DE102020120407A1 - Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten (1.1 bis 1.3) für Brennstoffzellen, wobei zumindest zwei Einzelplatten zusammengebracht und durch Schweißen miteinander verbunden werden, soll eine Mehrzahl von zusammengebrachten Einzelplatten einer Einrichtung zum Schweißen zugeordnet werden und das Schweißen dieser zusammengebrachten Einzelplatten gemeinsam erfolgen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten für Brennstoffzellen, wobei zumindest zwei Einzelplatten zusammengebracht und durch Schweißen miteinander verbunden werden.
• Stand der Technik
• In den letzten Jahren hat die Brennstoffzellentechnologie aufgrund der wachsenden Besorgnis über den Abbau fossiler Brennstoffe und den Klimawandel zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eine Entwicklung, um dem zu entgegnen, ist die Verwendung von Brennstoffzellen, die mit einem „sauberen“ Brennstoff betrieben werden. Hierzu zählen vor allem:
• - Alkaline Fuel Cell (AFC, Elektrolyt Kalilauge, Anodengas H2)
• - Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM-FC oder PEM Elektrolyt Polymermembran, Anodengas H2 oder Methanol))
• - Direct Methanol Fuel Cell (DMFC Elektrolyt Polymermembran, Anodengas Methanol)
• - Phosphoric Acid Fuel Cell (Elektrolyt Phosphorsäure, Anodengas H2 oder Methan)
• - Molten Carbonate Fuel Cell (Elektrolyt Alkalikarbonatschmelze, Anodengas H2, Methan, Kohlegas)
• - Solid Oxid Fuell Cell (Elektrolyt Oxidkeramik, Anodengas H2, Methan, Erdgas, Kohlegas)
• Eine einzelne Brennstoffzelle hat eine im Allgemeinen nicht ausreichende Leistung. Um die zu erhöhen, werden mehrere einzelne Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellen-Stack zusammengebaut. Eine Trennplatte zwischen den einzelnen Zellen wird als Bipolarplatte bezeichnet. Sie stellt den elektrischen Kontakt zwischen Anode und Kathode her und leitet die an der Anode erzeugten Elektronen weiter zur benachbarten Zelle. Über strukturierte Oberflächen der Bipolarplatte werden zudem die chemisch aktiven Zonen der Anode und Kathode mit Brenngas bzw. mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff versorgt.
• Bei der elektrokatalytischen Umwandlung des Wasserstoffs entsteht Produktwasser und es fällt Wärme an. Beides wird über die Bipolarplatte aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Hierfür werden die Bipolarplatten üblicherweise aus zwei einzelnen Plattenhälften zusammengesetzt. In die Bipolarplattenhälften sind Kanäle für die Wasserstoff- und Sauerstoffversorgung sowie für das Kühlwasser eingearbeitet. Durch das Aneinanderlegen und Fügen von zwei Plattenhälften werden die Kühlkanäle abgedichtet.
• Die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) haben sich als ein vielversprechender Kandidat für den Ersatz von Verbrennungsmotoren in der Automobilindustrie herausgestellt und erzeugen Strom aus der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Sie sind gekennzeichnet durch:
• - niedrige Betriebstemperaturen (unter 100° Celsius)
• - schnelle Inbetriebnahme
• - hohe Leistungsdichte
• - hohe Effizienz und
• - niedrige Treibhausgasemissionen.
• Die Schlüsselkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind die Bipolarplatten (BPPs) und die Membranelektrodenanordnung (MEA). Letztere umfasst eine Protonenaustauschmembran, die beidseitig von einer Gasdiffusionsschicht (GDL) und einer Katalysatorschicht belegt ist.
• Die BPPs machen etwa 60 bis 80 Prozent des Stapelgewichts und bis zu 30 bis 50 Prozent der Kosten für die Stapelherstellung aus. Sie sind multifunktionale Komponenten, die verantwortlich sind für
• - eine gleichmäßige Verteilung der Reaktantengase (H2 und O2) über die Strömungskanäle
• - das Entfernen der Wärme-und Reaktionsprodukte (Wasser) von der Zellanordnung
• - eine elektrische Verbindung der Katode einer Zelle mit der Anode der benachbarten Zelle und
• - die Bereitstellung einer strukturellen Unterstützung für die dünne und mechanisch schwache MEA.
