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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
DE 10 2013 108 413 A1 beschrieben, ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels sowie ein Brennstoffzellenstapel und eine Brennstoffzelle bekannt. In dem Verfahren zum Herstellen des Brennstoffzellenstapels werden ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil, umfassend jeweils eine Gaskanalstruktur, hergestellt. Die Gaskanalstrukturen werden mittels Lasersintern, Elektronenstrahlsintern oder Wasserdampfstrahlsintern hergestellt Das erste Bauteil und das zweite Bauteil werden mit einander zugewandten Gaskanalstrukturen unter Zwischenanordnung einer die Gaskanalstrukturen trennenden Elektrolyteinheit gestapelt und materialschlüssig und/oder durch Schweißen und/oder durch Löten und/oder mittels eines generativen Verfahrens miteinander verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle oder einer Komponente für eine solche Bipolarplatte, wird erfindungsgemäß eine Folienkomponente aus Metall und/oder aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff auf ein Gesenk aufgelegt, welches eine Umformkontur zum Umformen der Folienkomponente aufweist, wobei zwischen der Folienkomponente und dem Gesenk ein Unterdruck erzeugt wird und die Folienkomponente auf ihre Erweichungstemperatur oder bis nahezu auf ihre Schmelztemperatur erwärmt wird, wobei die durch das Erwärmen erweichte Folienkomponente durch Hineinziehen in die Umformkontur des Gesenks mittels des Unterdrucks zum Bauteil umgeformt wird und wobei das Bauteil abgekühlt und aus dem Gesenk entnommen wird.
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Durch die Umformung im erweichten oder nahe der Schmelztemperatur liegenden Zustand formt sich ein Material der Folienkomponente genauer an die Umformkontur des Gesenks an. Dadurch entstehen weniger Ausdünnungen des Materials und Kanten lassen sich schärfer gestalten. Ein Rücksprungverhalten, insbesondere bei Bauteilen aus Metall, ist geringer, da mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens weniger Eigenspannungen eingebracht werden.
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Des Weiteren ist ein Werkzeugverschleiß geringer als bei herkömmlichen Umformverfahren und es ist kein passgenaues Obergesenk erforderlich, welches beispielsweise für das Tiefziehen erforderlich wäre.
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Das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen oder von Komponenten hierfür, insbesondere zur Herstellung von Elektrodenplatten für Bipolarplatten, verwendet werden. Im Vergleich zu Carbon-Platten können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens stabilere und dünnere Bipolarplatten hergestellt werden, die weniger spröde sind, da eine Kunststoffmatrix der Folienkomponente nachgiebiger ist. Insgesamt wird eine deutlich kostengünstigere und einfachere, stabilere Fertigung ermöglicht, da aufwändige und schwierige Prozessschritte, beispielsweise ein Beschichten von Metall-Bipolarplatten oder ein Verpressen von Carbon-Bipolarplatten, entfallen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Gesenks und einer aufgelegten Folienkomponente,
- 2 schematisch ein Erwärmen der Folienkomponente,
- 3 schematisch ein Umformen der Folienkomponente,
- 4 schematisch eine Detailansicht des Bereichs IV in 3, und
- 5 schematisch eine mittels anderer Umformverfahren erreichbare Form.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Anhand der 1 bis 3 wird im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils 1 beschrieben. 4 zeigt eine mittels dieses Verfahrens erreichbare ideale Form eines umgeformten Bereichs des Bauteils 1, während 5 im Vergleich dazu eine mittels anderer Umformverfahren erreichbare Form eines solchen Bauteils 1 zeigt. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle oder zur Herstellung einer Komponente, insbesondere einer Elektrodenplatte, für eine solche Bipolarplatte.
