DE102010048761B4 - A method of fabricating a bipolar plate for a fuel cell stack and bipolar plate - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Fertigen einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, bei welchem ein Halbzeug zu einem mit einem Rahmenteil (2) der Bipolarplatte zu koppelnden Innenteil (3) umgeformt wird, wobei in das Innenteil (3) eine Mehrzahl von Kanälen (4) eingebracht wird, über welche eine Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle mit einem Reaktand beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenteil (2), welches das Innenteil (3) außenumfangsseitig umgibt, und das Innenteil (3) der Bipolarplatte durch Umformen aus jeweils einem metallischen Halbzeug gebildet werden, wobei zum Formen des Rahmenteils (2) und des Innenteils (3) aus dem jeweiligen Halbzeug voneinander verschiedene Umformverfahren (10, 17) eingesetzt werden, wobei das Rahmenteil (2) mit dem Innenteil (3) zur Ausbildung einer kathodenseitigen Teilplatte (1) der Bipolarplatte verbunden wird, wobei eine anodenseitige Teilplatte mit der kathodenseitigen Teilplatte (1) der Bipolarplatte verbunden wird, und wobei ein Rahmenbereich und ein Innenbereich der anodenseitigen Teilplatte in demselben Umformverfahren aus einem Halbzeug gebildet werden.Method for manufacturing a bipolar plate for a fuel cell stack, in which a semifinished product is formed into an inner part (3) to be coupled to a frame part (2) of the bipolar plate, wherein a plurality of channels (4) are introduced into the inner part (3) which an electrode of a membrane electrode assembly of the fuel cell can be acted upon by a reactant, characterized in that the frame part (2), which surrounds the inner part (3) on the outer peripheral side, and the inner part (3) of the bipolar plate by forming each of a metallic Semi-finished are formed, wherein for forming the frame part (2) and the inner part (3) from the respective semi-finished different forming processes (10, 17) are used, wherein the frame part (2) with the inner part (3) for forming a cathode side plate (1) the bipolar plate is connected, wherein an anode-side sub-plate with the cathode-side sub-plate (1) of the bipolar plate ver is bound, and wherein a frame portion and an inner portion of the anode-side sub-plate are formed in the same forming process of a semifinished product.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, bei welchem ein Halbzeug zu einem mit einem Rahmenteil der Bipolarplatte zu koppelnden Innenteil umgeformt wird. In das Innenteil wird im Umformprozess eine Mehrzahl von Kanälen eingebracht, über welche eine Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle mit einem Reaktand beaufschlagbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel.The invention relates to a method for manufacturing a bipolar plate for a fuel cell stack, in which a semifinished product is formed into an inner part to be coupled to a frame part of the bipolar plate. In the inner part, a plurality of channels is introduced in the forming process, via which an electrode of a membrane electrode assembly of the fuel cell can be acted upon by a reactant. Furthermore, the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell stack.
Aus der gattungsgemäßen
Als nachteilig bei einer derartigen mehrteiligen, nämlich ein Rahmenteil und ein Innenteil aufweisenden Bipolarplatte ist der Umstand anzusehen, dass die Fertigung dieser Bipolarplatte vergleichsweise aufwändig ist.A disadvantage of such a multipart, namely a frame part and an inner part having bipolar plate is the fact that the production of this bipolar plate is relatively complex.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung einer Bipolarplatte ermöglicht, sowie eine entsprechende Bipolarplatte.Object of the present invention is therefore to provide a method of the type mentioned, which allows a particularly simple and inexpensive production of a bipolar plate, and a corresponding bipolar plate.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1 and by a bipolar plate having the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fertigen einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel wird ein Halbzeug zu einem Innenteil umgeformt, welches mit einem Rahmenteil der Bipolarplatte koppelbar ist. Beim Umformen wird eine Mehrzahl von Kanälen in das Innenteil eingebracht, welche dazu dienen, eine Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle mit einem Reaktand zu beaufschlagen. Hierbei werden das Rahmenteil, welches das Innenteil außenumfangsseitig umgibt, und das Innenteil der Bipolarplatte durch Umformen aus jeweils einem metallischen Halbzeug gebildet, und zum Formen des Rahmenteils und des Innenteils