DE102009036039A1 - Multi-layer bipolar plate for use in e.g. fuel cell system, has contact points arranged such that contact points rest on both sides of line, which enters into plane between lift/recess of layer and lift/recess of another layer - Google Patents
Multi-layer bipolar plate for use in e.g. fuel cell system, has contact points arranged such that contact points rest on both sides of line, which enters into plane between lift/recess of layer and lift/recess of another layer Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The The present invention relates to a bipolar plate and a method for their production.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte ist in einem elektrochemischen System, beispielsweise einem Brennstoffzellensystem oder einem Elektrolyseur anwendbar. Es sind mehrere Arten elektrochemischer Systeme bekannt, bei denen ein elektrochemischer Zellstapel mit einer Schichtung von mehreren elektrochemischen Zellen, welche jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind, aufgebaut ist. Die Bipolarplatten haben mehrere Aufgaben:
- – Elektrische Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen und Weiterleitung des Stroms zur benachbarten Zelle (Serienschaltung der Zellen),
- – Versorgung der Zellen mit Reaktanden wie z. B. Wasser oder Gase und z. B. Abtransport des erzeugten Reaktionsgases über eine entsprechende Verteilerstruktur,
- – Weiterleiten der bei der Erzeugung in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme, sowie
- – Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle des sog. Flowfields gegeneinander und nach außen.
- - Electrical contacting of the electrodes of the individual electrochemical cells and forwarding of the current to the adjacent cell (series connection of the cells),
- - Supplying the cells with reactants such. As water or gases and z. B. removal of the generated reaction gas via a corresponding distributor structure,
- - Forwarding of the resulting in the generation in the electrochemical cell waste heat, as well
- - Sealing the various media or cooling channels of the so-called. Flowfield against each other and to the outside.
Für die beabsichtigte großindustrielle Anwendung ist es von hoher Wichtigkeit, große Stückzahlen von Bipolarplatten mit einer hohen Qualität zu niedrigen Kosten bereitzustellen. Hierbei ist die Einhaltung von engen Maßtoleranzen von größter Wichtigkeit, da es sonst zu funktions- bzw. sogar sicherheitsrelevanten Fehlfunktionen kommen kann. Dies ist insbesondere bei geschweißten mehrlagigen Bipolarplatten essentiell.For the intended large industrial Application is of high importance, large numbers of bipolar plates with a high quality at low cost. Here is the compliance of tight dimensional tolerances of the utmost importance, otherwise there will be functional or even safety-related malfunctions can come. This is especially true for welded multilayer bipolar plates essential.
Bisher werden zur Sicherstellung einer genauen Positionierung der Lagen zueinander Positionierlöcher verwendet. Werden diese Positionierlöcher, die die genaue Positionierung der mindestens zwei Bipolarplattenlagen zueinander sicherstellen, gleichzeitig mit den übrigen Durchgangsöffnungen sowie dem Beschnitt der Außenkanten der Bipolarplattenlagen eingebracht, hat sich in der Praxis gezeigt, dass die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Positionierung der Lagen zueinander ungenügend ist. Insbesondere kommt es dabei zum Versatz der Kanalgeometrien der Lagen. Bei extremen Versatz wird dann beim Verbinden der Lagen der Bipolarplatte an Stellen geschweißt, an denen die Bipolarplattenlagen nicht aufeinander liegen, so dass es zu Durchbrennungen kommen kann.So far to ensure accurate positioning of the layers to each other positioning holes used. Will these positioning holes, the exact positioning the at least two Bipolarplattenlagen ensure each other, at the same time with the rest Through holes as well the trimming of the outer edges introduced the bipolar plate layers, has been shown in practice, that the accuracy and reproducibility of the positioning of the Layers insufficient to each other is. In particular, this leads to the offset of the channel geometries the layers. At extreme offset then becomes when connecting the layers the bipolar plate welded at locations where the bipolar plate layers do not lie on top of each other so that burns can occur.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer mehrlagige Bipolarplatte sowie eine mehrlagige Bipolarplatte bereitzustellen, mit dem großindustriell mehrlagige Bipolarplatten in hoher Qualität zu geringen Kosten zur Verfügung gestellt werden können.It is therefore the object of the present invention, a method for producing a multilayer bipolar plate and a multilayer Bipolarplatte provide, with the large industrial multi-layer bipolar plates in high quality at low cost available can be made.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.These Task is governed by the objects of independent claims solved.
Eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer mehrlagigen Bipolarplatte sieht vor, dass in mindestens zwei Lagen jeweils mindestens eine erste und eine zweite Erhebung/Vertiefung eingeformt werden und die Lagen aufeinander positioniert werden. Im vollständig positionierten Zustand der Lagen greifen die erste Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die erste Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage ineinander und berühren sich in einer Ebene E1 formschlüssig (erste Kontaktstelle). Gleichzeitig greifen die zweite Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die zweite Erhebung/Vertiefung der zweite Lage im vollständig positionierten Zustand der Lagen ineinander und berühren sich in einer Ebene E2 nur abschnittsweise in mindestens zwei Abschnitten (zweite Kontaktstelle). Diese Berührungsstellen sind so angeordnet, dass sie auf beiden Seiten einer virtuellen Gerade, die in Hauptrichtung der Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage entlang der längsten Erstreckung dieser Erhebung/Vertiefung in der zweiten Lage verläuft, angeordnet sind. Zwischen der zweiten Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und der zweiten Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage kommt es in der Ebene E2 nicht zum Formschluss. Die mindestens zwei Lagen werden mittels stoffschlüssiger Verfahren miteinander gefügt, dabei werden die Erhebungen/Vertiefungen mindestens einer Lage in komplementären Erhebungen/Vertiefungen einer Fixiervorrichtung gehalten.A first embodiment a method of manufacturing a multilayer bipolar plate suggest that in at least two layers each at least a first and a second survey / depression are formed and the layers be positioned on each other. In the fully positioned state The layers pick up the first elevation / depression of the first layer and the first survey / deepening of the second layer into each other and touch form fit in a plane E1 (first contact point). At the same time, the second survey / depression will take effect the first layer and the second layer / recess the second layer im completely positioned state of the layers into each other and touch each other in a plane E2 only in sections in at least two sections (second contact point). These points of contact are arranged that they are on both sides of a virtual line that is in the main direction the elevation / depression of the second layer along the longest extent this elevation / depression in the second layer runs arranged are. Between the second survey / deepening of the first situation and the second survey / deepening of the second situation occurs in the Level E2 not positive fit. The at least two layers are using material-fit Procedures joined together, here the surveys / depressions of at least one position are in complementary surveys / depressions held a fixing device.