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Ein großes Problem bei einem Umformen von Bauteilen 1 für solche Bipolarplatten 1 für Brennstoffzellen ist eine mangelnde Formgenauigkeit und Ebenheit, insbesondere von Elektrodenplatten der Bipolarplatte. Bei einem Fügen, beispielsweise durch Kleben oder Schweißen, führt dies zu einer Spaltbildung und/oder zu einer Verspannung der Elektrodenplatten und/oder einer Zwischenplatte. Dies kann zu Undichtigkeiten führen, schlimmstenfalls erst während eines Betriebs der Brennstoffzelle beispielsweise in einem Fahrzeug.
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Bei der Herstellung solcher Bipolarplatten wird angestrebt, dass Kanten von Kanälen K einer Kanalstruktur KS möglichst scharf ausgebildet sind und gerade Abschnitte zwischen den Kanälen K, auch als Landing Zone LZ bezeichnet, möglichst groß und eben sind, um eine optimale Auflage einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) und/oder Gasdiffusionsschicht (GDL) sicherzustellen. Insbesondere bei Bipolarplatten aus Edelstahl treten jedoch genau dort Ausdünnungen und Kantenverrundungen auf, weil das Material dort sehr stark umgeformt und gegebenenfalls auch kaltverfestigt wird. Dadurch besteht die Gefahr einer Rissbildung, wenn dort die Kanten zu scharf ausgebildet werden. Durch Verschleiß in einem Gesenk 2 zur Ausbildung der Kanäle K werden die Kanten nach einer fortgesetzten Herstellungszeit mit herkömmlichen Umformverfahren bei neu ausgebildeten Bipolarplatten zudem immer runder, d. h. Radien werden größer.
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Daher wäre es vorteilhaft, eine möglichst dünne Metallfolie zur Ausbildung insbesondere der jeweiligen Elektrodenplatte zu verwenden, denn je dünner die Metallfolie ist, desto besser ist deren Umformbarkeit. Jedoch treten, je dünner die Metallfolie ist, bei Ausdünnungen verstärkt Risse und Undichtigkeiten auf.
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Bei metallischen Bipolarplatten wird daher bisher der Radius der Kanäle K so groß gewählt, dass keine Risse auftreten. Ein Nachteil ist dabei ein Verlust an Fläche der Landing Zone LZ und an Volumen in den Kanälen K, insbesondere Kühlkanälen und/oder Gaskanälen.
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Alternativ zu solchen Bipolarplatten aus Metall können die Bipolarplatten beispielsweise aus gepresstem Kohlenstoff ausgebildet werden. Derartige Bipolarplatten sind jedoch sehr teuer und aufwändig in der Herstellung. Zudem sind sie sehr spröde. Insbesondere dadurch sind deren Handling und die Brennstoffzellenstapelbildung, d. h. das Stacking, aufwändig. Es besteht die Gefahr des Bruchs.
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Um diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, wird im hier beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Bauteils 1, insbesondere der Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle oder der Komponente, insbesondere der Elektrodenplatte, für eine solche Bipolarplatte, eine Folienkomponente 3 aus Metall und/oder aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, in das Gesenk 2 eingelegt, genauer gesagt auf dieses aufgelegt, wie in 1 gezeigt. Das Gesenk 2 weist eine Umformkontur 4 zum Umformen der Folienkomponente 3 auf. Die Umformkontur 4 entspricht insbesondere einer gewünschten Kontur des herzustellenden Bauteils 1, im hier dargestellten Beispiel insbesondere umfassend die Kanalstruktur KS mit den Kanälen K, insbesondere Kühlkanälen und/oder Gaskanälen, der Bipolarplatte.
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Die Folienkomponente 3 ist beispielsweise als eine dünne Metallfolie, als eine elektrisch leitfähige Kunststofffolie oder als ein Verbund aus beidem ausgebildet, zum Beispiel als eine, insbesondere dünne, Metallfolie, welche beispielsweise eine Dicke von 10 µm bis 100 µm, bevorzugt eine Dicke von 20 µm bis 50 µm, aufweist, und auf mindestens einer Seite mit einer elektrisch leitfähigen Kunststoffschicht überzogen ist. Die Kunststoffschicht ist beispielsweise als eine Folie, als ein Folienverbund oder als eine Lackschicht ausgebildet.
