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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
US 2007/0243452 A1 ist eine Elektrode für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Elektrode umfasst ein Substrat mit einer Oberfläche, die derart ausgebildet ist, dass diese einen Abschnitt eines Fluidkanals in der zusammengefügten Brennstoffzelle bildet. Die Elektrode umfasst weiterhin eine Schicht, welche Ruthenium enthält und über der Oberfläche angeordnet ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle offenbart, bei welchem eine erste Schicht über zumindest einen Abschnitt von einem oder mehreren Fluidkanälen, welche in einer Oberfläche eines Substrates erzeugt werden, angeordnet wird. Die Fluidkanäle sind derart angeordnet, dass mittels dieser ein Brennstoff zu einem aktiven Bereich der zusammengefügten Brennstoffzelle transportiert wird. Weiterhin wird eine Ruthenium enthaltende Schicht über der die Fluidkanäle aufweisenden Oberfläche angeordnet.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 197 09 992 C1 ein Verfahren zum Messen der Oberflächengeometrie von Warmband unter Erzeugung von Linien auf der Bandoberfläche mittels einer Lichtquelle bekannt, wobei auf dem Walzband ein Muster aus einer Vielzahl von Linien durch Projektion erzeugt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte anzugeben, mittels welchem eine Leistungsfähigkeit und Qualität der Bipolarplatte erhöht werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte wird diese aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte gebildet, bei welchen zumindest einseitig und zumindest in Teilabschnitten Strukturen auf- und/oder eingebracht werden, wobei die erste Platte und die zweite Platte in einem Fügeprozess planparallel zueinander angeordnet und miteinander gefügt werden und eine der Platten eine Kathodenseite und die verbleibende Platte eine Anodenseite der Bipolarplatte bildet. Erfindungsgemäß wird die Bipolarplatte schrittweise aus der ersten und zweiten Platte gebildet, wobei nach einem jeden Schritt ein Istmuster aus einer Vielzahl von Linien durch Projektion auf einem den jeweiligen Schritt repräsentierenden Zwischenprodukt erzeugt, mittels einer Kamera aufgenommen und anschließend mit einem Referenzmuster verglichen wird.
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Durch eine derartige fortlaufende und transparente Online-Überwachung des Herstellungsprozesses ist sichergestellt, dass fehlerhafte Bauteile direkt nach der Fehlerentstehung identifiziert und aussortiert werden. Somit sind im Endprodukt, insbesondere in einem Brennstoffzellenstapel aus mehreren Bipolarplatten keine Bauteile außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches enthalten. Insbesondere kann durch eine Aussortierung von fehlerhaften Bauteilen eine hohe Formstabilität und Gleichmäßigkeit der Bauteile der Bipolarplatte, z. B. Gleichmäßigkeit der Schichtdicke eines Katalysators, erzielt werden, wodurch ein besonders gleichmäßiger Betrieb eines aus mehreren Bipolarplatten gebildeten Brennstoffzellenstapels möglich ist. Darüber hinaus wird eine Wertschöpfung des Herstellungsprozesses erhöht, da die Ausschussmenge verringert wird. Ferner kann die Qualitätsabsicherung des Herstellungsprozesses automatisiert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Überwachungsvorrichtung zur Online-Überwachung des Herstellungsprozesses einer Bipolarplatte und beispielhaft Schritte eines Verfahrens zu deren Herstellung, und
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2 schematisch eine alternative Überwachungsvorrichtung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Überwachungsvorrichtung 1 dargestellt, welche zur Online-Überwachung des Herstellungsverfahrens einer Bipolarplatte 2, die aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte gebildet wird, dient.
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Die jeweilige Bipolarplatte 2 besteht dabei aus zwei planparallel miteinander verbundenen Formteilen, welche als Platten ausgebildet sind. Dabei dient eine der Platten als Anodenplatte zur Verbindung mit der Anode der Membran-Elektroden-Einheit und die verbleibende der Platten als Kathodenplatte zur Verbindung mit der Kathode der anderen Membran-Elektroden-Einheit.
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An der der einen Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Oberfläche der Anodenplatte sind dabei Anodenkanäle zur Verteilung eines Brennstoffs entlang der einen Membran-Elektroden-Einheit angeordnet, wobei an der der anderen Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Oberfläche der Kathodenplatte Kathodenkanäle zur Verteilung des Oxidators über der anderen Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sind. Die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle haben keine Verbindung miteinander.
