be, for example, an essentially flat sheet metal or a plastic component. When in the stacked arrangement 52 Cathode structure arranged below 20th it is, for example, a cathode foam layer whose porosity is ≥ 80%. As an alternative to the foam layer, an expanded metal mesh or wire mesh could be used.

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.In the representation according to 1 is shown that in one in the anode structure 16 running embossed channel 26th a first role 30th immersed. Opposite is on the bottom 14th the stacked arrangement 52 according to the view in 1 a counter holder 34 , for example executed as a second role. The role 30th and the counter holder 34 in this case serve as electrodes for roller seam welding. How out 1 is a roll width 32 the first role 30th dimensioned smaller than the duct width 28 of the embossed channels 26th .

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.In contrast to the first role 30th is the counter-holder 34 in one width 36 executed that the channel width 28 of the embossed channels 26th in the anode structure 16 exceeds. Through the counter holder 34 is at the bottom 14th the stacked arrangement 52 the cathode structure 20th Supported over a larger area and in particular during the formation of the cohesive first and second connection 62 , 64 between the two elements serving as electrodes, the first role 30th and the counter holder 34 , supported over a relatively large width, so that the cathode structure 20th the stacked arrangement 52 remains undeformed. Compared to the thickness of any separator used 18th exhibits the cathode structure 20th a relatively large layer thickness 40 on.

Die erste Rolle 30 und ein als zweite Rolle ausgeführter Gegenhalter 34, die als Elektroden dienen, rotieren um in 1 schematisch angedeutete Rotationsachsen 38.The first role 30th and a counterholder designed as a second role 34 that serve as electrodes rotate around in 1 schematically indicated axes of rotation 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.Through the two elements 30th , 34 becomes during roll seam welding in the area of the embossed channel 26th a first material connection running perpendicular to the plane of the drawing 62 (see illustration according to 3 ) generated. This is used to make electrical contact with the stacked arrangement 52 made of anode structure 16 , Separator 18th and cathode structure 20th . To the wear of the first role 30th to limit this can with a sacrificial wire 70 operated during the formation of the first integral connection 62 the material for this forms. Through the cathode structure 20th on the bottom 14th the stacked arrangement 52 according to 1 with a porosity ≥ 80%, the electrical energy is below the first role 30th concentrated, resulting in a local weld of all three components, namely the anode structure 16 , the separator 18th and the cathode structure 20th comes. The section is advantageously between individual first cohesive connections running next to one another 62 (see illustration according to 3 ) in the order of 10 mm. This distance can vary depending on the design of the manifold structure 10 , which can in particular be a bipolar plate.

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.It should be noted that according to the schematic representation of roller seam welding in 1 an electrical contact between the cathode structure 20th , the separator 18th and the anode structure 16 can be manufactured with a very low electrical resistance in a very short cycle time, so that it can be used in series production. It should be emphasized that the electrical contact is made in the context of the first material connection 62 for example as a longitudinal seam of the anode structure 16 , the separator 18th and the cathode structure 20th takes place in a single step. Due to the chosen geometry of the elements serving as electrodes 30th , 34 ensured that the stainless steel foam, the part of the cathode structure 20th is, is only slightly deformed by the material-locking joining process and essentially retains its original shape, so that a later impairment of a cell function is excluded from the outset.

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 the method proposed according to the invention, the number of first cohesive connections 62 or cohesive point connections 50 (see illustration according to 2 ) kept variable and adapted to the design of the distribution structure 10 be adjusted. There is the possibility of making several first cohesive connections simultaneously in parallel as electrical contacting, or this also within the scope of the Spot welding process as discrete cohesive point connections 50 to train. Becomes the first material connection 62 - be it as a longitudinal seam created by roller seam welding, or be it discrete material-to-material point connections 50 - Manufactured in parallel by means of spot welding, short cycle times suitable for series production can be achieved in an advantageous manner.

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.In a modification of the in 1 seam welding shown for the production of electrical contacting of anode structure 16 , Separator 18th and cathode structure 20th can - even if not shown in the drawing - at sealing locations 24 Seals are realized. These can, for example, be the cooling media channels 22nd that are in the embossed anode structure 16 are formed, seal laterally. In addition to the electrical contacting, the cooling media channels can also be partially or completely sealed off at the same time 22nd between the separator 18th and the anode structure 16 in parallel to the elements shown, the first role 30th and the counter holder 34 it is provided that in addition to the electrical contacting, further roles on the outside of the distributor structure 10 just at the sealing locations 24 placed around the anode structure 16 one hand and the separator 18th on the other hand to seal against each other along the lengthways. Depending on the design of the distribution structure 10 , which is preferably a bipolar plate, the second material connections 64 , see illustration according to 3 that serve for sealing, also only between separator 18th and anode structure 16 without including the cathode structure 20th are manufactured. The second material connections 64 , see illustration according to 3 , also help to improve the electrical connection.

