DE102007037650B4

DE102007037650B4 - Verfahren zum Herstellen eines Metallseparators für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102007037650B4
Application number: DE102007037650.4A
Authority: DE
Inventors: Dong Gwan BAE
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: DE102007037650A1; KR20080054114A; CN101202336A; CN101202336B; US8882859B2; JP5187811B2; US20080134496A1; JP2008147157A; KR100901568B1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Metallseparators für eine Brennstoffzelle, umfassend: Formpressen einer ersten und einer zweiten Platte dergestalt, dass die erste Platte mindestens einen konkaven Abschnitt und die zweite Platte mindestens einen konvexen Abschnitt aufweist, Aufbringen eines Dichtmittels in einem Dichtabschnitt auf mindestens eine der Platten, wobei sich der Dichtabschnitt in einen Raum zwischen dem konkaven Abschnitt und dem konvexen Abschnitt erstreckt; Anordnen der Platten dergestalt, dass der konkave Abschnitt der ersten Platte dem konvexen Abschnitt der zweiten Platten gegenüberliegt, und Punktverschweißen der Platten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metallseperators für eine Brennstoffzelle.
Aus der DE 102 21 951 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Metallseperators für einen Brennstoffzelle bekannt, wobei zwei gewellte Seperatorplatten derart miteinander verschweißt werden, dass dazwischen tunnelartige Hohlräume gebildet sind.
Die JP 2016-114444 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Metallseperators für eine Brennstoffzelle, wobei im Randbereich zweier miteinander verbundener Seperatorplatten ein kanalförmiger Dichtabschnitt vorgesehen ist.
Ein kleinformatiger Brennstoffzellenstapel kann in tragbaren elektronischen Geräten, wie zum Beispiel Mobiltelefonen, Sprechfunkgeräten und Notebookcomputern, eine angemessene alternative Stromquelle darstellen, die Batterien bzw. Akkumulatoren ersetzt. Brennstoffzellenstapel sind nicht nur frei von umweltschädlichen Substanzen, sondern bieten auch mehr Benutzungskomfort, weil sie nicht wiederaufgeladen werden müssen.
Um einen Brennstoffzellenstapel herzustellen, werden Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) schichtweise mit dazwischenliegenden Separatoren aufeinandergestapelt. Die Separatoren führen den MEA gleichmäßig Wasserstoff und Sauerstoff zu und schalten die MEA elektrisch in Reihe.
Die Separatoren werden in der Regel aus Graphit hergestellt. Der Kosten- und Zeitaufwand für die Bearbeitung von Graphit ist jedoch hoch.
Neuerdings werden auch Metallseparatoren benutzt. Ein Metallseparator weist Strömungswege zum Zuführen von Wasserstoff, Sauerstoff und Kühlmittel auf und dient als Auflage für die MEA. Falls keine Luftdichtigkeit aufrechterhalten wird, kann das Kühlmittel austreten und die MEA kontaminieren, wodurch die kontaminierte Zelle nutzlos wird. Außerdem besteht Feuergefahr, falls Wasserstoff austritt.
Um die Luftdichtigkeit aufrechtzuerhalten, wird in beide Enden der oberen und unteren Platte eine Gummidichtung eingesetzt, wodurch die Luftdichtigkeit des Metallseparators aufrechterhalten und die obere und die untere Platte unter Ausnutzung einer Haftkraft der Gummidichtung miteinander verbunden werden. Die Platten werden manuell abgedichtet und verbunden.
Die in diesem Abschnitt „Hintergrund der Erfindung” offengelegten Informationen dienen lediglich dem besseren Verständnis des Hintergrundes der Erfindung und sollen nicht als Anerkennung dessen oder als irgendeine Art von Andeutung dafür aufgefasst werden, dass diese Informationen den Stand der Technik darstellen, der dem Fachmann bereits bekannt ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zum Herstellen eines Metallseparators für eine Brennstoffzelle ist in Anspruch 1 angegeben.
