DE102010052738A1 - Method and device for producing components for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy store - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen (2) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher. Erfindungsgemäß wird in einem mehrstufigen Prozess ein flächiges Bauelement (2) in einem ersten Umformschritt hydromechanisch umgeformt und in einem zweiten Umformschritt mechanisch nachgeformt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.The invention relates to a method for producing components (2) for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy store. According to the invention, in a multistage process, a flat component (2) is hydromechanically reshaped in a first reshaping step and mechanically reshaped in a second reshaping step. The invention also relates to a device (1) for performing the method according to claim 1.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.The invention relates to a method for producing components for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy storage according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an apparatus for producing components for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or a electrochemical energy store according to the preamble of claim 2.

Aus der WO 2004/047209 ist ein Verfahren zur Herstellung von Separatorplatten für eine Brennstoffzelle bekannt, bei welchem eine Separatorplatte mittels eines hydromechanischen Umformverfahrens hergestellt wird.From the WO 2004/047209 For example, a method for producing separator plates for a fuel cell is known, in which a separator plate is produced by means of a hydromechanical forming process.

Die US 6,938,449 beschreibt ein hydromechanisches Umformverfahren für ein flächiges Bauelement.The US 6,938,449 describes a hydromechanical forming process for a sheet-like component.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher anzugeben, wodurch insbesondere eine optimierte Geometrie der hergestellten Bauelemente ermöglicht ist.The invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved method and an improved apparatus for producing components for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy storage, which in particular an optimized geometry of the manufactured components is possible.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 2 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the method, the object is achieved by the features specified in claim 1. With regard to the device, the object is achieved by the features specified in claim 2.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Beim Verfahren zur Herstellung von Bauelementen für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher wird in einem mehrstufigen Prozess ein flächiges Bauelement erfindungsgemäß in einem ersten Umformschritt hydromechanisch umgeformt und in einem zweiten Umformschritt mechanisch nachgeformt. Dadurch ist eine optimierte Ausformung der Geometrie des Bauelements ermöglicht.In a method for producing components for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy store, in a multistage process a planar component is hydromechanically deformed in a first forming step and mechanically formed in a second forming step. This allows optimized shaping of the geometry of the component.

Besonders vorteilhafterweise können enge und tiefe Kanäle sowie ebene Kanalbereiche im Bauelement realisiert werden, woraus eine verbesserte Funktionalität des Bauelements resultiert.Particularly advantageously, narrow and deep channels and even channel regions can be realized in the component, resulting in improved functionality of the component.

Bei der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das flächige Bauelement mit einer mehrstufigen Umformvorrichtung hydromechanisch umformbar und anschließend mechanisch nachformbar. Eine solche mehrstufige Umformvorrichtung ermöglicht die Reduzierung der Herstellungskosten des Bauelements.In the apparatus for carrying out the method according to the invention, the planar component with a multi-stage forming device is hydromechanically deformable and then mechanically nachformbar. Such a multi-stage forming device enables the reduction of the manufacturing cost of the device.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Bauteile bei der Nachformung für einen späteren Fügevorgang optimiert werden.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the components can be optimized during the post-forming for a subsequent joining operation.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach dem hydromechanischem Umformen, 1 1 is a schematic sectional view through a device according to the invention after hydro-mechanical forming,

2 schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung vor dem mechanischen Nachformen und 2 schematically a sectional view through a device according to the invention before the mechanical post-forming and

3 schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung während des mechanischen Nachformens. 3 schematically a sectional view through a device according to the invention during mechanical reshaping.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

In 1 ist schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 nach dem hydromechanischem Umformen dargestellt.In 1 is a schematic sectional view through an inventive device 1 shown after the hydro-mechanical forming.

Mittels der Vorrichtung 1 ist ein flächiges Bauelement 2, welches beispielsweise aus einem Blechwerkstoff oder einem Folienwerkstoff gebildet ist, umformbar. Somit kann aus dem flächigen Bauelement 2 in einem mehrstufigen Prozess ein strukturiertes Bauelement 2 für eine nicht dargestellte elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher gefertigt werden. Dabei wird das Bauelement 2 beispielsweise zu einer Kathoden-, Anoden-, Separator- oder Endplatte umgeformt.By means of the device 1 is a planar component 2 , which is formed for example of a sheet material or a film material, formable. Thus, from the sheet-like component 2 in a multi-stage process, a structured component 2 for an electrochemical cell, not shown, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy storage are manufactured. This is the component 2 for example, converted into a cathode, anode, separator or end plate.