aus dem jeweiligen Halbzeug werden voneinander verschiedene Umformverfahren eingesetzt. Bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei welchem das Rahmenteil und das Innenteil einstückig ausgebildet und in einem gemeinsamen Umformprozess geformt werden, sind nämlich der Formgebung prozesstechnische Grenzen gesetzt. Vorliegend kann jedoch für das jeweilige Teil der Bipolarplatte zu dessen Formgebung dasjenige Umformverfahren eingesetzt werden, welches auf die von dem Teil zu erfüllende Funktion in der Bipolarplatte besonders gut abgestimmt ist. Insbesondere bei der Formgebung der Kanäle des Innenteils kann ein Umformverfahren zum Einsatz kommen, welches einzig auf die optimale Gestaltung der Kanäle ausgerichtet ist und nicht zugleich die Formgebung des Rahmenteils zu berücksichtigen braucht. Dadurch können beispielsweise besonders tiefe und besonders enge Kanäle hergestellt werden, welche bei gleichzeitigem Ausbilden von Strukturen im Bereich des Rahmenteils aus demselben metallischen Halbzeug nicht erhältlich wären.In the method according to the invention for manufacturing a bipolar plate for a fuel cell stack, a semifinished product is formed into an inner part, which can be coupled to a frame part of the bipolar plate. During forming, a plurality of channels are introduced into the inner part, which serve to act upon an electrode of a membrane electrode assembly of the fuel cell with a reactant. Here, the frame part, which surrounds the inner part on the outer peripheral side, and the inner part of the bipolar plate are formed by forming from a respective metallic semifinished product, and for forming the frame part and the inner part of the respective semi-finished different forming processes are used. In a method known from the prior art, in which the frame part and the inner part are integrally formed and formed in a common forming process, namely the shaping process limits are set. In the present case, however, for the respective part of the bipolar plate to the shaping that forming method can be used, which is particularly well matched to the function to be performed by the part in the bipolar plate. In particular, in the shaping of the channels of the inner part, a forming process can be used, which is solely focused on the optimal design of the channels and does not need to take into account the shape of the frame part at the same time. As a result, it is possible, for example, to produce particularly deep and particularly narrow channels, which would not be obtainable from the same metallic semi-finished product while simultaneously forming structures in the region of the frame part.
Das Rahmenteil wird mit dem Innenteil zur Ausbildung einer kathodenseitigen Teilplatte der Bipolarplatte verbunden. Bei der kathodenseitigen Teilplatte ist es nämlich günstig, besonders tiefe und enge Kanäle in dem Innenteil vorzusehen, und dies lässt sich besonders gut erreichen, wenn das Innenteil gesondert von dem Rahmenteil in einem auf die gewünschte Formgebung abgestimmten Umformverfahren aus dem Halbzeug gebildet wird.The frame part is connected to the inner part to form a cathode-side partial plate of the bipolar plate. In the case of the cathode-side partial plate, it is advantageous to provide particularly deep and narrow channels in the inner part, and this can be achieved particularly well if the inner part is formed separately from the frame part in a shaping process adapted to the desired shaping from the semifinished product.
Zur Ausbildung der Bipolarplatte wird eine anodenseitige Teilplatte mit der kathodenseitigen Teilplatte der Bipolarplatte verbunden. Hierbei ist es vorteilhaft, dass ein Rahmenbereich und ein Innenbereich der anodenseitigen Teilplatte in demselben Umformverfahren aus einem Halbzeug gebildet werden. Bei der einstückigen anodenseitigen Teilplatte brauchen nämlich im Innenbereich lediglich Kanäle geringerer Tiefe vorgesehen zu werden, sodass auch ein und dasselbe Umformverfahren sowohl für das Ausbilden der Kanäle im Innenbereich der anodenseitigen Teilplatte als auch zum Umformen des Rahmenbereichs zum Einsatz kommen kann.To form the bipolar plate, an anode-side partial plate is connected to the cathode-side partial plate of the bipolar plate. In this case, it is advantageous that a frame region and an inner region of the anode-side partial plate are formed from a semifinished product in the same forming process. In the case of the one-piece anode-side sub-panel, only channels of lesser depth need to be provided in the interior, so that one and the same forming method can also be used both for forming the channels in the interior region of the anode-side sub-panel and for reshaping the frame area.
