DE102020207603A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (5), umfassend folgende Schritte: a. Bereitstellen von zwei flächigen Bauteilen (7), die insbesondere gestapelt vorliegen, b. stoffschlüssiges Verbinden der zwei flächigen Bauteile (7), insbesondere mittels Schweißen, in einer Fügeebene (34), wobei vor dem stoffschlüssigen Verbinden Eigenspannungen (9) in mindestens eins der zwei flächigen Bauteile (7) eingebracht werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle (1) umfassend eine Bipolarplatte (5) hergestellt nach dem Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte umfassend die Schritte Bereitstellen von zwei flächigen Bauteilen und stoffschlüssiges Verbinden der zwei flächigen Bauteile. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle umfassend eine Bipolarplatte.
  • Stand der Technik
  • Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
  • Unter anderem sind Protonenaustauschmembran(Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
  • Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als solid oxide fuel cells (SOFC) bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen und finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung.
  • Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.
  • Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
  • Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
  • Ein Brennstoffzellenstapel weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Brennstoffzellen miteinander verpressen und dem Brennstoffzellenstapel Stabilität verleihen. Die Endplatten dienen auch als Pluspol beziehungsweise Minuspol des Brennstoffzellenstapels zum Ableiten des Stroms.
  • Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird.
  • Brennstoffzellenstapel weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Weiterhin weisen Bipolarplatten üblicherweise eine Oberflächenstruktur, beispielsweise kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Zusätzlich können die Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung eines Kühlmediums durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
  • Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.
  • Ein Brennstoffzellenstapel umfasst typischerweise bis zu einigen Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise als sogenannte Sandwiches aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden-Monopolar-Platte und eine Kathoden-Monopolar-Platte, die zusammengeführt werden und eine Biopolarplatte bilden.
  • Zur Herstellung von Bipolarplatten, die Wasserstoff, Luft und ggf. das Kühlmedium, wie zum Beispiel Wasser, voneinander separieren, werden üblicherweise Stahlbleche zum Beispiel durch Laserstrahlschweißen stoffschlüssig miteinander verbunden. Um einen Bauteilverzug beim Laserstrahlschweißen zu minimieren, werden die Prozessparameter so gewählt, dass ein möglichst geringer Energieeintrag erfolgt, wobei schmale Schweißnähte mit einem geringen Schmelzbadvolumen erzeugt werden.
  • Durch das geringe Schmelzbadvolumen und die dadurch erforderlichen hohen Prozessgeschwindigkeiten ist eine Spaltüberbrückbarkeit beim Laserstrahlschweißen gering, so dass ein zu großer Spalt zwischen Anodenblech und Kathodenblech zu Fehlstellen in der Schweißnaht und somit zu Undichtigkeiten in der Bipolarplatte und damit in der Brennstoffzelle führen kann.
  • Zur Herstellung von Bipolarplatten werden üblicherweise dünne Bleche mit einer geringen Steifigkeit eingesetzt und die zu verbindenden Bleche bilden, bedingt durch den Wärmeeintrag des Schweißprozesses und dem daraus resultierenden lokalen Bauteilverzug, einen dem eigentlichen Schweißprozess vorlaufenden Spalt. Dieser Spalt kann durch eine parallel zur Schweißnaht verlaufende Einspannung der zu verbindenden Bleche nicht ausreichend schmal gehalten werden, um Fehlstellen zu vermeiden.
  • DE 10 2016 200 387 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, wobei zwei Separatorplatten miteinander verbunden werden. Die Separatoplatten liegen aufeinander und werden zum Beispiel im Überlappstoß mittels Laser dichtgeschweißt. Energie zum stoffschlüssigen Verbinden der beiden Separatorplatten wird jeweils über die beiden Außenseiten der beiden Separatorplatten zugeführt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte vorgeschlagen, umfassend folgende Schritte:
    1. a. Bereitstellen von zwei flächigen Bauteilen, die insbesondere gestapelt vorliegen,
    2. b. stoffschlüssiges Verbinden der zwei flächigen Bauteile, insbesondere mittels Schweißen, in einer Fügeebene, wobei vor dem stoffschlüssigen Verbinden Eigenspannungen in mindestens eins der zwei flächigen Bauteile eingebracht werden.