Diese Anordnung hat zur Folge, dass im vollständig positionierten Zustand, d. h. der Anordnung unmittelbar vor dem Fügen der Lagen, keinerlei Ausgleichsbewegung zwischen den Lagen in Richtung einer virtuellen Gerade durch die beiden Berührstellen mehr möglich ist. Hingegen ist eine Ausgleichsbewegung zwischen den Lagen in Richtung senkrecht zu dieser virtuellen Gerade im Rahmen der Größenverhältnisse der beiden zweiten Erhebungen/Vertiefungen zueinander sehr wohl möglich.These Arrangement has the consequence that in the fully positioned state, d. H. the arrangement immediately before the joining of the layers, no compensation movement between the layers in the direction of a virtual straight line through the two contact points more is possible is. On the other hand, a compensation movement between the layers in Direction perpendicular to this virtual line within the scope of the proportions the two second surveys / wells to each other very well possible.
Bevorzugt werden im gleichen Verfahrensschritt mit den Erhebungen/Vertiefungen die Kanalstrukturen in die mindestens zwei Lagen eingeformt. Die Orientierung der Kanalstruktur ist dabei üblicherweise so, dass ihre Hauptrichtung parallel zu der Richtung verläuft, in der die Erhebungen/Vertiefungen einen begrenzten Ausgleich zwischen den Lagen der Platte zulassen. Der Abstand der jeweils zweiten Erhebung/Vertiefung für beide Lagen zur jeweiligen Kanalstruktur wird dabei vor dem Umformen festgelegt. Dies erlaubt es, einen Versatz der Kanäle zwischen den zueinandergehörigen Lagen senkrecht zu ihrer Hauptrichtung von vornherein reproduzierbar zu vermeiden.Preferably, in the same method step with the elevations / depressions, the channel structures are formed in the at least two layers. The orientation of the channel structure is usually such that its main direction is parallel to the direction in which the elevations / depressions allow a limited balance between the layers of the plate. The distance of the respective second elevation / depression for both layers to the respective channel structure is determined before forming. This makes it possible to reproduce a displacement of the channels between the mutually associated layers perpendicular to their main direction from the outset to avoid.
Der Begriff Erhebung/Vertiefung wird im Kontext dieser Erfindung für einen Abschnitt einer Lage einer Bipolarplatte verwendet, der aus der Ebene der jeweiligen Lage herausragt. Je nach Betrachtungsrichtung kann es sich dabei um eine Erhebung oder eine Vertiefung handeln. Der ergänzende Begriff Vertiefung/Erhebung betont die zur Erhebung/Vertiefung entgegengesetzte Richtung.Of the Term elevation / depression is used in the context of this invention for a Section of a layer of a bipolar plate used from the Level of the particular situation stands out. Depending on the viewing direction it can be a survey or a depression. The supplementary Term deepening / elevation emphasizes the opposite to the survey / depression Direction.
Eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer mehrlagige Bipolarplatte sieht vor, dass in mindestens zwei Lagen jeweils mindestens eine erste, eine zweite und eine dritte Erhebung/Vertiefung eingeformt werden, und die Lagen aufeinander positioniert werden. Im vollständig positionierten Zustand greifen jeweils die erste Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die erste Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage (erste Kontaktstelle), die zweite Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die zweite Erhebung/Vertiefung der zweite Lage (zweite Kontaktstelle) sowie die dritte Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die dritte Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage (dritte Kontaktstelle) ineinander und berühren sich dabei in Ebenen E2, E3 und E4 jeweils nur abschnittsweise in mindestens zwei Abschnitten ohne dass es zu einem Formschluss zwischen den ineinander greifenden Erhebungen/Vertiefungen der ersten und zweiten Lage käme. Die Berührungsstellen sind so angeordnet, dass sie in der Ebene E2, E3 bzw. E4 auf beiden Seiten einer virtuellen Gerade, die in Hauptrichtung der jeweiligen zweiten Erhebung/Vertiefung in der zweiten Lage verläuft, liegen. Diese virtuellen Geraden durch die erste bzw. zweite Kontaktstelle verlaufen zueinander im Wesentlichen parallel. „Im wesentlichen parallel” bedeutet im Rahmen dieser Erfindung unter einem Winkel von –10° bis 10°. Die virtuelle Gerade durch die dritte Kontaktstelle verläuft im Wesentlichen senkrecht zu den beiden vorgenannten virtuellen Geraden. Im Rahmen dieser Erfindung wird „im wesentlichen senkrecht” als ein Winkel von 80° bis 100° definiert.A second embodiment a method for producing a multilayer bipolar plate sees in that in at least two layers at least one first, a second and a third survey / depression are formed, and the layers are positioned one on top of the other. In the fully positioned State grab each the first survey / depression of the first Situation and the first survey / deepening of the second situation (first contact point), the second survey / deepening of the first situation and the second survey / depression the second location (second contact point) and the third elevation / depression the first situation and the third survey / depression of the second situation (third contact point) into each other and touch each other in levels E2, E3 and E4 only in sections in at least two sections without it to a positive connection between the interlocking Elevations / depressions of the first and second position would come. The contact points are arranged so that they are in the plane E2, E3 and E4 on both Sides of a virtual line, the main direction of the respective second Elevation / depression in the second layer is, lie. This virtual Straight lines through the first and second contact points extend in relation to each other Essentially parallel. "In the essentially parallel "means in the context of this invention at an angle of -10 ° to 10 °. The virtual Straight through the third contact point is substantially perpendicular to the two aforementioned virtual lines. In the context of this Invention is "im essentially vertical "as an angle of 80 ° 100 ° defined.