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.The formation of the aforementioned first material connection 62 , which is used for electrical contact and the second material connection 64 , which is used for sealing, can either be carried out at the same time or one after the other, that is to say carried out sequentially.

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.There is also the possibility of the first and the second material connections 62 , 64 with resting electrodes, for example in the case of the first roll 30th and the counter-holder 34 and moving workpiece, in this case the stacked arrangement 52 undertake, or alternatively, the elements serving as electrodes, the first role 30th and the counter holder 34 , relative to the stationary workpiece, ie the stacked arrangement 52 to move. Both movement alternatives would be possible.

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. 2 shows views of the anode structure 16 , from the top 12 with examples of locally modified channel structures 42 . As shown in the illustrations 2 can be seen the anode structure 16 with a number of in a first channel width 44 executed, embossed channels 26th be executed. Individual embossed channels run between these 26th having a second channel width 46 having the first channel width 44 exceeds. The embossed channels 26th that is in the second channel width 46 are designed to serve as a running track for those at the top 12 according to 1 the stacked arrangement 52 arranged, serving as an electrode first role 30th .

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.Alternatively there is the possibility of the anode structure 16 to be carried out in such a way that these initially have embossed channels 26th is provided, the channel width 28 the first channel width 44 corresponds. In individual embossed channels 26th can locally modified channel structures 42 be formed in such a way that these small diamond-shaped flat areas 48 have, in which later - as an alternative to roller seam welding - individual discrete cohesive point connections by way of spot welding 50 can be executed. With regard to the first material connection, see illustration according to FIG 3 , both roll seam welding and spot welding are available as manufacturing options.

3 ist eine schematische Darstellung von stoffschlüssigen Verbindungen 62, 64 an der Verteilerstruktur 10 zu entnehmen. 3 is a schematic representation of material connections 62 , 64 on the distribution structure 10 refer to.

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.From the top view according to 3 an anode structure selected here as an example 16 shows that the anode structure 16 on the one hand an active area 60 includes that of embossed canals 26th is streaked. In the active area 60 a first inlet / outlet area closes 66 or a second inlet / outlet area 68 at. The individual geometries of the inlet and outlet areas 66 , 68 are in 3 no longer shown.

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.From the representation according to 3 it follows that in some of the embossed channels 26th the anode structure 16 first material connections 62 run as longitudinal seams. They extend essentially in the vertical direction of the anode structure 16 , while the second material connections 64 , which essentially serve to seal, run transversely to it in the horizontal direction. The first material connections designed as longitudinal welds 62 are produced by roller seam welding and are used for electrical contact within the active area 60 on the one hand and on the other hand to seal the cooling media channels 22nd on the outside of the Anode structure 16 as in 1 through the sealing location 24 indicated. The second material connections serve this purpose 64 , which are designed as transverse weld seams, and are produced in an alternative welding process, for example the laser welding process, the seal. Alternatively, the seal can also be produced by roller seam welding.

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.Will be the second material connections 64 preferably embodied as transverse weld seams, first material connections previously produced by roller seam welding can be used 62 the components anode structure 16 , Separator 18th and cathode structure 20th hold in position and prevent thermal distortion. As a result, a welding device to be kept separately is not required.

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.As already mentioned, spot welding can also be used as an alternative to seam welding. Analogous to the number of the first material connections 62 , which are produced in the way of roll seam welding, in spot welding the electrical resistance decreases as the distance between the individual, discrete, integral point connections decreases 50 to each other. Even with spot welding, the top should be 12 present electrode small enough to fit into the embossed channels 26th the anode structure 16 immersed, while the underlying electrode should have a size so that a deformation of the cathode structure 20th on the bottom 14th the stacked arrangement 52 according to the 1 is avoided.

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.The seam structure, that is to say the embossed channels, can advantageously be used both in roller seam welding and in spot welding 26th in the anode structure 16 be adapted so that an attachment of the electrodes, for example the first role 30th and the counter-holder 34 , can be simplified. For example, any of the embossed channels 26th that is to be welded with a roll seam in a slightly larger width - for example the second channel width 46 - Are carried out to a contact surface for the first role serving as an electrode 30th to enlarge. The broadening of attachment areas 74 for the electrode, ie the first role 30th , enables the use of larger electrodes, which can reduce wear on the electrodes.