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Die Kathoden- und Anodenkanäle werden
von durch Erhebungen (im Weiteren Stege genannt) voneinander getrennten Vertiefungen (im Weiteren Kanäle genannt) auf den jeweils den Membran-Elektroden-Anordnungen zugewandten Oberflächen der Anoden- und Kathodenplatte gebildet. Die Kathoden- und Anodenplatte sind vorzugsweise geformt, insbesondere hohl geprägt. Die Stege und Kanäle werden beispielsweise diskontinuierlich durch Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder dergleichen, oder kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen hergestellt.
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Die Überwachungsvorrichtung 1 umfasst einen Projektor 1.1, insbesondere einen Linienprojektor und eine Kamera 1.2, insbesondere eine CCD-Kamera. Der Projektor 1.1 und die Kamera 1.2 sind oberhalb eines Produktionsbandes zur Herstellung der Bipolarplatte 2 angeordnet.
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Mittels der Überwachungsvorrichtung 1 wird der Herstellungsprozess der Bipolarplatte 2 online und schrittweise überwacht, wobei nach einem jeden Schritt S1 bis Sn ein Istmuster MIst aus einer Vielzahl von Linien durch Projektion mittels des Projektors 1.1 auf einem den jeweiligen Schritt S1 bis Sn repräsentierenden Zwischenprodukt ZP1 bis ZPn erzeugt und mittels der Kamera 1.2 aufgenommen und anschließend mit einem Referenzmuster MRef verglichen wird. Dabei projiziert der Projektor 1.1 ein Linienmuster M in einem vorgegebenen Winkel zur Vertikalen auf die Oberfläche eines den jeweiligen Schritt S1 bis Sn repräsentierenden Zwischenproduktes ZP1 bis ZPn der Bipolarplatte 2, so dass sich die Linien vorzugsweise quer zur Produktionsbandoberfläche erstrecken und die ganze Bandbreite erfassen.
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Die Kamera 1.2 erfasst mit einer vorgegebenen Pixelauflösung die quer über die Produktionsbandoberfläche verlaufenden Linien. Bei einer welligen Oberfläche, beispielsweise einer umgeformten Platte, entsteht ein regelmäßiges Wellenmuster. Dieses Muster eines jeden Zwischenproduktes ZP1 bis ZPn wird als Istmuster MIst von der Kamera 1.2 erfasst und mit hinterlegten Referenzmustern MRef verglichen. Ergibt der Vergleich, dass das Istmuster MIst außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt und somit vom Referenzmuster MRef abweicht, wird das betreffende Zwischenprodukt ZP1 bis ZPn als fehlerhaft identifiziert und aussortiert; anderenfalls wird das Zwischenprodukt ZP1 bis ZPn, dessen Istmuster MIst in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegt, als nicht fehlerhaft identifiziert und zur Weiterverarbeitung verwendet.
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Im Detail werden im Schritt S1 in Metallsubstrate, insbesondere in ebene, bandförmige Bleche oder einzelne Platten durch Umformen, z. B. Hohlprägen, Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder dergleichen oder durch Walzen oder Ziehen, zumindest einseitig und zumindest in Teilabschnitten Strukturen auf- und/oder eingebracht.
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Im Anschluss an den Schritt S1 wird mittels des Projektors 1.1 auf der Oberfläche der jeweiligen Platte durch Projektion ein Linienmuster M erzeugt. Dabei erzeugt der Projektor 1.1 ein der Auflösung der Kamera 1.2 entsprechendes Linienmuster M auf der Oberfläche der umgeformten Platte, wobei die umgeformte Platte ein Zwischenprodukt ZP1 darstellt. Entspricht das von der Kamera 1.2 erfasste Istmuster MIst dem hinterlegten Referenzmuster MRef, so wird die umgeformte Platte weiterverwendet, anderenfalls wird sie in Richtung des Pfeils A aussortiert.
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Anschließend werden die umgeformten Bleche oder Platten in einem Schritt S2 in einem ersten Reinigungsprozess, welcher sowohl chemische als auch mechanische Reinigungsverfahren umfassen kann, gereinigt. Auch von den umgeformten, gereinigten Platten wird ein Istmuster MIst erfasst und mit einem hinterlegten Referenzmuster MRef verglichen.