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Die Folienkomponente 3 wird auf ihre Erweichungstemperatur oder bis nahezu auf ihre Schmelztemperatur erwärmt, wie in 2 gezeigt. Dies kann beispielsweise mittels mindestens einer als Laservorrichtung, als Elektronenstrahlvorrichtung oder als Infrarotvorrichtung ausgebildeten Wärmequelle 5 erfolgen, beispielsweise mittels eines flächigen Laserstrahls oder Elektronenstrahls oder mittels eines linienförmigen oder punktförmigen Laserstrahls oder Elektronenstrahls, der über eine Fläche der Folienkomponente 3 gescannt wird, d. h. hinwegbewegt wird.
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Insbesondere das Erwärmen der Folienkomponente 3 erfolgt vorteilhafterweise unter Temperaturüberwachung, beispielsweise mittels eines Pyrometers und/oder mittels einer Wärmebildkamera.
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Zwischen der Folienkomponente 3 und dem Gesenk 2 wird ein Unterdruck punt erzeugt, wodurch die durch das Erwärmen erweichte Folienkomponente 3 aufgrund eines Differenzdrucks zwischen einem Umgebungsdruck pumg und dem Unterdruck punt an die Umformkontur 4 gedrückt wird, so dass die Folienkomponente 3 durch Hineinziehen in die Umformkontur 4 des Gesenks 2 mittels des Unterdrucks punt zum Bauteil 1 umgeformt wird.
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Im dargestellten Beispiel wird diese Unterdruckerzeugung dadurch realisiert, dass im Gesenk 2, beispielsweise mittels Erodieren, mittels eines gepulsten Lasers oder mittels eines Ultrakurzpulslasers, Gesenkkanäle 6, insbesondere sehr kleine Gesenkkanäle 6, eingebracht sind. Diese Gesenkkanäle 6 werden an eine hier nicht dargestellte Unterdruckerzeugungseinheit angeschlossen, um die Luft zwischen Gesenk 2 und Folienkomponente 3 abzusaugen und somit den Unterdruck punt zwischen Gesenk 2 und Folienkomponente 3 auszubilden.
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Im hier dargestellten Beispiel ist zwischen den Gesenkkanälen 6 und der Unterdruckerzeugungseinheit ein Gasraum 7 im Gesenk 2 ausgebildet. Dieser Gasraum 7 ist über einen Unterdruckanschluss 8 fluidisch mit der Unterdruckerzeugungseinheit verbunden, so dass der Gasraum 7 und somit auch die Gesenkkanäle 6 mittels der Unterdruckerzeugungseinheit mit dem Unterdruck punt beaufschlagt werden.
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Nach auf diese Weise erfolgtem Umformen der Folienkomponente 3 zum Bauteil 1 wird das Bauteil 1 abgekühlt, insbesondere indem die Wärmequelle 5 abgeschaltet oder heruntergefahren wird, so dass das Bauteil 1 in der ausgebildeten Form erstarrt. Anschließend wird das Bauteil 1 aus dem Gesenk 2 entnommen.
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In einer alternativen Ausführungsform kann, alternativ zur Folienkomponente 3, ein Kunststoffilm oder ein lösemittelhaltiger Film mit eingebrachten elektrisch leitfähigen Partikeln, beispielsweise Graphit, Graphen und/oder Metallpartikel, verwendet werden, welcher auf die Umformkontur 4 des Gesenks 2 aufgesprüht oder aufgedruckt wird, wobei auch hier mittels des Unterdrucks punt und Schwerkraft das Bauteil 1 mit der vorgesehenen Form durch das Gesenk 2 und dessen Umformkontur 4 ausgeformt wird. Durch den Unterdruck punt wird dabei ein sauberes Anlegen des Kunststofffilms oder lösemittelhaltigen Films an das Gesenk 2, insbesondere an dessen Umformkontur 4, erreicht.