Dadurch, dass zum Bilden des Rahmenteils und des Innenteils aus dem metallischen Halbzeug jeweils unterschiedliche Umformverfahren eingesetzt werden, können die Funktionalitäten dieser Teile besonders weitgehend ausgeschöpft werden. Zudem ist die Fertigung besonders einfach und kostengünstig. Durch den Einsatz spezifischer Umformverfahren für das Rahmenteil und das Innenteil kann so eine besonders effiziente Bipolarplatte hergestellt werden. Dies führt zu einem besonders hohen Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels. Innenteile mit einer für die Verteilung des Brennstoffs bzw. des Oxidationsmittels besonders günstigen Kanalstruktur ermöglichen nämlich eine besonders günstige Verteilung der Reaktanden im Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung der die Bipolarplatte aufweisenden Brennstoffzelle. Durch den hohen Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels lässt sich eine leichte Bauweise realisieren, welche insbesondere von Vorteil ist, wenn der Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen soll.Characterized in that for forming the frame part and the inner part of the metallic semifinished product In each case different forming methods are used, the functionalities of these parts can be exploited to a large extent. In addition, the production is particularly simple and inexpensive. By using specific forming processes for the frame part and the inner part, a particularly efficient bipolar plate can thus be produced. This leads to a particularly high efficiency of the fuel cell stack. Internal parts with a channel structure which is particularly favorable for the distribution of the fuel or of the oxidizing agent namely allow a particularly favorable distribution of the reactants in the region of the membrane-electrode arrangement of the fuel cell having the bipolar plate. Due to the high efficiency of the fuel cell stack, a lightweight construction can be realized, which is particularly advantageous when the fuel cell stack is to be used in a vehicle.
Kosteneinsparungen ergeben sich auch daraus, dass die zu einem hohen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle führenden Einzelkomponenten hohe Energiedichten der jeweiligen Brennstoffzelle mit sich bringen. Da jedes Umformverfahren auf die Formgebung nur eines Teils der Bipolarplatte abgestimmt zu sein braucht, kann eine jeweils einfache und somit robuste Prozesstechnik bei dem jeweiligen Umformverfahren zum Einsatz kommen, was ebenfalls zu Kosteneinsparungen führt. Zudem können konventionell verfügbare Prozesstechniken bei der Formgebung des Rahmenteils und des Innenteils zum Einsatz kommen, wobei auch hochkomplexe Gestaltungen, insbesondere des Innenteils, realisierbar sind. Durch die auf die Funktionalität des jeweiligen Teils abgestimmt ausgewählten Umformverfahren lassen sich darüber hinaus kurze Taktzeiten bei der Fertigung realisieren.Cost savings also result from the fact that leading to a high efficiency of the fuel cell individual components bring high energy densities of the respective fuel cell with it. Since each forming process needs to be adapted to the shape of only a part of the bipolar plate, a respective simple and thus robust process technology can be used in the respective forming process, which also leads to cost savings. In addition, conventionally available process techniques can be used in the shaping of the frame part and the inner part, whereby highly complex designs, in particular of the inner part, can also be realized. In addition, the forming processes selected for the functionality of each part allow short cycle times to be achieved during production.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Kanäle in das wenigstens eine Innenteil durch Biegebeanspruchen des zugeordneten Halbzeugs eingebracht. Eine solche Umformung des Halbzeugs für das Innenteil ermöglicht ein Einbringen von Kanälen in dasselbe, ohne dass bei vergleichsweise großer Kanaltiefe eine lokale Schwächung des Innenteils zu befürchten ist.In an advantageous embodiment of the invention, the channels are introduced into the at least one inner part by bending the associated semifinished product. Such a deformation of the semifinished product for the inner part allows the introduction of channels in the same, without a local weakening of the inner part is to be feared at a comparatively large channel depth.