Die mindestens zwei Lagen werden mittels stoffschlüssiger Verfahren miteinander gefügt, dabei werden die Erhebungen/Vertiefungen mindestens einer Lage in komplementären Erhebungen/Vertiefungen einer Fixiervorrichtung gehalten und so die exakte Positionierung der Lagen zueinander gewährleistet.The at least two layers are interconnected by means of cohesive methods together, In doing so, the elevations / depressions of at least one position in complementary Elevations / depressions of a fixing device held and so ensures the exact positioning of the layers to each other.
Dies hat zur Folge, dass die begrenzte Beweglichkeit durch die beiden Kontaktstellen mit im wesentlichen paralleler Ausrichtung der genannten virtuellen Geraden gleichmäßiger auf die gesamte Plattenfläche verteilt wird. Insbesondere bei mittiger Anordnung der Kontaktstelle mit hierzu im wesentlichen senkrechter virtueller Gerade erfolgt bei der Positionierung der Lagen zueinander der Ausgleich der Formtoleranzen beider Lagen zueinander zu beiden Seiten dieser Kontaktstelle. Bei fertigungsbedingten Relativbewegungen der einzelnen Lagen zueinander ist dadurch eine ausreichende Freiheit gewahrt, wobei die Position der Lagen zueinander weiterhin genau bestimmt bleibt. Diese Lösung zeigt ihre Vorteile vor allem bei Bipolarplatten mit nahezu quadratischer Kanalstruktur.This As a result, limited mobility through the two Contact points with a substantially parallel orientation of said virtual Straight line more evenly the entire plate surface is distributed. Especially with central arrangement of the contact point with this substantially vertical virtual line in the positioning of the layers to each other, the compensation of the shape tolerances both layers to each other on both sides of this contact point. at Production-related relative movements of the individual layers to each other thereby maintaining sufficient freedom, the position of the Layers to each other continue to be determined exactly. This solution shows its advantages especially with bipolar plates with almost square channel structure.
Auch hier werden die Erhebungen/Vertiefungen bevorzugt im gleichen Verfahrensschritt mit den Kanalstrukturen eingeformt, um definierte Abstände zwischen den Kanalstrukturen und den Kontaktstellen in beiden Lagen sicherzustellen.Also Here, the elevations / depressions are preferably in the same process step molded with the channel structures to defined distances between ensure the channel structures and the contact points in both layers.
Bei beiden Ausführungsformen ist es im Hinblick auf eine optimale Positionierung vor dem Fügen der Lagen bevorzugt, wenn zumindest eine Erhebung/Vertiefung eine Durchgangsöffnung aufweist, durch die ein Zentrierbolzen der Fixiervorrichtung durchgreifen kann.at both embodiments It is with regard to an optimal positioning before joining the Layers preferably, if at least one elevation / depression has a passage opening through which can pass through a centering of the fixing device.
Als Verfahren zum Fügen der Lagen miteinander werden bevorzugt Kleben oder Schweißen, insbesondere Laserstrahlschweißen verwendet. Die Bipolarplatten bzw. ihre Lagen sind bevorzugt aus Metall, insbesondere aus Stahl, so dass eine Formgebung mittels Hohlprägen, Tiefziehen, Hydroforming, adiabatischem Umformen (Schmieden, Hochenergieumformen) oder Rollprägen bevorzugt ist.When Method of joining the layers together are preferably glued or welded, in particular laser welding used. The bipolar plates or their layers are preferably made of metal, in particular of steel, so that a shaping by means of hollow embossing, thermoforming, Hydroforming, adiabatic forming (forging, high energy forming) or roll embossing is preferred.
Die Ebenen E1 und E2 bzw. E2, E3 und E4 sind vorzugsweise zur Stapelrichtung eines Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen senkrecht liegende Ebenen auf Höhe der Berührung zwischen den beiden Lagen. Diese Ebenen E1 und E2 bzw. E2, E3 und E4 erstrecken sich parallel zur Ebene E der Bipolarplatte, die abgesehen von den für ihre Funktion notwendigen Prägungen in der Regel flach ist; die Ebene E erstreckt sich mittig zwischen den beiden Außenlagen der Bipolarplatte. Die Ebenen E1 und E2 einerseits und E2, E3 und E4 andererseits sind untereinander somit parallel – nämlich wenn die Berührung an den verschiedenen Kontaktstellen leicht versetzt eintritt, – sie können jedoch auch identisch sein – nämlich wenn kein solcher Versatz eintritt.The Layers E1 and E2 or E2, E3 and E4 are preferably to the stacking direction a fuel cell stack substantially perpendicular Levels at height the touch between the two layers. These levels E1 and E2 or E2, E3 and E4 extend parallel to the plane E of the bipolar plate, apart from the for their function necessary imprints usually flat; the plane E extends in the middle between the two outer layers the bipolar plate. The levels E1 and E2 on the one hand and E2, E3 and E4, on the other hand, are thus parallel to one another - namely the touch slightly offset at the various contact points, but they can also be identical - namely if no such offset occurs.
Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte sieht vor, dass diese mindestens zwei Lagen enthält, wobei mindestens zwei Lagen jeweils mindestens eine erste und eine zweite Erhebung/Vertiefung enthalten, wobei die erste Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die erste Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage im vollständig positionierten Zustand der Lagen ineinander greifen und sich in einer Ebene E1 formschlüssig berühren (erste Kontaktstelle). Die zweite Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die zweite Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage berühren sich allerdings nur abschnittsweise in der Ebene E2, nämlich längs mindestens zweier kurzer, in manchen Fällen nur punktförmiger, Abschnitte (zweite Kontaktstelle), die auf beiden Seiten einer virtuellen Gerade in Haupterstreckungsrichtung der zweiten Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage liegen. Der abschnittsweise Kontakt zwischen den ineinander greifenden zweiten Erhebungen/Vertiefungen der ersten und zweiten Lage bewirkt im Bereich der zweiten Kontaktstelle jedoch keinen Formschluss in der Ebene E2. In Richtung der genannten virtuellen Gerade ist hierdurch parallel zur Ebene E2 ein räumlich sehr begrenzter translatorischer Toleranzausgleich möglich. Eine Rotation ist hingegen durch das Zusammenwirken der beiden Kontaktstellen nicht möglich.A first embodiment of a bipolar plate according to the invention provides that it contains at least two layers, wherein at least two layers each contain at least a first and a second elevation / depression, wherein the first elevation / depression of the first layer and the first elevation / depression of the second layer in the fully positioned state of the layers interlock and touch each other in a positive manner in a plane E1 (first contact point). However, the second survey / deepening of the first situation and the second survey / deepening of the second situation are only touching Sectionally in the plane E2, namely along at least two short, in some cases only punctiform, sections (second contact point), which lie on both sides of a virtual straight line in the main extension direction of the second survey / recess of the second layer. However, the section-wise contact between the interlocking second elevations / depressions of the first and second layer does not cause a positive connection in the plane E2 in the region of the second contact point. In the direction of said virtual straight line, a spatially very limited translational tolerance compensation is possible parallel to the plane E2. A rotation, however, is not possible by the interaction of the two contact points.
Hierdurch wird eine genaue Positionierung beider Lagen zueinander erreicht, wobei zum Toleranzausgleich noch eine eingeschränkte Bewegung zwischen den Lagen möglich ist, nämlich in Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer virtuellen Gerade durch beide Berührungsstellen der zweiten Kontaktstelle.hereby an exact positioning of both layers is achieved, wherein for tolerance compensation still a limited movement between the Layers possible is, namely in the direction substantially perpendicular to a virtual straight line both points of contact the second contact point.
Bei den Bipolarplatten ist zu beachten, dass diese in der Regel Kanalstrukturen aufweisen, die sowohl an den äußeren Flächen der Bipolarplatte zum Führen von Betriebsmedien geeignet sind (beispielsweise molekularem Wasserstoff einerseits und Luft/Sauerstoff andererseits) als auch dem gezielten Führen eines Kühlmittels dienen. Die Kanalstrukturen zweier benachbarter, aufeinander positionierter Bipolarplattenlagen ergeben auf ihrer einander zugewandten Seite ein Flowfield, üblicherweise für Kühlmedien. Ebenso wird auf der von dieser Kanalstruktur abgewandten Seite der Lage, also auf der jeweils anderen Seite der jeweiligen Bipolarplattenlage ein Flowfield gebildet, üblicherweise für die Verteilung der Reaktanden und zum Abführen der Reaktionsprodukte. Bei metallischen Bipolarplatten sind die Strukturen auf den beiden Seiten einer Lage üblicherweise komplementär, d. h. eine Erhebung auf der Oberseite hat eine Vertiefung auf der Unterseite zur Folge. Neben parallelen und/oder serpentinenartig angeordneten kontinuierlichen Kanalstrukturen sind auch solche Verteilerstrukturen möglich, die einen Übertritt zwischen virtuellen parallelen Strömungslinien ermöglichen, sie werden hier im folgenden ebenfalls als Kanalstrukturen bezeichnet.at The bipolar plates should be noted that these are usually channel structures have on both the outer surfaces of the Bipolar plate for guiding of operating media (for example, molecular hydrogen on the one hand and air / oxygen on the other) as well as the targeted guiding of a refrigerant serve. The channel structures of two adjacent, mutually positioned bipolar plate layers give on its side facing a flowfield, usually for cooling media. Likewise, on the side facing away from this channel structure of the Location, ie on the other side of the respective bipolar plate layer a flowfield formed, usually for the Distribution of the reactants and removal of the reaction products. For metallic bipolar plates, the structures are on the two Pages of a layer usually complementary, d. H. a survey on the top has a depression on the Bottom to the episode. In addition to parallel and / or serpentine arranged continuous channel structures are also such distribution structures possible, the one crossing between virtual parallel flow lines, they are also referred to as channel structures hereinafter.
