DE102010054617A1

DE102010054617A1 - Herstellungsverfahren für Bipolarplatten

Info

Publication number: DE102010054617A1
Application number: DE102010054617A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Erdmann Christian Martin; Dipl.-Ing. Schilling Dezsoe
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-06-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten (2), insbesondere für Brennstoffzellen, bei dem Polplatten (3,4) umgeformt und je zwei Polplatten (3,4) zu einer Bipolarplatte (2) gefügt werden.Zur Qualitätssteigerung wird innerhalb einer Produktionslinie (1), in der das Umformen und Fügen der Platten (3,4) erfolgt, nach dem Umformen und vor dem Fügen ein Reinigungsprozess zum Reinigen der Polplatten (3,4) mittels wenigstens eines flüssigen Mediums durchgeführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten, insbesondere für Brennstoffzellen. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Produktionslinie zum Herstellen von Bipolarplatten, insbesondere für Brennstoffzellen, die sich zur Durchführung des Herstellungsverfahrens eignet.
Bipolarplatten kommen bei der Herstellung von Brennstoffzellen zum Einsatz, bei denen mehrere Brennstoffzellenelemente aufeinander gestapelt sind und so einen Brennstoffzellenstapel bilden. Aufgabe der Bipolarplatten ist es dabei, die Anoden und die Kathoden benachbarter Zellen elektrisch zu kontaktieren. Darüber hinaus können die Bipolarplatten dazu verwendet werden, die Zuführung der Reaktionsgase und die Abführung der Reaktionsprodukte über eine strukturierte Oberfläche zu erzielen, die hierzu an den Bipolarplatten ausgebildet ist. Zur Realisierung dieser strukturierten Oberflächen werden einzelne Polplatten hergestellt, nämlich einerseits Polplatten zur Realisierung der Anode und andererseits Polplatten zur Realisierung der Kathode. Dies kann beispielsweise mittels Umformvorgängen erfolgen, bei denen ebene Plattenkörper durch Stanzvorgänge oder Tiefziehvorgänge umgeformt werden. Je eine Kathodenpolplatte und eine Anodenpolplatte werden dann auf geeignete Weise zu einer Bipolarplatte gefügt, beispielsweise verschweißt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein Herstellungsverfahren für derartige Bipolarplatten anzugeben, das zu einer vergleichsweise hohen Qualität der Bipolarplatten führt und das für eine serienmäßige Herstellung derartiger Bipolarplatten geeignet ist, insbesondere im Rahmen einer Großserienfertigung.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die einzelnen Polplatten nach dem Umformen und vor dem Fügen der Bipolarplatten zu reinigen. Dabei soll der Reinigungsvorgang zweckmäßig innerhalb einer Produktionslinie erfolgen, in der auch das Umformen und das Fügen der Platten erfolgt, wobei besagter Reinigungsprozess nach dem Umformen der Polplatten und vor dem Fügen der Bipolarplatten durchgeführt wird. Dies hat zur Folge, dass die Polplatten nach ihrer Umformung unmittelbar vor dem Fügen zu den Bipolarplatten gereinigt werden, so dass die Gefahr einer erneuten Verschmutzung bis zum Fügen der Bipolarplatten erheblich reduziert ist. Hierdurch werden saubere Polplatten gefügt, was die Qualität der so hergestellten Bipolarplatten erhöht. Durch die Integration in die Produktionslinie wird außerdem gewährleistet, dass es durch die Reinigung zu keiner zeitlichen Verzögerung in der Produktion der Bipolarplatten kommt, da die Umformung, die Reinigung und das Fügen quasi ohne Unterbrechung aufeinander folgen können, so dass insbesondere eine Zwischenspeicherung oder Verlagerung in eine separate Reinigungsstation nicht erforderlich ist. Es ist klar, dass innerhalb dieser Produktionslinie zwischen dem Umformen und dem Reinigen und/oder zwischen dem Reinigen und dem Fügen weitere Produktionsschritte bzw. Produktionsstationen vorhanden sein können. Wichtig ist hier die Integration des Reinigungsvorgangs in die Produktionslinie, so dass die Umformung, die Reinigung und das Fügen innerhalb derselben Produktionslinie nacheinander durchgeführt werden.