Der Dichtabschnitt kann sich nahe an einem Rand des Separators, zwischen einem Wasserstoffkanal, einem Sauerstoffkanal und einem Kühlmittelkanal, befinden. Ferner kann an dem Dichtabschnitt eine Rille zum Verhindern des Austretens von Dichtmittel geschaffen werden. Der Dichtabschnitt wird hergestellt, indem er zwischen einen Vorsprung auf einem ersten Formwerkzeug und eine Vertiefung auf einem zweiten Formwerkzeug eingebracht wird, und durch eine Führungsöffnung in einem der Formwerkzeuge kann eine Punktschweißpistole eingeführt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand bestimmter Ausführungsbeispiele davon beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen durch Punktschweißen verschweißten Metallseparator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 ist ein schematisches Diagramm, das punktverschweißte Abschnitte des Separators aus 1 zeigt,
3 ist eine entlang der Linie A-A in 2 genommene Schnittansicht, die verschweißte Abschnitte zum Aufrechterhalten der Luftdichtigkeit bei Kanälen (Verteiler-/Sammelkanälen) zeigt,
4 ist ein schematisches Diagramm, das die Gestalt eines oberen und eines unteren Formwerkzeugs sowie eines Separators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, und
5 ist eine Schnittansicht, die einen Punktschweißvorgang gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden anhand der beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung beschreiben. Die bevorzugten Ausführungsformen werden bereitgestellt, damit der Fachmann die vorliegende Erfindung hinreichend gut verstehen kann, aber sie können auf verschiedene Arten modifiziert werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen beschränkt.
Ein Verfahren zum Formpressen eines Metallseparators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst folgende Schritte: Zuschneiden zweier Platten, Verbiegen der resultierenden Platten unter Verwendung einer Pressmaschine (eines Formwerkzeuges) und Platzieren einer ersten der Platten 10 auf einer zweiten der Platten 11 dergestalt, dass bei dem Schritt des Verbiegens ausgebildete konkave Abschnitte jeder Platte konvexen Abschnitten der jeweils anderen Platte zugewandt sind.
Genauer weist die erste Platte 10 im Zickzack verlaufende konkave und konvexe Abschnitte auf, wie etwa die gezeigten trapezförmigen Abschnitte. Die zweite Platte 11 hat dieselbe Gestalt wie die erste Platte 10. Die zweite Platte 11 wird um 180 Grad gewendet, so dass ihre konkaven bzw. konvexen Abschnitte angrenzend an die entsprechenden konvexen bzw. konkaven Abschnitte der ersten Platte 10 zu liegen kommen. Die beiden Platten 10 und 11 werden dann miteinander verbunden, wodurch sechseckige Strömungswege für Kühlmittel 12 geschaffen werden. Zwischen den Strömungswegen für Kühlmittel 12 werden außerdem ein Strömungsweg für Wasserstoff 13 der ersten Platte 10 und ein Strömungsweg für Sauerstoff 14 der zweiten Platte 11 gebildet.
Ein Paar Separatoren 18, von denen jeder aus einer ersten Platte 10 und einer zweiten Platte 11 hergestellt worden ist, werden durch Dazwischenlegen einer MEA 16 gestapelt. Einer Sauerstoffelektrode auf dem oberen Teil der MEA 16 wird Sauerstoff zugeführt, und einer Wasserstoffelektrode auf dem unteren Teil der MEA 16 wird Wasserstoff zugeführt.
Es wird auf 4 Bezug genommen. Um die Luftdichtigkeit des Separators 18 zu gewährleisten, werden die erste Platte 10 und die zweite Platte 11 einander überlappend platziert, um unter Verwendung eines oberen und eines unteren Formwerkzeugs 26 und 27 in eine konkav-konvexe Gestalt formgepresst zu werden.
Das untere Ende des oberen Formwerkzeugs 26 ist mit einem trapezförmigen Vorsprung versehen, und das obere Ende des unteren Formwerkzeugs 27 ist mit einer Vertiefung versehen, deren Gestalt der Gestalt des Vorsprungs entspricht. Dementsprechend wird, wenn beide Enden der ersten Platte 10 und der zweiten Platte 11, die einander überlappend zwischen dem Vorsprung und der Vertiefung platziert werden, unter Druck gesetzt werden, ein trapezförmiger Dichtabschnitt 17 ausgebildet.