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In einem Schritt S3 erfolgt hiernach ein Heraustrennen der ersten Platte und der zweiten Platte aus den bandförmigen Blechen oder größeren Platten in einem Laserschneidprozess, bevor die Platten im Schritt S4 einem weiteren Reinigungsprozess zugeführt werden, in welchem bei dem Laserschneidprozess entstandene Verunreinigungen entfernt werden. Sowohl nach dem Schritt S3 als auch nach dem Schritt S4 werden Istmuster MIst von dem jeweiligen Zwischenprodukt ZP3 bzw. ZP4 mittels der Überwachungsvorrichtung 1 in der oben beschriebenen Art und Weise erfasst und mit zugehörigen Referenzmustern MRef verglichen. Auch nach diesen Schritten S3 und S4 werden fehlerhafte Zwischenprodukte ZP3 bzw. ZP4 aussortiert.
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Hierzu kann die Überwachungsvorrichtung 1 bewegbar ausgebildet sein. Beispielsweise ist die Überwachungsvorrichtung 1 entlang des Produktionsbandes an einem Führungssystem gehalten. Im Bereich zwischen zwei Verfahrensschritten wird dann die Überwachungsvorrichtung 1 an die betreffende Position gefahren, um das jeweilige Zwischenprodukt ZP1 bis ZPn zu prüfen und auf Fehlerfreiheit zu analysieren, um gegebenenfalls bei fehlerhaften Zwischenprodukten ZP1 bis ZPn diese auszusortieren. Alternativ können entlang des Produktionsbandes mehrere Überwachungsvorrichtungen 1 angeordnet sein, wie dies beispielhaft in 2 gezeigt ist.
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Je nach Art und Aufbau des Produktionsbandes können dabei die beiden Platten für die Bipolarplatte 2 parallel in zwei separaten Teilbändern bearbeitet und anschließend gemeinsam gefügt werden, wie dies beispielhaft in 2 näher dargestellt ist. Alternativ kann das Produktionsband die Platten nacheinander erzeugen und zum Fügen übereinander stapeln, wie dies in 1 beispielhaft dargestellt ist. Die Anzahl der Bearbeitungsschritte S1 bis Sn zur Herstellung der Bipolarplatte 2 kann variieren.
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Beim Fügen der Platten in einem Laserschweißprozess im folgenden Schritt S5 werden diese planparallel zueinander angeordnet und anschließend vorzugsweise mit einer randseitig zwischen den Platten verlaufenden Schweißnaht gefügt.
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Aufgrund der Reinigung der Platten vor dem Laserschweißen wird zum einen ein Einschluss von Fremdstoffen und zum anderen das Entstehen von Oxiden beim Laserschweißen vermieden. Daraus resultiert ein geringer Übergangswiderstand der Bipolarplatte 2 und somit eine große elektrische Leistungsfähigkeit der aus dem Brennstoffzellenstapel gebildeten Brennstoffzelle.
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Im Anschluss an das Fügen der Platten werden im Schritt S6 die gefügten Platten erneut gereinigt.
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Anschließend wird in einem Schritt S7 auf die gefügten Platten ein Katalysator aufgebracht. Der Katalysator ist zur katalytischen Oxidation des Brennstoffs erforderlich. Dieses Aufbringen erfolgt vorzugsweise mittels einer physikalischen Gasphasenabscheidung, auch als PVD-Verfahren (aus dem Englischen: physical vapor deposition) bekannt. Dabei werden die erste Platte und die zweite Platte vor dem Beschichtungsprozess zumindest in Teilabschnitten, welche nicht elektrisch leitfähig sein sollen und in welchen der anschließende Laserschweißprozess erfolgt, maskiert. Die Maske bildet hierbei eine Schutzschicht, welche derart beständig gegenüber dem aufzubringenden Katalysator ist, dass die Maske bei dem Beschichtungsvorgang nicht zu beschichtende Teilbereiche der Platten derart schützt, dass diese nicht beschichtet werden.
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Gegebenenfalls können vor diesem Beschichten die gefügten Platten vorzugsweise in einem Ätzprozess zumindest in Teilabschnitten geätzt werden, so dass eine optimale Haftung des Katalysators erzielt wird.
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Im darauf folgenden Schritt S8 werden auf zumindest einer Außenseite der Bipolarplatte 2 eine oder mehrere Dichtungen aufgebracht, so dass die Außenseiten der Bipolarplatte 2 gegen die Membran-Elektroden-Einheiten abgedichtet sind.