  • Die zwei flächigen Bauteile werden auf das stoffschlüssige Verbinden vorbereitet, indem die Eigenspannungen in mindestens eins, bevorzugt beide, der zwei flächigen Bauteile eingebracht werden, bevor Spannungen, die durch das eigentliche stoffschlüssige Verbinden hervorgerufen werden, auftreten. Die eingebrachten Eigenspannungen werden gezielt eingebracht, sind zeitlich stabil und bewirken ohne äußere Einflussnahme keine Materialverschiebung und/oder Verformung. Insbesondere sind Position und Größe der Eigenspannungen einstellbar. Die Eigenspannungen werden insbesondere im direkten Umfeld der herzustellenden Verbindungsnaht eingebracht. Die Spannungen, die durch das eigentliche stoffschlüssige Verbinden hervorgerufen werden, können direkt durch die entgegenwirkenden, eingebrachten Eigenspannungen zumindest teilweise kompensiert werden.
  • Das Schweißen wird insbesondere mittels Laserstrahlschweißens ausgeführt. Durch das stoffschlüssige Verbinden wird bevorzugt eine Naht, die auch als Verbindungsnaht bezeichnet werden kann, gebildet, die eine Breite von bevorzugt nicht mehr als 0,1 mm aufweist.
  • Spannungen, die durch das eigentliche stoffschlüssige Verbinden hervorgerufen werden, also insbesondere durch den zum stoffschlüssigen Verbinden eingesetzten Laser, umfassen Schweißverzüge, zum Beispiel durch Wärmeausdehnung, plastische Dehnung und Materialtransport während des stoffschlüssigen Verbindens. Spannungen, die durch das eigentliche stoffschlüssige Verbinden hervorgerufen werden, sind nur temporär, insbesondere während eines Aufheizens der zwei flächigen Bauteile und insbesondere lokal, vorhanden und verfahrensbedingt nicht vermeidbar. Sie sind meist unerwünscht und entstehen durch thermisches Ausdehnen, eine daraus resultierende Stauchung des Materials der zwei flächigen Bauteile, eine Materialverschiebung beziehungsweise einen Schmelzefluss und/oder eine nach der Solidifikation einsetzende Schrumpfung.
  • Als Spannungen, die durch das eigentliche stoffschlüssige Verbinden hervorgerufen werden, treten insbesondere vor einer Schweißnaht beim Aufheizen der zwei flächigen Bauteile Druckspannungen und nach dem Prozess des eigentlichen stoffschlüssigen Verbindens beim Abkühlen der zwei flächigen Bauteile Zugspannungen auf. Die Richtung der Dehnungen und der resultierenden Verzüge ist von der Wärmequelle, der Nahtgeometrie, dem Zeitpunkt und der Position am Bauteil abhängig.
  • Die erfindungsgemäß vor dem stoffschlüssigen Verbinden eingebrachten Eigenspannungen sind den Spannungen, die durch das eigentliche stoffschlüssige Verbinden hervorgerufen werden, entgegengerichtet. Die vor dem stoffschlüssigen Verbinden eingebrachten Eigenspannungen liegen bevorzugt, insbesondere lokal, an einem Spalt zwischen den zwei flächigen Bauteilen vor, an dem die Naht herzustellen ist. Die Eigenspannungen sind weiter bevorzugt im Bereich der Naht lateral und über eine Dicke der zwei flächigen Bauteile vertikal angeordnet.
  • Bevorzugt werden die Eigenspannungen, die also bereits vor dem stoffschlüssigen Verbinden in mindestens einem der zwei flächigen Bauteile vorliegen, mechanisch eingebracht. Weiter bevorzugt werden die Eigenspannungen durch Prägen, Walzen, Rollieren und/oder Heißprägen eingebracht.