Entsprechend der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Reinigen der Polplatten mittels wenigstens eines flüssigen Mediums durchgeführt. Die Verwendung eines flüssigen Mediums zum Reinigen ist vorteilhafterweise besonders effektiv, beispielsweise um ölige Rückstände des Umformprozesses von den Polplatten zu entfernen.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform können die Polplatten endlos von Spulen oder Rollen zugeführt und erst beim Fügen oder nach dem Fügen vereinzelt werden. Das bedeutet, dass die Polplatten auch noch während ihrer Reinigung endlos aufeinander folgen, da das Separieren erst beim Fügen bzw. nach dem Fügen erfolgt. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, den Umformvorgang und auch den Reinigungsvorgang zeitlich zu optimieren, wodurch sich eine Großserienfertigung besonders einfach darstellen lässt. Da die Polplatten nach ihrer Umformung noch miteinander verbunden sind, lassen sie sich besonders einfach zur Fügestation transportieren und dementsprechend auch besonders einfach durch die Reinigungsstation führen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Reinigungsprozess umfassen, dass die Platten mit einem flüssigen Reinigungsmittel abgespritzt werden. Das Abspritzen unterstützt das Entfernen störender Verunreinigungen. Zusätzlich oder alternativ können die Platten mit Wasser abgespritzt werden. Entweder wird Wasser als Reinigungsmittel verwendet oder aber Wasser wird zum Entfernen des Reinigungsmittels verwendet. Dabei kann normales Wasser verwendet werden. Von besonderem Vorteil ist dabei die Verwendung von demineralisiertem Wasser, das auch mit DI-Wasser abgekürzt werden kann. DI-Wasser kann auch als deionisiertes Wasser oder als vollentsalztes Wasser oder als Deionat bezeichnet werden. DI-Wasser enthält im Wesentlichen keine im natürlichen Quellwasser oder Grundwasser vorhandenen Mineralien, also Salze bzw. Ionen. Ein typisches DI-Wasser ist destilliertes Wasser. Es ist jedoch klar, dass grundsätzlich beliebige Wasserqualitäten zwischen üblichem Quellwasser bzw. Leitungswasser und DI-Wasser verwendet werden können. Je geringer der Salz- bzw. Ionenanteil im Wasser ist, desto einfacher kann ein Trocknen der abgespritzten Polplatten rückstandsfrei durchgeführt werden.
Der Reinigungsprozess kann nach der Behandlung mit dem flüssigen Medium einen Trocknungsvorgang umfassen, der beispielsweise durch Abblasen oder Absaugen oder Erhitzen oder einer beliebigen Kombination dieser Methoden realisiert werden kann. Darüber hinaus ist es grundsätzlich möglich, den Reinigungsprozess mechanisch zu unterstützen, beispielsweise mittels Bürsteinrichtungen. Ferner können auch modernde Reinigungsprozesse zur Anwendung kommen, wie z. B. ein Plasmareinigen oder ein Laserreinigen. Wichtig ist, dass diese anderen Reinigungsverfahren bevorzugt zusätzlich zum Reinigen mit dem flüssigen Medium zur Anwendung kommen.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform können die Platten während des Reinigungsprozesses mit horizontaler oder mit vertikaler Ausrichtung transportiert werden. Die Platten sind flache Körper, die sich im Wesentlichen in einer Plattenebene erstrecken. Bei einer horizontalen Ausrichtung erstreckt sich die Plattenebene horizontal. Bei einer vertikalen Ausrichtung erstreckt sich die Plattenebene dagegen vertikal. Eine vertikale Ausrichtung der Platten eignet sich in besonderer Weise für Reinigungsprozesse, bei denen die Platten mit dem flüssigen Medium abgespritzt werden. Das flüssige, auf die Platten gespritzte Medium kann dann an den Platten schwerkraftbedingt nach unten abfließen. Im Unterschied dazu eignet sich die horizontale Ausrichtung der Platten während ihres Transports in besonderer Weise für einen Reinigungsprozess, bei dem die Platten durch ein Reinigungsbad hindurchgeführt werden, bei dem also die zu reinigenden Platten am Anfang eines mit dem flüssigen Reinigungsmittel gefüllten Tauchbads oder Tauchbeckens eintauchen und am Ende des Tauchbads bzw. Tauchbeckens wieder auftauchen bzw. austauchen. Durch die horizontale Orientierung der Platten kann hier die Tiefe des Tauchbeckens klein gehalten werden. Außerdem vereinfacht es den Transport endlos in einer Bahn aufeinanderfolgender Polplatten. Innerhalb eines solchen Reinigungsbads können außerdem mechanische Reinigungsverfahren, wie z. B. Bürsten, zur Anwendung kommen.