Die Positionierung der Lagen mittels Positionierprägungen in Form von Erhebungen/Vertiefungen bietet sich insbesondere bei metallischen Bipolarplatten an, deren Lagen umformbedingt Formtoleranzen aufweisen können. Das gleichzeitige Einformen der Kanalstrukturen und der Erhebungen/Vertiefungen sorgt dafür, dass der Abstand zwischen diesen Strukturen immer konstant bleibt. Mit der Erfindung wird somit insbesondere der Versatz der Einzellagen einer Bipolarplatte zueinander minimiert und eine genaue Positionierung der vorzugsweise geprägten Strukturen der einzelnen Lagen, insbesondere auch beim Fügen in einer Schweißvorrichtung (beispielsweise einer Laserschweißvorrichtung) ermöglicht. Vorteile sind, dass besser und schneller geschweißt werden kann, weniger Ausschuss beim Schweißen und anderen Prozessen durch die genaue Positionierung entsteht. Die Toleranz des Zuschnitts kann somit auch vergrößert werden. Dies führt zu einer Kostenverminderung, ohne dass hierdurch die Qualität negativ beeinflusst wird, insbesondere wenn einfachere Zuschnittmethoden (z. B. Stanzen) verwendet werden.The Positioning of the layers by means of positioning embossments in the form of elevations / depressions is particularly suitable for metallic bipolar plates whose Layers deforming may have shape tolerances. Simultaneous molding the channel structures and the elevations / depressions ensures that the distance between these structures always remains constant. With The invention thus in particular the offset of the individual layers a bipolar plate minimized to one another and accurate positioning preferably embossed Structures of the individual layers, especially when joining in one Welding device (for example a laser welding device) allows. Advantages are that they are welded better and faster can, less waste during welding and other processes through the exact positioning arises. The tolerance of the blank can thus be enlarged. this leads to at a cost reduction, without thereby the quality negative is affected, especially when simpler cutting methods (eg punching) can be used.
Um ein ”Aufblähen” der mehrlagigen Bipolarplatte zu verhindern, ist ein Schweißen, vorzugsweise Laserschweißen zumindest der beiden äußeren Lagen der Bipolarplatte miteinander sinnvoll. Hierbei ist allerdings wiederum zu beachten, dass bei der filigranen Kanalstruktur die richtigen Abschnitte miteinander verschweißt werden. Dies ist besonders wichtig, da hierdurch die Dichtigkeit sowie der geregelte Fluss von Kühlmedien gewährleistet sind. Es wird also nochmals betont, dass das Verschweißen der Lagen zur Bipolarplatte für die vorliegende Erfindung nicht ausschließlich an der äußeren Peripherie erfolgen muss, sondern auch im ”Binnenbereich” zwischen unterschiedlichen Kanalstrukturen erfolgt, und dass gerade hier höchste Präzision notwendig ist.Around a "puffing" of the multilayered To prevent bipolar plate is a welding, preferably laser welding at least the two outer layers the bipolar plate together meaningful. However, this is again to note that in the filigree canal structure the right Sections are welded together. This is special important, because of the tightness and the regulated flow of cooling media guaranteed are. It is thus again emphasized that the welding of the layers to the bipolar plate for the present invention is not exclusive to the outer periphery but also in the "internal area" between different channel structures takes place, and that right here highest precision necessary is.
Eine weitere Alternative der Erfindung sieht vor, dass diese mindestens zwei Lagen enthält, wobei mindestens zwei Lagen jeweils mindestens eine erste, eine zweite und eine dritte Erhebung/Vertiefung enthalten und die erste Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die erste Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage (erste Kontaktstelle), die zweite Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die zweite Erhebung/Vertiefung der zweite Lage (zweite Kontaktstelle) sowie die dritte Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die dritte Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage (dritte Kontaktstelle) im vollständig positionierten Zustand der Lagen ineinander greifen und sich in den Ebenen E2, E3 und E4 jeweils nur abschnittsweise in mindestens zwei Abschnitten berühren. Beide Berührstellen einer Kontaktstelle liegen in der Ebene E2, E3 bzw. E4 auf beiden Seiten einer virtuellen Gerade, die in Hauptrichtung der jeweiligen Erhebung/Vertiefung in der zweiten Lage verläuft. Diese virtuelle Geraden durch die erste bzw. zweite Kontaktstelle verlaufen zueinander im wesentlichen parallel, während die virtuelle Gerade durch die dritte Kontaktstelle im wesentlichen senkrecht zu den beiden vorgenannten virtuellen Geraden verläuft.A Another alternative of the invention provides that these at least contains two layers, wherein at least two layers each have at least one first, one second and third survey / immersion included and the first Survey / deepening of the first situation and the first survey / depression the second layer (first contact point), the second point / depression the first layer and the second layer / recess the second layer (second contact point) and the third survey / recess of the first situation and the third survey / deepening of the second situation (third contact point) in full Positioned state of the layers interlock and get into the Layers E2, E3 and E4 only in sections in at least two Touch sections. Both contact points a contact point lie in the plane E2, E3 and E4 on both Pages of a virtual line that are in the main direction of each Elevation / depression in the second layer runs. This virtual line through the first and second contact point to each other in the essentially parallel while the virtual line through the third contact point essentially perpendicular to the two aforementioned virtual lines.