  • Bevorzugt wird während des stoffschlüssigen Verbindens mindestens eins der zwei flächigen Bauteile in Richtung der Fügeebene verformt. Weiter bevorzugt wird mindestens eins der zwei flächigen Bauteile durch Lösen der zuvor eingebrachten Eigenspannungen in Richtung der Fügeebene verformt. Eine Fließgrenze beziehungsweise eine maximale Spannung, die in den zwei flächigen Bauteilen vorliegen kann, wird bei metallischen Werkstoffen mit steigender Temperatur herabgesetzt. Die durch das stoffschlüssige Verbinden eingebrachte Energie reduziert somit die Fließgrenze, die als aufnehmbare Spannung bis zur plastischen Verformung verstanden wird, temporär. In einem schmelzflüssigen Zustand des Materials der zwei flächigen Bauteile ist die Fließgrenze zum Beispiel auf nahe Null reduziert. Somit wird dann ein Gleichgewicht zwischen zuvor eingebrachten Eigenspannungen aufgelöst und eine Verformung der zwei flächigen Bauteile findet statt.
  • Als Eigenspannungen können Zugspannungen und/oder Druckspannungen eingebracht werden. Zugspannungen und Druckspannungen werden bevorzugt so angeordnet, dass eine durch den Temperatureintrag des stoffschlüssigen Verbindens ausgelöste lokale Reduktion der Festigkeit der zwei flächigen Bauteile die zuvor eingebrachten Eigenspannungen abgebaut werden und verbleibende, nicht durch den Temperatureintrag beeinflusste Spannungen zu einem Bauteilverzug in Richtung der Fügeebene führen. Die Zugspannungen und/oder Druckspannungen gleichen sich bevorzugt aus, um einen stationären Zustand zu erhalten.
  • Bevorzugt werden vor dem stoffschlüssigen Verbinden Zugspannungen in mindestens eins der zwei flächigen Bauteile eingebracht. Die eingebrachten Zugspannungen kompensieren insbesondere zumindest teilweise die durch das eigentliche stoffschlüssige Verbinden hervorgerufenen vorlaufenden Druckspannungen.
  • Bevorzugt wird, insbesondere zusätzlich oder unterstützend, zum insbesondere mechanischen Einbringen der Eigenspannungen vor dem stoffschlüssigen Verbinden mindestens ein Temperaturfeld in mindestens eins der zwei flächigen Bauteile eingebracht. Das Einbringen mindestens eines Temperaturfelds umfasst insbesondere das Erwärmen mindestens eines der zwei flächigen Bauteile. Insbesondere werden ein oder mehrere Temperaturfelder im Nahtbereich eingesetzt, um schweißbedingte Dehnungen weiter zu kompensieren. Das mindestens eine Temperaturfeld kann zum Beispiel durch Strahlformung eines Schweißlasers oder durch Einsatz eines zusätzlichen Lasers, insbesondere durch Laserspots, erfolgen.
  • Bevorzugt wird beim stoffschlüssigen Verbinden ein Teil mindestens eines der zwei flächigen Bauteile in Richtung der Fügeebene bewegt. Dieser Effekt ist insbesondere durch die Geometrie und die thermische Ausdehnung der zwei flächigen Bauteile bedingt, da sich erwärmendes Material in alle Raumrichtungen ausdehnt. Um eine Lenkungswirkung zu erzeugen wird insbesondere ein Materialanteil in Richtung der gewünschten Verzugsrichtung erhöht. Insbesondere ist der Teil mindestens eines der zwei flächigen Bauteile, der weiter bevorzugt an der Naht angeordnet ist, so gestaltet, dass die vorlaufenden, durch die eigentliche stoffschlüssige Verbindung hervorgerufenen Druckspannungen oder eine Ausdehnung der zwei flächigen Bauteile in eine in die Fügeebene gerichtete Bewegung resultieren.
  • Bevorzugt weist mindestens eins der zwei flächigen Bauteile Geometrieelemente mit zu einer Oberfläche des jeweiligen flächigen Bauteils senkrechter Richtungskomponente auf, die durch oben beschriebene Bewegung auch während des stoffschlüssigen Verbindens gebildet werden können. Senkrecht ist in diesem Zusammenhang dahingehend zu verstehen, dass die Geometrieelemente eine Richtungskomponente, insbesondere eine Oberfläche und/oder Längsachse, aufweisen, die mit der Oberfläche des jeweiligen flächigen Bauteils einen Winkel in einem Bereich von 60° bis 120°, bevorzugt von 70° bis 110°, weiter bevorzugt von 80° bis 100°, zum Beispiel 90°, einschließt.