In einem ersten Umformschritt wird das umzuformende Bauelement 2 in der Vorrichtung 1 angeordnet. Das Bauelement 2 ist derart zwischen einer Formmatrize 3 und einer Grundplatte 5 angeordnet, dass es zwischen einem die Grundplatte 5 vollständig umlaufenden Randbereich 4 und der Formmatrize 3 form- und/oder kraftschlüssig angeordnet ist. In die dem Bauelement 2 zugewandte Oberfläche der Formmatrize 3 ist die auf das Bauelement 2 zu applizierende Struktur aufgebracht.In a first forming step, the component to be formed becomes 2 in the device 1 arranged. The component 2 is so between a molding die 3 and a base plate 5 arranged it between one's base plate 5 completely circumferential edge area 4 and the molding die 3 is arranged positively and / or non-positively. In the the component 2 facing surface of the molding die 3 is the on the device 2 applied to applied structure.

Zwischen der Unterseite des Bauelements 2 und der Grundplatte 5 ist ein Arbeitsraum 6 gebildet. Dieser Arbeitsraum 6 ist insbesondere durch die Anordnung einer Dichtung 7 zwischen Randbereich 4 und Bauelement 2 gegenüber der Umgebung abgedichtet. Der Arbeitsraum 6 ist mittels zumindest eines Ventils 13 gesteuert und/oder geregelt mit einem unkompressiblen oder nahezu unkompressiblen Medium beaufschlagbar.Between the bottom of the device 2 and the base plate 5 is a workroom 6 educated. This workroom 6 in particular by the arrangement of a seal 7 between border area 4 and component 2 sealed against the environment. The workroom 6 is by means of at least one valve 13 controlled and / or regulated acted upon with an uncompressible or almost uncompressible medium.

Durch die Einleitung des Mediums in den Arbeitsraum 6 wirkt eine Kraft allseitig und gleichmäßig auf alle Begrenzungen des Arbeitsraums 6. Diese einwirkende Kraft ist von dem Druck, mit welchem das Medium in den Arbeitsraum 6 eingeleitet wird, abhängig und kann somit mittels einer Variation dieses Drucks verändert und an dem umzuformenden Werkstoff angepasst werden. Diejenige Begrenzung des Arbeitsraums 6, welche der Kraft des Mediums am wenigsten widersteht, ist das Bauteil 2. Dieses wird durch die einwirkende Kraft des Mediums gegen die Formmatrize 3 gepresst und somit entsprechend der Oberflächenstruktur der Formmatrize 3 verformt.By introducing the medium into the workspace 6 a force acts on all sides and evenly on all boundaries of the working space 6 , This acting force is determined by the pressure with which the medium enters the working space 6 is initiated, dependent and can thus be changed by means of a variation of this pressure and adapted to the material to be formed. The limitation of the workspace 6 , which is the least resistant to the force of the medium, is the component 2 , This is due to the acting force of the medium against the molding die 3 pressed and thus according to the surface structure of the molding die 3 deformed.

Dieser erste Umformschritt entspricht im Wesentlichen dem herkömmlichen hydromechanischen Umformen. Die mittels der Formmatrize 3 auf das Bauelement 2 aufbringbare Struktur ist in ihrer Geometrie eingeschränkt. Beispielsweise sind enge und/oder tiefe Kanäle, ebene Kanalbereiche, scharfkantige Ausformungen oder Ausformungen mit sehr kleinen Verrundungsradien an den Kanten nicht herstellbar.This first forming step substantially corresponds to conventional hydromechanical forming. The by means of the molding die 3 on the device 2 Applicable structure is limited in its geometry. For example, narrow and / or deep channels, flat channel areas, sharp-edged formations or formations with very small radii of curvature at the edges can not be produced.

Zur Durchführung des zweiten Umformschrittes wird das vorgeformte Bauelement 2 auf eine Aufnahmematrize 8 aufgelegt, welche korrespondierend zur endgültigen Form des Bauelements 2 ausgeformt ist. In 2 ist schematisch eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 nach dem Auflegen des vorgeformten Bauelements 2 dargestellt.To carry out the second forming step, the preformed component 2 on a receiving die 8th applied, which correspond to the final shape of the device 2 is formed. In 2 is a schematic sectional view through the device according to the invention 1 after placing the preformed component 2 shown.

In diesem Ausführungsbeispiel überragen die erhabenen Abschnitte 9 die Aufnahmematrize 8. Oberhalb der Aufnahmematrize 8 ist ein Werkzeug 10 zur mechanischen Nachformung des Bauelements 2 angeordnet. Das Werkzeug 10 ist dabei insbesondere als Nachdrückstempel ausgeformt.In this embodiment, the raised portions project beyond 9 the receiving die 8th , Above the receiving die 8th is a tool 10 for mechanical reshaping of the component 2 arranged. The tool 10 is formed in particular as a Nachdrückstempel.

Eine Werkzeugoberfläche des Werkzeugs 10 kann, wie in 2 und 3 dargestellt, derart ausgeformt sein, dass es bereichsweise auf das vorgeformte Bauelement 2 einwirkt. Dazu können beispielsweise erhabene Stempelabschnitte 11 in der Werkzeugoberfläche ausgeformt sein.A tool surface of the tool 10 can, as in 2 and 3 shown, be formed such that it partially to the preformed component 2 acts. These can, for example, raised stamp sections 11 be formed in the tool surface.