Im Folgenden werden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beispielhaft geschildert.in the Following are developments of the bipolar plate according to the invention exemplified.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Erhebungen/Vertiefungen der ersten Lage zu den Erhebungen/Vertiefungen der zweiten Lage selbstzentrierend ausgeführt sind. Hierdurch ist eine Ausrichtung, insbesondere in Höhenrichtung (Stapelrichtung eines Brennstoffzellenstapels) unnötig, da sich die Lagen selbst zueinander zentrieren.A further education provides that the Erhe tions / depressions of the first layer to the elevations / depressions of the second layer are designed self-centering. As a result, an alignment, especially in the height direction (stacking direction of a fuel cell stack) is unnecessary, since the layers themselves center each other.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die erste und/oder zweite Erhebung/Vertiefung der ersten und/oder zweiten Lage gelocht ist. Unterschiedlich große Lochgebung oder Lochgebung in nur einer Lage erlaubt zudem eine visuelle Kontrolle der korrekten Lagenzusammenfügung. Vorteilhafterweise sind die Erhebungen/Vertiefung zentrisch gelocht. Ganz besonders vorteilhaft ist, dass hier beide Vertiefungen bzw. Erhebungen gelocht sind. Generell ermöglichen die Löcher das Eingreifen eines Stifts einer Fixiervorrichtung.A Another advantageous embodiment provides that the first and / or second survey / depression of the first and / or second layer punched is. Different sizes Lochgebung or Lochgebung in only one layer also allows a Visual control of correct layer assembly. Advantageously the elevations / depression are centrically perforated. Especially advantageous is that here both depressions or elevations are perforated. Generally allow the holes the engagement of a pin of a fixing device.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die ineinander greifenden ersten Erhebungen/Vertiefungen der ersten und zweiten Lage jeweils kreisrund ausgeführt sind. Gleichzeitig ist vorgesehen, dass die zweite Erhebung/Vertiefung der ersten Lage kreisrund ist und die zweite Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage eine langlochförmige oder abgerundete vieleckige aber nicht kreisrunde Erhebung/Vertiefung ist.A Another advantageous embodiment provides that the one another gripping first surveys / recesses of the first and second Each location is circular are. At the same time it is envisaged that the second survey / recess the first layer is circular and the second elevation / depression the second layer is a slot-shaped or rounded polygonal but not circular elevation / depression is.
Insgesamt sind hier sämtliche, insbesondere im Prägeverfahren leicht herstellbare, Geometrien möglich, dabei sind aus Herstellungsgründen abgerundete Geometrien bevorzugt. Die Geometrie der Erhebung/Vertiefung und der Fixiervorrichtung werden aufeinander abgestimmt. Im Rahmen dieser Erfindung bedeutet der Begriff langlochförmig entsprechend oval, abgerundetvieleckig oder langlochförmig und schließt die Kreisform aus. Langlochförmig bezeichnet dabei ausschließlich die Form, es muss sich nicht um eine Öffnung handeln, sondern es handelt sich meist um Erhebungen bzw. Vertiefungen.All in all here are all, especially in the stamping process easy to produce, geometries possible, are rounded for manufacturing reasons Geometries preferred. The geometry of the survey / depression and the fixing device are matched. In the context of this Invention means the term slot-shaped corresponding oval, rounded polygonal or oblong and includes the circular shape. Shaped slot refers exclusively the form, it does not have to be an opening, but it are usually surveys or depressions.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mindestens eine der Lagen eine Kanalstruktur aufweist und die Längserstreckungsrichtung der zweiten Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage parallel zu der Kanalstruktur angeordnet ist. Hierdurch wird gesichert, dass bei einer z. B. wärmeausdehnungsbedingten oder auch herstellungsbedingten Relativbewegung beider Lagen immer gewährleistet ist, dass es zu einer ”Parallelverschiebung” entlang der miteinander zu fügenden Kanalbereiche kommt. Es kann somit sichergestellt werden, dass der ”tiefste Punkt” des Kanals bei beiden Lagen somit stets aufeinander liegt und selbst bei einem Verschieben der Lagen entlang des Toleranzquerschnitts immer die gewünschten Stellen beider Lagen miteinander in Kontakt sind. Dies ist insbesondere vorteilhaft beim Schweißen bzw. Laserschweißen, da es bei dieser Anordnung nicht zu einem Durchbrennen beim Schweißen kommt.A Another advantageous embodiment provides that at least one the layers has a channel structure and the longitudinal direction of the second elevation / depression of the second layer parallel to the channel structure is arranged. This ensures that at a z. B. thermal expansion or production-related relative movement of both layers always guaranteed is that there is a "parallel shift" along the one to be joined Channel areas comes. It can thus be ensured that the "deepest Point of "the Channel thus always lies on each other in both situations and even when shifting the layers along the tolerance cross section always the desired ones Positions of both layers are in contact with each other. This is special advantageous in welding or laser welding, since there is no burn through during welding in this arrangement.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Erhebungen/Vertiefungen der ersten Lage einen größeren oder kleineren Konuswinkel haben als der Konuswinkel der dazu komplementären Erhebungen/Vertiefungen der zweiten Lage. Hierdurch wird eine linienförmige, umlaufende Berührung zwischen den Erhebungen/Vertiefungen erreicht, so dass in diesen Bereichen eine möglichst hohe Flächenpressung auftritt. Dies wird weiter unterstützt, wenn die Erhebungen/Vertiefungen der einen Lage weniger tief sind als die Erhebungen/Vertiefungen der anderen Lage.A Another advantageous embodiment provides that the elevations / depressions the first location a larger or have smaller cone angle than the cone angle of the complementary elevations / depressions the second location. As a result, a linear, circumferential contact between reached the surveys / depressions, so that in these areas one possible high surface pressure occurs. This is further supported when the surveys / pits one position less deep than the elevations / depressions of the different location.
Im
Folgenden wird, mit etwas anderen Worten, eine besonders vorteilhafte
Ausführungsform
der Erfindung geschildert, die allerdings keinesfalls einschränkend zu
verstehend ist:
Um eine genaue Positionierung der Bipolarplatten zueinander
vorzunehmen, werden konische Prägungen – je nach
Betrachtungswinkel Erhebungen oder Vertiefungen – in die Lagen eingebracht.