  • Die Bewegung in Richtung der Fügeebene kann auch durch eine geometriebedingte Steifigkeitsreduzierung in dem jeweiligen flächigen Bauteil in Richtung des Bauteilverzugs realisiert werden. Das jeweilige flächige Bauteil weist insbesondere senkrecht zu einer Bauteilebene, also senkrecht zu der Oberfläche des Bauteils, eine reduzierte Steifigkeit auf. Durch Umformung des flächigen Bauteils zum Beispiel in eine Nutform kann die Steifigkeit des flächigen Bauteils in Nahtnähe der Fügeebene reduziert werden. Das flächige Bauteil dehnt sich durch den Temperatureintrag in der Bauteilebene aus, so dass durch eine Hebelwirkung von gegebenenfalls nicht thermisch beeinflussten Nutflanken eine Bewegungskomponente in Richtung der Fügeebene entstehen kann.
  • Die zwei flächigen Bauteile umfassen bevorzugt einen metallischen Werkstoff. Weiter bevorzugt sind die zwei flächigen Bauteile Bleche, mehr bevorzugt Stahlbleche, insbesondere jeweils ein Anodenblech oder ein Kathodenblech. Ferner weisen die zwei flächigen Bauteile bevorzugt jeweils eine Dicke von nicht mehr als 0,1 mm auf.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle umfassend eine Bipolarplatte, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Verzug der zu verbindenden Bauteile beim stoffschlüssigen Verbinden gerichtet und begrenzt, so dass das Entstehen eines prozessbedingt vergrößerten Spalts zwischen den zu verbindenden Bauteilen verhindert oder reduziert wird. Darüber hinaus können vergrößerte Spalte in der Fügeebene, die durch Bauteiltoleranzen oder Verunreinigungen entstehen, ebenso verhindert oder reduziert bzw. überwunden werden.
  • Entsprechend kann der Prozess des stoffschlüssigen Verbindens stabilisiert werden und funktionsrelevante Fehlstellen in der hergestellten Verbindung, die zu Undichtigkeiten in der Brennstoffzelle führen, können reduziert oder vermieden werden.
  • Darüber hinaus können resultierende Schweißeigenspannungen sowie ein resultierender Endverzug einer Bipolarplatte, die stoffschlüssig verbunden wird, reduziert werden.
  • Ferner können höhere Prozessgeschwindigkeiten realisiert beziehungsweise kann eine Taktzeit reduziert werden und es besteht eine größere Freiheit bei der Gestaltung von im Prozess eingesetzten Niederhaltern, so dass die Standzeit der Niederhalter erhöht wird und/oder weniger Reinigungsarbeiten erforderlich sind.
  • Durch die Prozessbedingungen des stoffschlüssigen Verbindens sind Spannungen, die durch das eigentliche stoffschlüssige Verbinden im Bauteil hervorgerufen werden, unvermeidbar, diese werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch gezielt gelenkt oder es wird ihnen entgegengewirkt.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 einen Brennstoffzellenstapel,
    • 2 einen Querschnitt einer Brennstoffzelle,
    • 3 eine erste Verbindungsnaht,
    • 4 eine zweite Verbindungsnaht,
    • 5 eine Draufsicht auf eine Verbindungsnaht,
    • 6 eine schematische Querschnittsansicht einer Verbindungsnaht beim Aufheizen,
    • 7 eine schematische Querschnittsansicht einer Verbindungsnaht beim Abkühlen,
    • 8 eine schematische Darstellung stoffschlüssigen Verbindens zweier flächiger Bauteile mit zuvor eingebrachten Eigenspannungen,
    • 9 eine schematische Darstellung stoffschlüssigen Verbindens mit zusätzlich eingebrachten Temperaturfeldern und
    • 10 eine schematische Darstellung stoffschlüssigen Verbindens mit Geometrieanpassung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 3 mit mehreren Brennstoffzellen 1. Jede Brennstoffzelle 1 weist eine Membran 35, zwei Gasdiffusionslagen 37, eine Anode 39 und eine Kathode 41 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen 1 sind durch Bipolarplatten 5, die eine Kühlplatte 43 umfassen können, voneinander abgegrenzt. Der Brennstoffzellenstapel 3, dem Wasserstoff und Sauerstoff sowie ein Kühlmedium zugeführt werden, wird durch zwei Endplatten 45 abgeschlossen und weist Stromsammler 47 auf.