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.According to the representation 4th it can be seen that below the first roll 30th a sacrificial wire 70 is located. This lies in one of the embossed channels 26th the anode structure 16 . If the anode structure is firmly joined together 16 with the cathode structure 20th with the interposition of the separator 18th so will be in the area of the sacrificial wire 70 as soon as the first roll 30th and the counter holder 34 be placed next to each other, the sacrificial wire 70 melted and the first material connection 62 generated as a longitudinal seam. Analogous to the representation according to 1 is the cathode structure 20th from the counter holder 34 supported. The counter holder 34 indicates the width 36 on that the roll width 32 the first role 30th exceeds, so that in the area of production of the integral connection 62 the cathode structure as a longitudinal seam 20th is supported.

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.According to the representation 5 it can be seen that there in the anode structure 16 the embossed channels 26th each in a wider attachment area 74 are arranged in relation to one another, preferably embossed. In contrast to the design variants according to 1 and 4th are the embossed channels 26th in the variant according to 5 not limited by straight canal walls, but these are much more curved, see position 72 . In the 5 illustrated curvy canal walls 72 can have a convex or concave curvature to allow the insertion or entry of the first roller 30th , which is required for seam welding, into the respective embossed channel 26th to facilitate by the material connection 62 should be created as a longitudinal seam.

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. 5 corresponds essentially to the illustration according to 1 , with the difference that in the variant according to 5 between the individual coolant channels 22nd the anode structure 16 widened attachment areas 74 are indicated and the anode structure 16 is designed such that the boundary walls of the embossed channels 26th as curvy canal walls 72 are executed. Also in the variant according to 5 becomes the cathode structure 20th via the counter holder 34 supported, its width 36 the roll width 32 the first role 30th exceeds.

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.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible that are within the scope of expert knowledge.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 7770394 B2 [0003]US 7770394 B2 [0003]
US 7323040 B2 [0004]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.Method for producing a distributor structure (10), in particular a bipolar plate for a fuel cell, with the following method steps: a) arranging, positioning and fixing at least one anode structure (16) and at least one cathode structure (20) in a stacked arrangement (52), b) Establishing a first material connection (62) for electrical contacting between the components according to method step a) in one operation.

Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste stoffschlüssige Verbindung (62) im Wege des Rollnahtschweißens oder durch Punktschweißen erzeugt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the first material connection (62) is produced by roll seam welding or by spot welding.

Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der gestapelten Anordnung (52) gemäß Verfahrensschritt a) mindestens ein Separator (18) vorgesehen wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that at least one separator (18) is provided in the stacked arrangement (52) according to method step a).

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.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a second material connection (64) between the components according to method step a) is produced at a sealing location (24) by means of laser welding as a seal between the anode structure (16) and the separator (18).

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.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the seam welding between a first roller (30) on an upper side (12) and a counter-holder (34) - designed as a roller, as a plate or as a table - takes place on a lower side (14) of a stacked arrangement (52) .

Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollnahtschweißen unter Verwendung eines Opferdrahtes (70) durchgeführt wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the seam welding is carried out using a sacrificial wire (70).

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.Procedure according to Claim 2 , characterized in that several first cohesive connections (62) in line form are produced simultaneously by means of roller seam welding, or several first cohesive connections (62) are produced as cohesive point connections (50) simultaneously by means of spot welding.

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.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the first roller (30) runs in embossed channels (26), the channel width (28) of which exceeds a roller width (32) of the first roller (30).

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.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the counterholder (34) has a width (36) which supports the cathode structure (20) over at least one channel width (28) of the embossed channels (26) in the anode structure (16).

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.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the first cathode structure (20) has a porosity> 80% and during the production of the first material connection (62) electrical energy is concentrated below the first roller (30) and a local welding of the anode structure (16), separator (18) and cathode structure (20) produced in the undeformed state.

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.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the stacked arrangement (52) of anode structure (16), separator (18) and cathode structure (20) is moved relative to the elements (30, 34) serving as electrodes, or these are moved relative to a stationary stacked arrangement ( 52) can be moved.

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.Procedure according to Claim 1 or Claim 7 , characterized in that the first material connection (62) for electrical contacting and the second material connection (64) for sealing are produced simultaneously or in succession.

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.Procedure according to Claim 4 , characterized in that during the production of the second material connection (64) by means of laser welding, first material connection (62) already produced for making electrical contact with the anode structure (16), the separator (18) and the cathode structure (20) in position hold.

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.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the anode structure (16) used according to method step a) has embossed channels (26) and the embossed channels (26) in which the first material connection (62) is produced have a second channel width (46) and / or have curved channel walls (72) and / or widened attachment areas (74).

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.Use of the method according to one of the preceding claims for electrical contacting and sealing of the anode structure (16), separator (18) and cathode structure (20) of a distributor structure (10), in particular a bipolar plate, of a fuel cell stack.