Eine für die Durchführung des hier vorgestellten Herstellungsverfahrens geeignete Produktionslinie umfasst somit je Polplatte zumindest eine Umformstation sowie eine Reinigungsstation und eine für die beiden Polplatten gemeinsame Fügestation.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Produktionslinie zum Herstellen von Bipolarplatten mit Umformstationen, Reinigungsstationen und einer Fügestation,
2 eine stark vereinfachte Detailansicht der Produktionslinie im Bereich einer Umformstation und einer Reinigungsstation,
3 eine stark vereinfachte Detailansicht der Produktionslinie im Bereich einer Reinigungsstation, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.
Entsprechend 1 umfasst eine Produktionslinie 1 zum Herstellen von Bipolarplatten 2 je Polplatte 3, 4 eine Umformstation 5, 6 sowie eine Reinigungsstation 7, 8. Je Bipolarplatte 2 werden zwei Polplatten 3, 4 verwendet, nämlich eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte. Die Polplatten 3, 4 werden bevorzugt von Spulen 9, 10 endlos zugeführt. Die einen Polplatten 3 kommen von der einen Spule 9, werden in der einen Umformstation 5 umgeformt und in der einen Reinigungsstation 7 gereinigt. Die anderen Polplatten 4 werden von der anderen Spule 10 zugeführt, in der anderen Umformstation 6 umgeformt und in der anderen Reinigungsstation 8 gereinigt. Nach dem Reinigen werden die Polplatten 3, 4 bei 11 zusammengeführt und in einer Fügestation 12 gefügt. Das Fügen metallischer Polplatten 3, 4 folgt zweckmäßig mittels eines Schweißvorgangs oder Lötvorgangs, allerdings sind auch andere Fügeverfahren wie Kleben oder mechanische Fügeverfahren wie z. B. Falzen ebenso möglich. Innerhalb der Fügestation 12 können die bis dahin endlos in einer entsprechenden Polplattenbahn 13 bzw. 14 aufeinanderfolgenden Polplatten 3, 4 voneinander getrennt bzw. separiert werden, nachdem sie zu den Bipolarplatten 2 zusammengefügt sind. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist für das Separieren Bipolarplatten 2 eine separate Trennstation 15 vorgesehen, die zu Erläuterungszwecken der Fügestation 12 nachgeordnet ist, jedoch grundsätzlich in die Fügestation 12 integriert sein kann.