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Der Kunststoffilm oder lösemittelhaltige Film wird dann mittels der oben beschriebenen Erwärmung durch die Wärmequelle 5 ausgehärtet. Alternativ zu diesem Aushärten durch Erwärmen mittels der Wärmequelle 5 kann das Aushärten beispielsweise mittels Photopolymerisation erfolgen. Hierfür wird an Stelle der in den 1 bis 3 dargestellten Wärmequelle 5 insbesondere eine UV-Strahlungsquelle verwendet und als Kunststoff wird ein UV-härtender Kunststoff verwendet. Nach dem Aushärten wird das Bauteil 1 aus dem Gesenk 2 entnommen.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann, alternativ zur Folienkomponente 3, ein Gelfilm mit eingebrachten elektrisch leitfähigen Partikeln auf die Umformkontur 4 des Gesenks 2 aufgebracht oder aufgelegt werden, wobei auch hier mittels des Unterdrucks punt und Schwerkraft das Bauteil 1 mit der vorgesehenen Form durch das Gesenk 2 und dessen Umformkontur 4 ausgeformt wird, indem der Gelfilm in die Umformkontur 4 gedrückt wird. Durch den Unterdruck punt wird dabei ein sauberes Anlegen des Gelfilms an das Gesenk 2, insbesondere an dessen Umformkontur 4, erreicht. Nach dem Aushärten wird das Bauteil 1 aus dem Gesenk 2 entnommen.
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4 zeigt die durch das Verfahren ermöglichte Ausbildung der Kontur, insbesondere der Kanalstruktur KS, des Bauteils 1. Mittels des Verfahrens wird eine maximale Auflagefläche zwischen den Kanälen K, d. h. eine maximale Landing Zone LZ, erreicht.
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5 zeigt zum Vergleich ein mittels eines herkömmlichen Verfahrens umgeformtes Bauteil 1 aus Edelstahl. Dadurch bilden sich runde Kanten, wodurch die Landing Zone LZ reduziert wird, und zudem bilden sich Materialausdünnungen und das Material des Bauteils 1 federt zurück. Dies wird mittels des hier beschriebenen Verfahrens vermieden.
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Durch die Umformung im erweichten oder nahe der Schmelztemperatur liegenden Zustand formt sich das Material der Folienkomponente 3 genauer an die Umformkontur 4 des Gesenks 2 an. Das gleiche gilt für film- oder gelartige Ausgangsmaterialien gemäß den alternativen Ausführungsformen. Es bilden sich dadurch weniger Ausdünnungen und die Kanten lassen sich schärfer gestalten. Zudem ist ein Werkzeugverschleiß geringer. Des Weiteren ist, im Gegensatz beispielsweise zum Tiefziehen, kein passgenaues Obergesenk erforderlich. Das Rücksprungverhalten bei Metallplatten ist bei dem hier beschriebenen Verfahren geringer, da weniger Eigenspannungen eingebracht werden.
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Gegenüber Carbon-Platten können stabilere und dünnere Bipolarplatten hergestellt werden, die weniger spröde sind, da der Kunststoff nachgiebiger ist. Insgesamt wird eine deutlich kostengünstigere und einfachere, stabilere Fertigung erreicht, da aufwändige und schwierige Prozessschritte, zum Beispiel ein Beschichten von Metall-Bipolarplatten oder ein Verpressen von Carbon-Bipolarplatten, entfallen.
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Werden mittels des hier beschriebenen Verfahrens Elektrodenplatten für Bipolarplatten hergestellt, so werden beispielsweise anschließend zwei solche Elektrodenplatten zusammengefügt, zum Beispiel mittels Kleben, thermischem Fügen, Laserschweißen und/oder Elektronenstrahlscheißen (EB-Schweißen), um die Bipolarplatte auszubilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013108413 A1 [0002]