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Nach jedem der Schritte S5 bis S8 wird von dem jeweiligen Zwischenprodukt ZP5 bis ZP8 ein Istmuster MIst mittels der Kamera 1.2 aufgenommen und mit einem zugehörigen Referenzmuster MRef verglichen.
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In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung kann die Überwachungsvorrichtung 1 in nicht näher dargestellter Art und Weise eine Analyse- und/oder Speichereinheit umfassen. Hierdurch ist sichergestellt, dass die erfassten Istmuster MIst gespeichert werden und für weitere Analysen zur Verfügung stehen. Insbesondere kann das Herstellungsverfahren nachträglich und reproduzierbar analysiert und überprüft werden.
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Auch kann nach dem Aufbringen der Dichtung in einem weiteren Schritt Sn eine Qualitätskontrolle der Bipolarplatte 2 durchgeführt werden, im Rahmen welcher insbesondere deren Abmaße mit Sollmaßen verglichen, die Ergebnisse der vorherigen Schritte S1 bis S8 überprüft und elektrische Parameter erfasst und ebenfalls mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden.
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Mehrere dieser Bipolarplatten 2 werden dann zur Erzeugung eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellenstapels mit ebenfalls nicht dargestellten Membran-Elektroden-Einheiten abwechselnd übereinander gestapelt. Dabei werden mehrere gebildete Brennstoffzellen elektrisch in Serie geschaltet und planparallel übereinander gestapelt. Jede dieser Brennstoffzellen weist als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt, insbesondere eine Elektrolytmembran, auf, die zusammen die Membran-Elektroden-Einheit (kurz MEA bezeichnet) bilden.
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Die jeweilige, zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten angeordnete Bipolarplatte 2 dient dabei der Beabstandung der Membran-Elektroden-Einheiten, dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle wie Brennstoff und Oxidator über die angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu den Membran-Elektroden-Einheiten hin offenen Kanälen, der Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und der Kathode von benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen.
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Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe (kurz: Reaktionsgase) eingesetzt, z. B. Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gas, wie z. B. so genanntes Reformatgas, als Brennstoff und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z. B. Luft, als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffen werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte, wie z. B. Wasser oder Restbrenngas.
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Aufgrund der Umformung oder anderer mechanischer und/oder thermischer Beanspruchungen können während der Herstellung innere Spannungen in dem Metallsubstrat auftreten, welche die Funktion und die weitere Bearbeitung der Bipolarplatte 2 negativ beeinflussen können.
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Zur Vermeidung dieser inneren Spannungen wird zumindest nach dem Umformprozess oder nach einem der anderen Schritte S4 oder S6 ein Spannungsarmglühen SAG derart ausgeführt, dass innere Spannungen in dem Metallsubstrat verringert werden. Dabei werden die erste Platte und die zweite Platte derart erhitzt, dass das Metallsubstrat entsprechend der in diesem auftretenden Spannungen plastisch zu fließen beginnt. Anschließend wird das Metallsubstrat langsam abgekühlt, so dass keine wesentlichen Änderungen der vorliegenden Eigenschaften erfolgen.
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Aufgrund des Abbaus der inneren Spannungen bleiben die Platten während des im Schritt S7 des Verfahrens ausgeführten Beschichtungsprozesses formstabil, so dass ein in diesem Prozess aufgebrachter Katalysator gleichmäßig aufgebracht werden kann. Daraus folgt wiederum ein besonders gleichmäßiger Betrieb des Brennstoffzellenstapels. Aus der Anwendung des Spannungsarmglühens SAG leitet sich eine erhöhte Lebensdauer der Bipolarplatte 2 und des aus mehreren Bipolarplatten 2 gebildeten Brennstoffzellenstapels ab, da die Gefahr von Wasserstoffdiffusionen in die Bipolarplatten 2 während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels verringert ist, so dass eine vorzeitige Wasserstoffversprödung des Metallsubstrats der Bipolarplatte 2 nicht auftritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Überwachungsvorrichtung
- 1.1
- Projektor
- 1.2
- Kamera
- 2
- Bipolarplatte
- A
- Pfeil
- SAG
- Spannungsarmglühen
- S1 bis Sn
- Schritte
- ZP1 bis ZPn
- Zwischenprodukte
- M
- Linienmuster
- MIst
- Istmuster
- MRef
- Referenzmuster
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0243452 A1 [0002]
- DE 19709992 C1 [0003]