Vorteilhaft ist, wenn z. B. die anodenseitige Bipolarplattenlage zwei
kreisrunde Prägungen
aufweist und die kathodenseitige Bipolarplattenlage genau eine kreisrunde und
eine langlochförmige
Prägung
aufweist. Dabei sollten diese Positionierprägungen so ausgeführt sein,
dass z. B. die anodenseitige Lage in die kathodenseitige Lage gesteckt
werden kann und über
den Konus der Prägungen
eine formschlüssige
Zentrierung der Lagen zueinander vorgenommen wird. Der Vorteil der
langlochförmigen
Positionierprägung
ist, dass das Plattensystem nicht überbestimmt ist und ein Toleranzausgleich
von anodeseitiger zu kathodenseitiger Bipolarplattenlage gegeben
ist. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die langlochförmige Positionierprägung parallel
zu dieser Hauptrichtung der Kanäle
des Flowfields verläuft.
Dadurch wird ein Versatz in y-Richtung und damit senkrecht zu den
Kanalstrukturen vermieden.In the following, in a somewhat different words, a particularly advantageous embodiment of the invention is described, which, however, is by no means to be understood as limiting:
To make an accurate positioning of the bipolar plates to each other, conical embossments - depending on the viewing angle elevations or depressions - introduced into the layers. It is advantageous if z. B. the anode-side bipolar plate layer has two circular imprints and the cathode-side bipolar plate layer has exactly a circular and a slot-like embossing. These positioning embossments should be designed so that z. B. the anode-side layer can be inserted into the cathode-side layer and on the cone of the embossing a positive centering of the layers is made to each other. The advantage of slot-shaped positioning embossing is that the plate system is not overdetermined and tolerance compensation is provided by the anode-side to the cathode-side bipolar plate layer. Therefore, it is advantageous if the slot-shaped positioning embossing runs parallel to this main direction of the channels of the flowfield. This avoids an offset in the y direction and thus perpendicular to the channel structures.
Ein
weiteres Merkmal der Positionierprägung ist, dass sie auch für eine formschlüssige Positionierung
innerhalb einer Vorrichtung, z. B. einer Schweißvorrichtung, verwendet werden
kann. Aus demselben Grund wie oben beschrieben sollte eine Aufnahme der
Vorrichtung eine komplementäre
aber etwas größere Form
aufweisen, als die entsprechende Erhebung oder Vertiefung der Bipolarplattenlage.
Wird also eine langlochförmige
Positionierprägung
verwendet, weist die Aufnahme ebenfalls eine Langlochform auf, ist
aber größer als
die langlochförmige
Positionierprägung
in der betreffenden Lage (siehe Schnitt C-C in
Bei der Gestaltung der zueinandergehörigen Positionierprägungen in verschiedenen Lagen bieten sich verschiedene Varianten an. Einerseits ist es möglich, dass in beiden Lagen Erhebungen relativ zur sonstigen Lagenebene eingeformt werden und die Erhebung der unten angeordneten Lage in die Vertiefung, die auf der Unterseite der Erhebung in der darauf angeordneten Lage resultiert, eingreift. Im Hinblick auf die sonstigen Strukturelemente der betreffenden Bipolarplatte bzw. ihrer Lagen, ist es aber oftmals nicht möglich, die Erhebungen mit der hierzu notwendigen Höhe in eine einzige Richtung auszuformen, da die Erhebungen dann beispielsweise die zur Abdichtung der Lagen gegeneinander eingeprägten Sicken überragen und somit eine Abdichtung verhindern würden. In dieser Situation ist es dann andererseits angeraten, in beiden Lagen eine Vertiefung mit einem größeren Durchmesser einzubringen und in die Fläche dieser Vertiefung dann wiederum eine Erhöhung einzuformen. Das Ausmaß der Vertiefung ist dabei insgesamt geringer als das der Erhöhung. Dies erlaubt eine Verteilung der Höhe der Erhöhungen/Vertiefungen auf beiden Seiten der Ebene der jeweiligen Bipolarplattenlage. Dabei ist eine im Wesentlichen symmetrische Höhenaufteilung ebenso möglich wie eine asymmetrische.at the design of the associated positioning imprints in Different layers offer different variants. On the one hand Is it possible, that in both layers surveys relative to the other layer level be formed and the elevation of the arranged below location in the depression, which is on the bottom of the elevation in the on it arranged situation results intervenes. With regard to the other Structural elements of the relevant bipolar plate or its layers, but it is often not possible the elevations with the necessary height in a single direction ausformieren, since the surveys then, for example, the seal the layers stamped against each other Overhang beads and thus would prevent a seal. In this situation is then on the other hand advised, in both layers with a depression a larger diameter and bring in the area then, in turn, formulate an increase in this depression. The extent of the depression is altogether less than that of the increase. This allows a distribution the height the elevations / depressions on both sides of the plane of the respective bipolar plate layer. there is a substantially symmetrical height distribution as possible as an asymmetrical one.
Die Ausführung der Positionierprägung kann so gewählt sein, dass eine Lage einen steileren Konus aufweist als die andere Lage. Außerdem ist es vorteilhaft die Prägung an einer Lage etwas weniger tief auszuprägen, so dass sich die beiden Lagen im Bereich der Kontaktstelle nur in ihrer jeweiligen Flanke des Konus abschnittsweise oder umlaufend berühren.The execution the positioning stamping can be chosen like that be that one layer has a steeper cone than the other Location. Furthermore it is advantageous to emboss at a location a little less deep, so that the two Layers in the region of the contact point only in their respective flank touch the cone sectionwise or circumferentially.