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Kanäle in das wenigstens eine Innenteil durch Rollformen oder Formwalzen des zugeordneten Halbzeugs eingebracht werden. Beim Rollformen durchläuft das Halbzeug eine Reihe von Umformstationen, bei welchen jeweilige Walzenpaare schrittweise das Halbzeug in die gewünschte Profilform biegen. Beim Formwalzen wird das Halbzeug zwischen zwei gegenläufig rotierenden Walzen gefördert, wobei ineinandergreifende Außenkonturen der Walzen die zu erzielende Form des Halbzeugs bestimmen. Diese Umformverfahren ermöglichen es, tiefere und engere Kanäle in dem Innenteil auszubilden als dies durch ein Prägeverfahren möglich wäre. Solche tiefen und engen Kanäle sind im Hinblick auf die elektrochemische Umsetzung der Reaktanden der Membran-Elektroden-Anordnung besonders vorteilhaft.It has been found to be advantageous if the channels are introduced into the at least one inner part by roll forming or forming rolls of the associated semi-finished product. During roll forming, the semifinished product passes through a series of forming stations in which respective pairs of rolls gradually bend the semifinished product into the desired profile shape. In the form of rolling the semi-finished product is conveyed between two counter-rotating rollers, wherein intermeshing outer contours of the rollers determine the shape of the semifinished product to be achieved. These forming processes make it possible to form deeper and narrower channels in the inner part than would be possible by a stamping process. Such deep and narrow channels are particularly advantageous with regard to the electrochemical conversion of the reactants of the membrane-electrode assembly.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Rahmenteil in einem Folgeverbundprozess aus dem zugeordneten Halbzeug gebildet. Bei dem Folgeverbundprozess sind in einem Werkzeug wenigstens zwei Werkzeugmodule angeordnet, welche jeweils für einen Bearbeitungsschritt des Halbzeugs sorgen. Beispielsweise können durch ein erstes Werkzeugmodul in das Halbzeug Sucherlöcher eingebracht werden, welche das spätere Aufnehmen des Rahmenteils ermöglichen. In einem weiteren Schritt des Folgeverbundprozesses kann ein Freischnitt einer Grundform aus dem Halbzeug erfolgen, bei welchem das spätere Rahmenteil nur mehr an wenigen Verbindungsbereichen mit dem restlichen Halbzeug verbunden ist. Anschließen können Einprägungen vorgenommen werden, etwa um Ausbuchtungen des Rahmenteils im Bereich von später auf dieses aufzubringenden Dichtungen zu formen. Des Weiteren können Durchlässe für Medien, etwa die Reaktanden oder ein Kühlmittel, in dem Folgeverbundprozess in dem Rahmenteil gebildet werden. Ein solcher Folgeverbundprozess ermöglicht ein besonders günstiges und rasches Fertigen des Rahmenteils.In a further advantageous embodiment of the invention, the frame part is formed in a progressive compound process from the associated semi-finished product. In the progressive compound process at least two tool modules are arranged in a tool, which each provide for a processing step of the semifinished product. For example, through a first tool module in the semi-finished viewfinder holes are introduced, which allow the subsequent recording of the frame part. In a further step of the follow-on composite process, a cutout of a basic shape can take place from the semifinished product, in which the later frame part is only connected to the remaining semifinished product at a few connection regions. Then impressions can be made, for example to form bulges of the frame part in the area later applied to this seals. Further, passages for media, such as the reactants or a coolant, can be formed in the frame member in the progressive compound process. Such a progressive compound process allows a particularly favorable and rapid manufacturing of the frame part.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Halbzeug für das Innenteil und/oder das Rahmenteil von einer Rolle abgerollt und für das jeweilige Umformverfahren bereitgestellt wird. So lässt sich eine besonders rationelle Fertigung der Bipolarplatte realisieren. Dem Umformen des Innenteils und des Rahmenteils kann ein Richtvorgang vorangehen, bei welchem das abgerollte Halbzeug begradigt wird. Dann lässt es sich nämlich mit einer besonders großen Präzision umformen.It is also advantageous if the semifinished product for the inner part and / or the frame part is unrolled from a roll and provided for the respective forming process. Thus, a particularly efficient production of the bipolar plate can be realized. The reshaping of the inner part and of the frame part can be preceded by a straightening process in which the rolled semi-finished product is straightened. Then it can be reshaped with a particularly great precision.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden das umgeformte Innenteil und/oder das Rahmenteil aus dem jeweiligen Halbzeug herausgetrennt. Dann stehen die beiden, ihre endgültige Form aufweisenden Teile für einen Fügeprozess zur Verfügung, in welchem sie miteinander verklemmt, verklebt, verschweißt oder verlötet werden können. Insbesondere das Verklemmen unter Ausbildung eines Kraftschlusses und/oder eines Formschlusses der beiden Teile miteinander ermöglicht eine besonders rasche, kostengünstige Fertigung der Bipolarplatte.In a further advantageous embodiment of the invention, the reshaped inner part and / or the frame part are separated out of the respective semi-finished product. Then the two, their final shape having parts available for a joining process in which they can be clamped together, glued, welded or soldered. In particular, the jamming to form a frictional connection and / or a positive connection of the two parts with each other allows a particularly rapid, cost-effective production of the bipolar plate.