Die jeweilige Reinigungsstation 7, 8 ist dabei so konzipiert, dass sie die Polplatten 3, 4 bzw. die Polplattenbahnen 13, 14 unter Zuhilfenahme wenigstens eines flüssigen Mediums reinigt. Der jeweilige Reinigungsprozess kann dabei mehrere Reinigungsschritte 16 bis 21 umfassen. Beispielhaft sind in 1 sechs derartige Reinigungsschritte 16 bis 21 angedeutet. Es ist jedoch klar, dass es auch mehr oder weniger Reinigungsschritte sein können. Beispielhaft können die Polplatten 3, 4 bzw. die Polplattenbahnen 13, 14 in Reinigungsschritt 16 mit Wasser bespritzt werden. In Reinigungsschritt 17 kann ein bespritzen mit DI-Wasser erfolgen. In Reinigungsschritt 18 kann ein Abblasen mit Druckluft erfolgen. In Schritt 19 kann eine Absaugung erfolgen. In Schritt 20 kann allgemein eine Trocknung durchgeführt werden. In Schritt 21 kann bspw. eine Plasmareinigung oder Laserreinigung durchgeführt werden. Es ist klar, dass hier beispielhaft angeführten Reinigungsschritte 16 bis 21 auch in anderer Reihenfolge realisiert werden können; ebenso können einzelne Schritte 16 bis 21 entfallen oder mehrfach vorhanden sein.
2 zeigt ein Beispiel, bei dem die Polplatten 3, 4 bzw. die Polplattenbahnen 13, 14 mit vertikaler Ausrichtung ihrer Plattenebenen innerhalb der Produktionslinie 1 transportiert werden, und zwar zumindest im Bereich der jeweiligen Reinigungsstation 7, 8. Die hier exemplarisch dargestellte Reinigungsstation 7, 8 umfasst wieder mehrere Reinigungsschritte bzw. Reinigungsteilstationen 16 bis 20 und 22. Bspw. finden sich wieder die Reinigungsschritte 16 bis 20, nämlich das Abspritzen mit Wasser (Schritt 16), das Abspritzen mit DI-Wasser (Schritt 17), das Abblasen (Schritt 18), das Absaugen (Schritt 19) und das Trocknen (Schritt 20). Zusätzlich ist diesen Reinigungsschritten 16 bis 20 im Beispiel der 2 ein Reinigungsschritt 22 vorgeschaltet, in dem bspw. das Abspritzen mit einem Reinigungsmittel realisiert wird. Insbesondere die Reinigungsschritte 22, 16, 17 können beliebig variiert werden, z. B. hinsichtlich ihrer Reihenfolge. Darüber hinaus lassen sie sich einfach oder mehrfach duplizieren. Bspw. kann eine Mehrfachfolge von intermittierendem Abspritzen mit Reiniger (Schritt 22), Abspritzen mit Wasser (Schritt 16) und Abspritzen mit DI-Wasser (Schritt 17) vorgesehen sein.
Darüber hinaus kann zumindest ein weiterer Reinigungsschritt 23 vorgesehen sein, der zweckmäßig nach dem Reinigen mit Hilfe des wenigstens einen flüssigen Mediums (Schritte 22, 16, 17) und insbesondere vor dem Trocknen (Schritt 20) zur Anwendung kommen kann. Bspw. kann es sich bei diesem weiteren Reinigungsschritt 23 um wenigstens eines der folgenden Reinigungsverfahren handeln: Abbürsten, Plasmareinigen und Laserreinigen.
Entsprechend 3 kann bei einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein, die Reinigung der Polplatten 3, 4 bzw. der Polplattenbahnen 13, 14 mit Hilfe eines Reinigungsbads 24 durchzuführen. Hierzu ist die jeweilige Reinigungsstation 7, 8 mit einem entsprechenden Tauchbecken 25 ausgestattet, welches das Reinigungsbad 24 enthält. Um die Polplatten 3, 4 bzw. die Polplattenbahnen 13, 14 einfach durch das Tauchbecken 25 hindurchführen zu können, werden die Polplatten 3, 4 bzw. die Polplattenbahnen 13, 14 bevorzugt mit horizontal ausgerichteten Plattenebenen transportiert, und zwar zumindest im Bereich der jeweiligen Reinigungsstation 7, 8. Mit Hilfe entsprechender Umlenkrollen oder Führungsrollen 26 kann der gewünschte Transport durch das Tauchbecken 25 geführt erfolgen.