• Daher sollte ein ideales Material für BPPs die folgenden Eigenschaften aufweisen:
• - hohe elektrische Leitfähigkeit
• - geringe Gasdurchlässigkeit
• - hohe Korrosionsbeständigkeit
• - hohe mechanische Festigkeit und
• - niedrige Kosten
• Die früheren BPPs wurden aus hochdichtem Graphit hergestellt, der eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine hohe thermisch/elektrische Leitfähigkeit besitzt. Trotzdem sind die Graphitplatten spröde, weisen eine geringe mechanische Festigkeit und hohe Herstellungskosten auf, was auf die Notwendigkeit zurückzuführen ist, die Strömungsfeldkanäle zu fräsen, Obwohl heute auch schon ein „Verpressen“ von Graphit-Substratpulver stattfindet. Die Verwendung von metallischen Materialien ermöglichen die Anwendung anderer Herstellungstechniken, einschließlich Stanzen, Hydroformen, Gummipolsterformen, mikroelektrische Entladungsbearbeitung, elektrochemische Mikrobearbeitung und Vakuumdruckguss.
• Unter den Metallkandidaten für BPPs werden rostfreie Stähle, Legierungen auf Ni-Basis, Legierungen auf Ti-Basis und Legierungen auf AI-Basis für PEM-Brennstoffzellen in Betracht gezogen.
• Die Hauptnachteile von Metallen sind die hohe Dichte und die schwache Korrosionsbeständigkeit. In Bezug auf die hohe Dichte kann dies durch die Verwendung ultradünner Bleche gemildert werden, was die Anwendung verschiedener Umformverfahren zur Herstellung der BPPs erfordert.
• Die Korrosion der BPPs führt zur Freisetzung von Metallionen, die die PEM kontaminieren. Zusätzlich wird während des Brennstoffzellenbetriebs ein passiver Oxid-Film auf der BPP-Oberfläche erzeugt, der den Grenzflächenkontaktwiderstand zwischen den BPPs und der GDL erhöht. Beide zuvor genannten Bedingungen verringern die Stapelleistung und Lebensdauer erheblich. Daher wurden in den letzten Jahren mehrere Studien durchgeführt, um die Korrosionsbeständigkeit mithilfe von Beschichtungen zu verbessern.
• Bei den bekannten BPPs ist die Strömungsfeldkonfiguration von hoher Bedeutung. Durch sie wird ein Kanalmuster definiert, dessen Hauptfunktion darin besteht, die Reaktantengase (H2 und O2) gleichmäßig über die jeweiligen GDL zu verteilen und das während der Reaktion entstehende Wasser zu entfernen. Da die Leistung der PEM- Brennstoffzelle stark vom Strömungsfeld-Design beeinflusst wird, wurden mehrere numerische Modelle entwickelt.
• Ein sehr wichtiger Teil der Herstellung der Bipolarplatten, die in der Regel aus zwei Plattenhälften bestehen, ist das Zusammenschweißen dieser beiden Plattenhälften. In der Regel geschieht dies mittels Laser Schweißung, da diese relativ kontinuierlich durchgeführt werden kann und gute Schweißergebnisse erzielt.
• Aufgabe
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellung von Bipolarplatten zu verbessern und zu erleichtern.
• Lösung der Aufgabe
• Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass eine Mehrzahl von zusammengebrachten Einzelplatten einer Einrichtung zum Schweißen zugeordnet wird und das Schweißen dieser zusammengebrachten Einzelplatten gemeinsam erfolgt.
• Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, dass nicht mehr jede einzelne Bipolarplatte durch Zusammenschweißen der Einzelplatten hergestellt wird, sondern dass eine Mehrzahl von zusammengefügten Bipolarplatten nebeneinander oder nacheinander aufgereiht wird und das Zusammenschweißen der Einzelplatten gemeinsam erfolgt. Hierzu ist natürlich notwendig, dass die Schweißeinrichtung so ausgelegt ist, dass sie eine entsprechende Mehrzahl von Schweißlinien erzeugen kann, die beanstandet voneinander sind. Technisch gesehen, mag dies durch einen einzigen Schweißkopf möglich sein, praktikabel dürfte das Verfahren allerdings nur sein, wenn auch eine Mehrzahl von Schweißköpfen vorgesehen ist. Dennoch soll auch die erste Möglichkeit vom Erfindungsgedanken umfasst sein.