Eine Verbindung 15, wie beispielsweise ein viskoses Flüssigdichtmittel, wird automatisch zwischen dem Dichtabschnitt 17 und einer Rille 25 zum Verhindern des Austretens der Verbindung aufgebracht.
Die erste Platte 10 und die zweite Platte 11 werden auf beiden Seiten der Rillen 25 punktverschweißt. Das Punktverschweißen erfolgt in regelmäßigen Intervallen auf einer Seite des Separators 18 in Richtung von einem Verteilerkanal zu einem Sammelkanal und auf der anderen Seite des Separators 18 in Richtung von einem Sammelkanal zu einem Verteilerkanal.
Durch Führungsöffnungen 23 in dem oberen Formwerkzeug 26 werden Mikropunktschweißpistolen 24 eingeführt, um den Dichtabschnitt 17 der ersten Platte 10 und der zweiten Platte 11 zu verschweißen. Das untere Formwerkzeug 27 weist für das Punktschweißen eine Elektrodenfunktion auf.
Bei dem Punktschweißvorgang wird ein metallisches Material zwischen die Elektroden eingebracht und ein Kontaktabschnitt, an den gleichzeitig ein elektrischer Strom angelegt wird, unter Druck gesetzt, wodurch der unter Druck gesetzte Abschnitt durch die am Kontaktabschnitt generierte Widerstandswärme geschmolzen wird. Dementsprechend sind in den Formwerkzeugen 26 und 27 mehrere Strömungswege 28 für Kühlmittel zum Kühlen der auf das obere und untere Formwerkzeug 26 und 27 übertragenen Wärme bereitgestellt.
Darüber hinaus ist es möglich, die Luftdichtheit für jeden einzelnen Kanal dadurch aufrechtzuerhalten, dass das Aufbringen der Verbindung 15 und das Punktschweißen zwischen einem Wasserstoffkanal 22, einem Kühlmittelkanal 21 und einem Sauerstoffkanal 20 erfolgen.
Mit der oben beschriebenen Konfiguration ist es möglich, das Aufbringen der Verbindung 15 und das Punktschweißen zum Aufrechterhalten der Luftdichtigkeit für die jeweiligen Ränder und Kanäle des Separators 17 zu automatisieren und dadurch die Massenproduktion zu erleichtern. Da darüber hinaus das obere und das untere Formwerkzeug in derselben trapezförmigen Gestalt hergestellt werden wie der Separator und der Punktschweißvorgang aus symmetrischer Position heraus sequentiell und simultan erfolgt, ist es außerdem möglich, durch den Formpressvorgang die Steife des Separators zu steigern, thermische Verformungen zu minimieren und für Rückfederungskompensation zu sorgen.
Überdies ist es möglich, durch den Punktschweißvorgang die in dem Separator 18 ausgebildeten Strömungswege für Kühlmittel 12 zu fixieren, durch Modifikation des Formwerkzeuges Kompensation bereitzustellen und den Stapelvorgang durch Erhöhen der Steife des Separators 18 zu erleichtern.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Metallseparators für eine Brennstoffzelle, umfassend: Formpressen einer ersten und einer zweiten Platte dergestalt, dass die erste Platte mindestens einen konkaven Abschnitt und die zweite Platte mindestens einen konvexen Abschnitt aufweist, Aufbringen eines Dichtmittels in einem Dichtabschnitt auf mindestens eine der Platten, wobei sich der Dichtabschnitt in einen Raum zwischen dem konkaven Abschnitt und dem konvexen Abschnitt erstreckt; Anordnen der Platten dergestalt, dass der konkave Abschnitt der ersten Platte dem konvexen Abschnitt der zweiten Platten gegenüberliegt, und Punktverschweißen der Platten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Platte und die zweite Platte an den Seiten des Dichtabschnitts durch das Punktverschweißen befestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich der Dichtabschnitt nahe bei einem Rand des Metallseparators befindet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Dichtabschnitt zwischen einem Wasserstoffkanal, einem Sauerstoffkanal und einem Kühlmittelkanal angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Rille zum Verhindern des Austretens von Dichtmaterial am Dichtabschnitt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei durch eine Führungsöffnung in einem der Formwerkzeuge eine Punktschweißpistole zum Punktverschweißen eingeführt wird.