In einer besonders vorteilhaften, nicht dargestellten Ausführungsform können die auf das Bauelement 2 einwirkenden Oberflächen des Werkzeugs 10 oder der Stempelabschnitte 11 bombiert ausgebildet sein. Eine solche Bombierung ist eine Veränderung der Form und/oder Struktur der auf das Bauelement 2 einwirkenden Oberfläche eines Tiefziehwerkzeugs, so dass die Verformung des Bauelements 2 über das gewünschte Maß hinaus erfolgt und folglich ein Rückfedern des Bauelements 2 nach dem Entnehmen aus dem Tiefziehwerkzeug ausgeglichen wird.In a particularly advantageous, not shown embodiment, the on the device 2 acting surfaces of the tool 10 or the stamp sections 11 be formed cambered. Such a crowning is a change in the shape and / or structure of the component 2 acting surface of a thermoforming tool, so that the deformation of the device 2 takes place beyond the desired extent, and consequently a springback of the device 2 is compensated after removal from the thermoforming tool.

In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann das Werkzeug 10 derart ausgeformt sein, dass es vollflächig auf das vorgeformte Bauelement 2 einwirkt.In an embodiment variant, not shown, the tool 10 be formed such that it is the entire surface of the preformed component 2 acts.

In 3 ist schematisch eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 während des mechanischen Nachformens dargestellt.In 3 is a schematic sectional view through the device according to the invention 1 shown during the mechanical reshaping.

Bei der Durchführung des zweiten Umformschrittes, auch als Nachformen bezeichnet, wird das Werkzeug 10 in Richtung der Aufnahmematrize 8 abgesenkt, so dass die Stempelabschnitte 11 auf die erhabenen Abschnitte 9 des vorgeformten Bauelements 2 einwirken. Dadurch wird das Bauelement 2 vollständig ausgeformt.In carrying out the second forming step, also referred to as post-forming, the tool 10 in the direction of the female die 8th lowered so that the stamp sections 11 on the raised sections 9 the preformed component 2 act. This will be the component 2 completely formed.

Im Darstellungsbeispiel nach 3 ist mit dem Nachformen ein ebener Bereich 12 an den erhabenen Abschnitten 9 des vollständig ausgeformten Bauelements 2 herstellbar. Mittels eines solchen ebenen Bereichs 12 ist beispielweise ein späterer Fügevorgang des Bauelements 2 vereinfacht.In the illustration example 3 is a flat area with the postforming 12 at the raised sections 9 of the fully formed component 2 produced. By means of such a flat area 12 is, for example, a later joining process of the device 2 simplified.

In nicht dargestellten Ausführungsvarianten können mittels des Nachformens enge und/oder tiefe Kanäle, ebene Kanalbereiche, scharfkantige Ausformungen oder Ausformungen mit sehr kleinen Verrundungsradien an den Kanten nachgeformt werden.In non-illustrated embodiments, narrow and / or deep channels, flat channel areas, sharp-edged formations or formations with very small radii of curvature can be reshaped by means of the reshaping at the edges.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Vorrichtungcontraption
22
Bauelementmodule
33
Formmatrizeforming die
44
Randbereichborder area
55
Grundplattebaseplate
66
Arbeitsraumworking space
77
Dichtungpoetry
88th
Aufnahmematrizeaccommodation matrix
99
Abschnittsection
1010
WerkzeugTool
1111
Stempelabschnittstamp section
1212
BereichArea
1313
VentilValve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 6938449 [0003] US 6938449 [0003]

Claims (4)

Verfahren zur Herstellung von Bauelementen (2) für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, oder einen elektrochemischen Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mehrstufigen Prozess ein flächiges Bauelement (2) in einem ersten Umformschritt hydromechanisch umgeformt und in einem zweiten Umformschritt mechanisch nachgeformt wird.Method for producing components ( 2 ) for an electrochemical cell, in particular a fuel cell, or an electrochemical energy store, characterized in that in a multi-stage process, a planar component ( 2 ) is hydromechanically transformed in a first forming step and mechanically formed in a second forming step. Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Bauelement (2) mit einer mehrstufigen Umformvorrichtung hydromechanisch umformbar und anschließend mechanisch nachformbar ist.Contraption ( 1 ) for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the planar component ( 2 ) is hydromechanically deformable with a multi-stage forming device and then mechanically nachformbar. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkzeugoberfläche eines Werkzeuges (10) zur mechanischen Nachformung des Bauelements (2) zumindest bereichsweise bombiert ist.Apparatus according to claim 2, characterized in that a tool surface of a tool ( 10 ) for the mechanical reshaping of the component ( 2 ) is cambered at least in areas. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Werkzeugoberfläche des Werkzeuges (10) zur mechanischen Nachformung das Bauelement (2) zumindest bereichsweise vollständig ausformbar ist.Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that by means of the tool surface of the tool ( 10 ) for mechanical reshaping the component ( 2 ) is at least partially completely deformable.
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