• In einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel hat es sich als ratsam erwiesen, die Schweißköpfe an einer gemeinsamen Traverse anzuordnen. Diese Traverse überspannt dann auch die aufgereihten, zusammenzufügenden Bipolarplatten und übernimmt bevorzugt die Bewegung aller Schweißköpfe gemeinsam. Somit ist zum einen darauf Wert zu legen, dass die Bipolarplatten bzw. die Einzelplatten exakt unterhalb der Traverse ausgerichtet werden, wozu entsprechende Aufnahmen für die Einzelplatten mit entsprechenden Marken zum Ausrichten vorgesehen sind. Zum anderen muss auch die gemeinsame Bewegung der Schweißköpfe sehr exakt erfolgen. Es dürfte sich als ratsam erweisen, dass hierzu die Schweißköpfe nicht nur steuerungstechnisch sondern auch mechanisch miteinander gekoppelt sind. Am besten wäre es wohl, einen gemeinsamen Antrieb für alle Schweißköpfe vorzusehen, der entweder direkt mit den Bewegungsrichtungen der Traverse oder mit Bewegungseinrichtungen für die Schweißköpfe verbunden ist. Ungeachtet dessen soll von der Erfindung allerdings auch umfasst sein, dass jeder Schweißkopf eine eigene Bewegungsrichtung aufweist, die dann allerdings bevorzugt mit einer gemeinsamen Steuerung verbunden sind.
• Vom Erfindungsgedanken soll aber auch umfasst sein, dass nicht die Traverse insgesamt, sondern nur ein Teil von ihr oder gar nur ein einzelner Schweißkopf, harmonisiert mit den anderen Schweißköpfen, bewegt wird.
• Welches Schweißverfahren bei der vorliegenden Erfindung Anwendung findet, spielt eine untergeordnete Bedeutung. Bevorzugt wird natürlich das Laser-Schweißverfahren, vor allem aus praktikablen Gründen.
• Figurenbeschreibung
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihrer einzigen Figur eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Bipolarplatten 1.1 bis 1.3. In der Regel bestehen diese Bipolarplatten 1.1 bis 1.3 aus mindestens zwei Einzelplatten, die zusammengeschweißt und vor allem an den Rändern abgedichtet werden müssen. Hierzu ist eine Mehrzahl von Schweißköpfen 2.1 bis 2.6 vorgesehen, die an einer Traverse 3 angeordnet sind. Die Traverse 3 überspannt die Bipolarplatten 1.1 bis 1.3 und stützt sich seitlich davon auf zwei Fahrwerken 4.1 und 4.2 ab. Diese Fahrwerke 4.1 und 4.2 sind in Richtung X und Y bewegbar.
• Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:
• Sobald die Bipolarplatten 1.5 bis 1.3 mit ihren Einzelplatten unterhalb der Traverse 3 angeordnet sind, beginnt das Zusammenschweißen der Einzelplatten. Hierzu werden die Schweißköpfe 2.1 bis 2.6 in Tätigkeit versetzt, sodass mit ihnen gestrichelt angedeutete Schweißnähte 5 erzeugt werden können. Gleichzeitig werden die Schweißköpfe 2.1 bis 2.6 mittels der Fahrwerke 4.1 und 4.2 über die Traverse 3 in entsprechende Richtung X bzw. Y bewegt, so dass die beispielsweise mäanderartige Schweißnaht 5 erzeugt wird. Dies geschieht gemeinsam für sämtliche Bipolarplatten 1.1 bis 1.3.
• Bezugszeichenliste

1

Bipolarlatte

2

Schweißkopf

3

Traverse

4

Fahrwerk

5

Schweißnaht

X

Richtung

Y

Richtung

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen von Bipolarplatten (1.1 bis 1.3) für Brennstoffzellen, wobei zumindest zwei Einzelplatten zusammengebracht und durch Schweißen miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von zusammengebrachten Einzelplatten einer Einrichtung zum Schweißen zugeordnet wird und das Schweißen dieser zusammengebrachten Einzelplatten gemeinsam erfolgt.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, in der Einrichtung eine Mehrzahl von Schweißköpfen (2.1 bis 2.6) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißköpfe (2.1 bis 2.6) an einer gemeinsamen Traverse (3) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Traverse gegenüber den zusammengebrachten Einzelplatten (1.1 bis 1.3) bewegbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißköpfe (2.1 bis 2.6) gemeinsam bewegbar sind.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Traverse (3) zumindest ein Fahrwerk (4.1, 4.2) zugeordnet ist.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißköpfe Laser-Schweißköpfe (2.1 bis 2.6) sind.

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