  • 2 zeigt einen Querschnitt einer Brennstoffzelle 1. Die Brennstoffzelle 1 umfasst eine Bipolarplatte 5, auf der eine Membran-Elektroden-Einheit 27 angeordnet ist, die sich zwischen zwei Gasdiffusionslagen 37 befindet. In der Bipolarplatte 5 werden unter anderem Wasserstoff 29 und Wasser 31 zur Kühlung separat voneinander geführt.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Verbindungsnaht 33 in Form einer Schweißnaht. Mit der Verbindungsnaht 33 sind zwei flächige Bauteile 7 in einer Fügeebene 34 verbunden. Zwischen den zwei flächigen Bauteilen 7 fließt ein abzudichtendes Medium 51. Die hier dargestellte Verbindungsnaht 33 ist fehlerfrei ausgeführt, so dass kein Medium 51 austritt.
  • 4 zeigt eine zweite Verbindungsnaht 33. In dieser Darstellung weist die Verbindungsnaht 33 Fehlstellen 55 auf, durch die das Medium 51 austreten kann. Zwischen den flächigen Bauteilen 7 befindet sich ein Spalt 53, der nicht ausreichend durch die Verbindungsnaht 33 überbrückt wird. Die Fehlstellen 55 können als Nahteinfall, Auswurf, Nahtunterbrechung oder Risse in einer Bipolarplatte 5 auftreten oder als Poren oder Anbindungsunterbrechungen zwischen Bipolarplatten 5.
  • 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Verbindungsnaht 33, die in einer Vorschubrichtung 57 ausgeführt wird. Dazu wird ein Laserstrahl 59 in der Vorschubrichtung 57 bewegt, wobei das flächige Bauteil 7 in der Nähe der Verbindungsnaht 33 erwärmt wird, wodurch Spannungen und ein Verzug in dem flächigen Bauteil 7 hervorgerufen werden.
  • An dem Laserstrahl 59 findet ein Erwärmen statt, wobei Druckspannungen 13 auftreten. Nach Passieren des Laserstrahls 59 kühlt das flächige Bauteil 7 wieder ab, so dass in Richtung der Verbindungsnaht 33 gerichtete Zugspannungen 11 auftreten.
  • 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Verbindungsnaht 33 beim Aufheizen. Es liegen Druckspannungen 13 vor, wodurch sich lokal eine Verzugsrichtung 15 ergibt.
  • 7 zeigt eine weitere Querschnittsansicht der Verbindungsnaht 33 gemäß 6. In der hier gezeigten Darstellung ist die Verbindungsnaht 33 jedoch beim Abkühlen dargestellt, wobei Zugspannungen 11 vorliegen, aus denen sich im Vergleich zu 6 entgegengesetzt gerichtete Verzugsrichtungen 15 ergeben.
  • 8 zeigt eine schematische Darstellung stoffschlüssigen Verbindens, wobei zwei flächige Bauteile 7 mit einer Verbindungsnaht 33 mittels eines Laserstrahls 59 verbunden werden. Vor dem stoffschlüssigen Verbinden wurden in einem schraffiert dargestellten Bereich des flächigen Bauteils 7 Eigenspannungen 9 eingebracht, die Zugspannungen 11 umfassen. Diese kompensieren Druckspannungen 13, die der Verbindungsnaht 33 und insbesondere dem Laserstrahl 59 vorlaufen.