Das Reinigungsbad 24 besteht aus einem flüssigen Medium, bei dem es sich bevorzugt um Wasser handelt, das insbesondere mit einem Reinigungsmittel versehen sein kann. Ebenso ist eine Reinigung ohne Verwendung eines derartigen Reinigungsmittels vorstellbar. Als Reinigungsmittel kommen grundsätzlich chemische Reinigungszusätze in Frage, die für die typischen Verunreinigungen eine lösende bzw. absorbierende Wirkung haben.
Innerhalb des Tauchbeckens 25 kann auch eine Spritzreinigung 27 erfolgen, bspw. mittels Hochdruckdüsen, um leicht anhaftende Verunreinigungen ablösen zu können. Ferner kann eine Ultraschallreinigung 28 durchgeführt werden, bei der bspw. Ultraschallschwinger zum Einsatz kommen, um fester anhaftende Verunreinigungen ablösen zu können. Bei 29 kann wieder ein Ablassen und/oder Absaugen erfolgen, was bevorzugt noch innerhalb des Tauchbeckens 25 jedoch außerhalb des Reinigungsbads 24 erfolgt. Nach dem Tauchbecken 25 kann bspw. wieder ein Trocknen 20 durchgeführt werden. Auch hier lassen sich die einzelnen Reinigungsschritte innerhalb des Tauchbeckens 25 hinsichtlich ihrer Reihenfolge und hinsichtlich ihrer Anzahl variieren. Zusätzlich können auch weitere Reinigungsschritte integriert werden, wie z. B. eine mechanische Abreinigung mittels Bürsten.
Mit Hilfe der hier vorgestellten Produktionslinie 11 lassen sich Bipolarplatten 2 dadurch herstellen, dass einzelne Polplatten 3, 4 zunächst umgeformt und nachfolgend zu den Bipolarplatten 2 gefügt werden. Innerhalb der Produktionslinie 1 erfolgt nach dem Umformen und vor dem Fügen der Reinigungsprozess zum Reinigen der Polplatten 3, 4, wobei zumindest ein flüssiges Medium zur Anwendung kommt. Der Transport der Polplatten 3, 4 erfolgt zweckmäßig endlos in Form von Bahnen 13, 14, die erst beim Fügen oder nach dem Fügen zu den Bipolarplatten 2 vereinzelt werden. Somit erfolgt die Vereinzelung nach dem Reinigen.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten (2), insbesondere für Brennstoffzellen, – bei dem Polplatten (3, 4) umgeformt und je zwei Polplatten (3, 4) zu einer Bipolarplatte (2) gefügt werden, – bei dem innerhalb einer Produktionslinie (1), in der das Umformen und Fügen der Platten (3, 4) erfolgt, nach dem Umformen und vor dem Fügen ein Reinigungsprozess zum Reinigen der Polplatten (3, 4) mittels wenigstens eines flüssigen Mediums durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polplatten (3, 4) endlos von Spulen (9, 10) zugeführt und erst beim Fügen oder nach dem Fügen vereinzelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsprozess umfasst, – dass die Platten (3, 4) mit einem flüssigen Reinigungsmittel abgespritzt werden und/oder – dass die Platten (3, 4) mit Wasser abgespritzt werden, und/oder – dass die Platten (3, 4) mit demineralisiertem Wasser abgespritzt werden, und/oder dass die Platten (3, 4) abgeblasen und/oder abgesaugt und/oder getrocknet werden, und/oder – dass die Platten (3, 4) gebürstet werden, und/oder – dass die Platten (3, 4) einer Plasmareinigung und/oder einer Laserreinigung ausgesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (3, 4) während des Reinigungsprozesses horizontal oder vertikal transportiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (3, 4) durch ein Reinigungsbad (24) hindurchgeführt werden.
Produktionslinie (1) zum Herstellen von Bipolarplatten (2), insbesondere für Brennstoffzellen, wobei die Produktionslinie (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgestaltet ist und insbesondere wenigstens eine Umformstation (5, 6), wenigstens eine Reinigungsstation (7, 8) und wenigstens eine Fügestation (12) umfasst.