Eine im Hinblick auf die Handhabung von Resten des Halbzeugs vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens lässt sich erreichen, wenn ein Verschnitt des Halbzeugs für das Innenteil und/oder für das Rahmenteil auf eine Rolle aufgewickelt wird. Es braucht dann kein Container oder dergleichen bereitgestellt zu werden, um den Verschnitt aufzunehmen, sondern dieser befindet sich nach der Fertigung des Innenteils und des Rahmenteils auf einer jeweiligen Rolle, die einfach einem Lieferanten zurückgegeben werden kann.An advantageous embodiment of the method with regard to the handling of remainders of the semifinished product can be achieved if a waste of the semifinished product for the inner part and / or for the frame part is wound onto a roll. It then no container or the like needs to be provided to receive the waste, but after manufacturing the inner part and the frame part, it is located on a respective roll that can be easily returned to a supplier.
Vorteilhaft werden der Rahmenbereich, welcher bei der zweiteiligen Teilplatte dem Rahmenteil entspricht, und der Innenbereich, welcher bei der zweiteiligen Teilplatte dem Innenteil entspricht, bei der anodenseitigen Teilplatte in einem Folgeverbundprozess aus dem Halbzeug gebildet.Advantageously, the frame region, which corresponds to the frame part in the case of the two-part partial plate, and the inner region, which corresponds to the inner part in the case of the two-part partial plate, are formed from the semifinished product in the case of the anode-side partial plate in a progressive composite process.
Bei der erfindungsgemäßen Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel ist ein Rahmenteil der Bipolarplatte mit einem Innenteil mechanisch gekoppelt. Das Innenteil weist eine Mehrzahl von Kanälen auf, über welche eine Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle mit einem Reaktand beaufschlagbar ist. Hierbei sind das Rahmenteil, welches das Innenteil außenumfangsseitig umgibt, und das Innenteil der Bipolarplatte aus dem jeweiligen metallischen Halbzeug durch voneinander verschiedene Umformverfahren geformt. Das Rahmenteil ist mit dem Innenteil zur Ausbildung einer kathodenseitigen Teilplatte der Bipolarplatte verbunden. Eine anodenseitige Teilplatte ist mit der kathodenseitigen Teilplatte der Bipolarplatte verbunden. Ein Rahmenbereich und ein Innenbereich der anodenseitigen Teilplatte sind in demselben Umformverfahren aus einem Halbzeug gebildet.In the bipolar plate according to the invention for a fuel cell stack, a frame part of the bipolar plate is mechanically coupled to an inner part. The inner part has a plurality of channels, via which an electrode of a membrane electrode assembly of the fuel cell can be acted upon by a reactant. In this case, the frame part, which surrounds the inner part on the outer peripheral side, and the inner part of the bipolar plate are formed from the respective metallic semi-finished product by mutually different forming methods. The frame part is connected to the inner part for forming a cathode-side partial plate of the bipolar plate. An anode-side partial plate is connected to the cathode-side partial plate of the bipolar plate. A frame region and an inner region of the anode-side sub-plate are formed from a semi-finished product in the same forming process.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch die für die erfindungsgemäße Bipolarplatte. The advantages and preferred embodiments described for the method according to the invention also apply to the bipolar plate according to the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 in einer schematischen Draufsicht eine kathodenseitige Teilplatte einer Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel, bei welcher ein Kanäle für das Oxidationsmittel aufweisendes Innenteil separat von einem Rahmenteil der Teilplatte gefertigt ist; -
2 schematisch in einer Draufsicht einen Ausschnitt des noch nicht mit dem Innenteil versehenen Rahmenteils gemäß1 ; -
3 schematisch in einer Draufsicht einen Ausschnitt des Innenteils gemäß1 ; und -
4 Verfahrensschritte beim Fertigen der kathodenseitigen Teilplatte.
-
1 in a schematic plan view of a cathode-side partial plate of a bipolar plate for a fuel cell stack, in which a channels for the oxidant exhibiting inner part is made separately from a frame part of the partial plate; -
2 schematically in a plan view a section of not yet provided with the inner part frame part according to1 ; -
3 schematically in a plan view of a section of the inner part according to1 ; and -
4 Process steps in the manufacture of the cathode-side partial plate.
Das Innenteil
Zur Bildung einer Bipolarplatte werden die kathodenseitige Teilplatte
In Randbereichen
Anhand von
Alternativ kann das Einbringen der Kanäle
Beim Fertigen
Die kathodenseitige Teilplatte
Jedoch kann in alternativen Ausführungsformen auch bei der anodenseitigen Teilplatte ein gesondertes Fertigen des Innenteils
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