Weiterhin ist es sinnvoll die runde oder langlochförmige Aufnahme der Vorrichtung an ihrer offenen Seite mit einem Radius zu versehen, auf dem die Schräge des Außenkonus einer aufgelegten Lage zu liegen kommt. Außerdem ist zur Positionierung in der Vorrichtung ausreichend Kraft/Pressung von oben auf die Positionierprägung aufzubringen, um eine formschlüssige Zentrierung zu erreichen.Farther it makes sense the round or slot-shaped recording of the device to be provided on its open side with a radius on which the slope of the outer cone an imposed situation comes to lie. It is also for positioning sufficient force / pressure to be applied to the positioning impression in the device from above, a form-fitting To achieve centering.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte enthält wie bereits dargelegt mindestens zwei Lagen, es können allerdings durchaus noch mehr Lagen sein. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn im Inneren der Bipolarplatte beispielsweise Kühlmittel geführt wird. Insbesondere bei einer unstrukturierten Zwischenlage als dritter Lage bietet es sich an, diese dadurch in der Bipolarplatte zu integrieren, dass sie im Bereich der Erhebungen/Vertiefungen der Außenlagen ausgespart wird, so dass die Erhebungen/Vertiefungen einer Außenlage durch die Aussparungen hindurch in die Vertiefungen/Erhebungen der jeweils anderen Außenlage eingreifen können.The Bipolar plate according to the invention contains like already set out at least two layers, but it may still be be more layers. This can be particularly advantageous when in Inside the bipolar plate, for example, coolant is guided. Especially with an unstructured liner as the third Location, it is advisable to integrate this in the bipolar plate that they left out in the area of the elevations / depressions of the outer layers so that the elevations / depressions of an outer layer through the recesses into the depressions / elevations of the each other external situation can intervene.
Daneben ist es genauso möglich, die Lagen der Platte jeweils paarweise wie bereits zuvor für zwei einzelne Lagen beschrieben zueinander zu positionieren. Bei den Positionierprägungen, die zum Formschluss in der x-y-Ebene, genauer der Ebene E1 führen, ist es dabei ohne weiteres möglich, aber nicht zwingend, an derselben Stelle in allen Lagen die entsprechende Erhebung/Vertiefung vorzusehen, während die Positionierprägungen, die in der entsprechenden Berührebene E2, E3 oder E4 nicht zum Formschluss führen, von benachbartem Lagenpaar zu benachbartem Lagenpaar versetzt angeordnet werden müssen. Diese Anordnung ist für strukturierte, d. h. z. B. geprägte Zwischenlagen bevorzugt, da die Positionierprägungen dann mit der sonstigen Struktur zusammen eingebracht werden kann, sie ist aber auch für unstrukturierte Zwischenlagen einsetzbar.Besides is it just as possible the layers of the plate in pairs as before for two individual Layers described to each other to position. In the positioning impressions, which lead to positive locking in the x-y plane, more precisely the plane E1, is it is easily possible, but not necessarily, in the same place in all situations the corresponding one Provide survey / depression, while the positioning impressions, in the corresponding touch level E2, E3 or E4 do not lead to form fit, from adjacent layer pair to adjacent layer pair must be arranged offset. These Arrangement is for structured, d. H. z. B. embossed Liners preferred because the positioning impressions then with the other structure but it is also unstructured Liners can be used.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren erläutert. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf die gleichen Elemente. Es zeigen:in the The invention will be explained with reference to several figures. Same Reference numerals refer to the same elements. Show it:
Im
Rahmen dieser Anmeldung werden die folgenden Begriffe unterschieden:
Unter der eigentlichen Brennstoffzelle wird das Ensemble aus erster Gasdiffusionslage
Im
Folgenden soll der Aufbau der Bipolarplatte
Die
in
Gezeigt
ist hier eine obere erste Lage
Im
Folgenden soll auf die Erhebungen/Vertiefungen der Kontaktstellen
Wie
in
Diese
Verhältnisse
sind außerdem
durch die beiden orthogonalen Doppelpfeile in der vereinfachten
Darstellung des Bereichs D1 ohne Bohrungen in
Die
Fixiervorrichtung selbst weist um den Fixierbolzen herum die eigentliche,
hier kreiszylindrische, Aufnahme
Wie
in
Außerdem ist
zu sehen, dass die Höhe
h2 der ersten Erhebung
Um
den Maßstab
der Erfindung zu verdeutlichen, so beträgt die Ausdehnung der Erhebung/Vertiefung
in x- bzw. y-Richtung 2 bis 25 mm, bevorzugt 4 bis 15 mm. Weiter
ist die Tiefe der Aufnahme
Im
Folgenden wird eine alternative Ausführungsform gemäß
Gezeigt
ist hierbei in
Gezeigt
ist somit eine Bipolarplatte
Der
Eingriff einer Erhebung/Vertiefung in Form eines gleichseitigen
Polygons, beispielsweise eines Quadrates
Im
in
Hierzu
werden gemäß
Die obigen Ausführungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Es wird darauf Wert gelegt, dass Kombinationen sämtlicher hier gezeigten Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung liegen und auch die Gegenstände der Unteransprüche, soweit nicht ausgeschlossen, beliebig kombinierbar sind.The above are merely exemplary. It is important that Combinations of all Embodiments shown here within the scope of the invention and also the objects of Under claims, if not excluded, can be combined as desired.
Claims (20)
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