  • 9 zeigt eine weitere schematische Darstellung stoffschlüssigen Verbindens, wobei zusätzlich vor dem stoffschlüssigen Verbinden Temperaturfelder 17 in das flächige Bauteil 7 eingebracht wurden.
  • 10 zeigt eine weitere schematische Darstellung stoffschlüssigen Verbindens, wobei die Verzugsrichtung 15 einen gerichteten Schweißverzug durch Geometrieoptimierung im Nahtbereich der Verbindungsnaht 33 anzeigt. Ein umliegender Bereich der Verbindungsnaht 33 ist derart gestaltet, dass durch der Verbindungsnaht 33 vorlaufende Druckspannungen 13 und thermische Ausdehnung eine Bewegung eines Teils 19 des flächigen Bauteils 7 senkrecht zu einer Oberfläche 21 des flächigen Bauteils 7 resultiert und der Teil 19 des flächigen Bauteils 7 in Richtung der hier nicht dargestellten Fügeebene verformt wird. Dies ist in der dargestellten Ausführungsform durch Geometrieelemente 23 mit zu einer Oberfläche 21 des flächigen Bauteils 7 senkrechter Richtungskomponente realisiert.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016200387 A1 [0016]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (5), umfassend folgende Schritte: a. Bereitstellen von zwei flächigen Bauteilen (7), die insbesondere gestapelt vorliegen, b. stoffschlüssiges Verbinden der zwei flächigen Bauteile (7), insbesondere mittels Schweißen, in einer Fügeebene (34), wobei vor dem stoffschlüssigen Verbinden Eigenspannungen (9) in mindestens eins der zwei flächigen Bauteile (7) eingebracht werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenspannungen (9) mechanisch eingebracht werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des stoffschlüssigen Verbindens mindestens eins der zwei flächigen Bauteile (7) in Richtung der Fügeebene (34) verformt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem stoffschlüssigen Verbinden Zugspannungen (11) in mindestens eins der zwei flächigen Bauteile (7) eingebracht werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem stoffschlüssigen Verbinden mindestens ein Temperaturfeld (17) in mindestens eins der zwei flächigen Bauteile (7) eingebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim stoffschlüssigen Verbinden ein Teil (19) mindestens eines der zwei flächigen Bauteile (7) in Richtung der Fügeebene (34) bewegt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der zwei flächigen Bauteile (7) Geometrieelemente (23) mit zu einer Oberfläche (21) des jeweiligen flächigen Bauteils (7) senkrechter Richtungskomponente aufweist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei flächigen Bauteile (7) Bleche, insbesondere jeweils ein Anodenblech oder ein Kathodenblech, sind.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei flächigen Bauteile (7) jeweils eine Dicke (25) von nicht mehr als 0,1 mm aufweisen.
  10. Brennstoffzelle (1) umfassend eine Bipolarplatte (5) hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD133412B1 (de) 1977-11-01 1987-04-08 Manfred Beyer Verfahren und vorrichtung zum richten von geschweissten verbundprofilen mittels erwaermung
DE102007007392A1 (de) 2006-02-25 2007-08-30 Behr Gmbh & Co. Kg Verfahren zum Fügen von Bipolarplatten, insbesondere für einen Brennstoffzellenstapel eines Fahrzeugs
DE102006048580A1 (de) 2006-10-13 2008-05-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragsschweißen heißrissanfälliger Werkstoffe
DE102016200387A1 (de) 2016-01-14 2017-07-20 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH682270A5 (de) * 1991-03-05 1993-08-13 Ulf Dr Bossel

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD133412B1 (de) 1977-11-01 1987-04-08 Manfred Beyer Verfahren und vorrichtung zum richten von geschweissten verbundprofilen mittels erwaermung
DE102007007392A1 (de) 2006-02-25 2007-08-30 Behr Gmbh & Co. Kg Verfahren zum Fügen von Bipolarplatten, insbesondere für einen Brennstoffzellenstapel eines Fahrzeugs
DE102006048580A1 (de) 2006-10-13 2008-05-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragsschweißen heißrissanfälliger Werkstoffe
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