DE102021104821A1 - Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Bipolarplatte - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Bipolarplatte, in einem Werkzeug mit mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsstationen (I, II, III) zum Schneiden bzw. Umformen des Werkstücks mit oberen Werkzeugen (3.1-3.6) und unteren Werkzeugen (2.1-2.6), sollen die Schneidwerkzeuge (3.1,3.2; 3.5,3.6) den Umform-Werkzeug (3.3,3.4) voreilend betrieben werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Bipolarplatte, in einem Werkzeug mit mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsstationen zum Schneiden bzw. Umformen des Werkstücks mit oberen Werkzeugen und unteren Werkzeugen, sowie eine Vorrichtung hierfür.
• 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.
• Aus all diesem ist ersichtlich, dass an die Bipolarplatten komplexe technische Anforderungen gestellt werden, auf die bereits bei der Herstellung aus einem Werkstoffstreifen erheblich Rücksicht genommen werden muss. Vor allem muss darauf geachtet werden, dass aufgrund der hohen benötigten Presskräfte für die Umformoperationen und der hohen Hubzahlen, die für eine wirtschaftliche Produktion von Bipolarplatten notwendig ist, von einer erheblichen Dynamik innerhalb des Pressgestells auszugehen ist. Da das Ausgangsmaterial für die Bipolarplatten sehr dünn ist, wird zum eigentlichen Ausformen, beispielsweise durch Stanzen oder Schneiden, nur ein sehr geringer Anteil der Presskraft benötigt. Dieser Anteil liegt bei ca. 1 % der gesamten Presskraft. Ferner wird zum Schneiden der Bipolarplatten ein extrem enger Schneidspalt zwischen Stempel und Matrize benötigt. Obwohl das Ausformen-Werkzeug in vielen Fällen ein eigenes, hoch genaues Führungssystem besitzt, besteht durch Querkräfte während des Umformprozesses die Gefahr, das Schneidwerkzeug aufgrund der filigranen Abmessungen der Bipolarplatten zu beschädigen.
• Aus der EP 2 608 299 A1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zum Herstellen von Bipolarplatten bekannt, wobei ein Folgeverbundwerkzeug mindestens eine erste Stufe zum teilweisen Freischneiden der Stirn- und optional der Seitenränder eines Zuschnitts für die Bipolarplatte, eine zweite Stufe zum Einformen der Oberflächenstruktur in den Zuschnitt, zum Lochen der Innenformen und Schneiden der Referenzgeometrien am freigeschnittenen Zuschnitt und eine dritte Stufe zum Schneiden der Außenkontur und Austragen der fertigen Bipolarplatte aus dem Werkzeug umfasst, wobei als Presse eine Feinschneidpresse mit gegeneinander auf das Werkzeug-Oberteil und Werkzeug-Unterteil hydraulisch wirkenden Ringzackenkolben und Gegenhalterkolben vorgesehen ist, die so aufeinander abgestimmt sind, dass in der zweiten Stufe mindestens eine Druckform zum Umformen gegenüber den Loch-und Schneidstempeln während der Hubbewegung letzteren voreilt.
• Aufgabe
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der oben genannten Art zu entwickeln, bei denen die Querkräfte aufgrund des Umform-Vorgangs keinen oder nur einen sehr geringen Einfluss auf die Schneid- Operationen haben.
• Lösung der Aufgabe
• Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass die Schneidwerkzeuge den Umform-Werkzeugen voreilend betrieben wird/werden.
• Unter Schneiden wird das ganze oder teilweise Lösen des Werkstücks aus einem Werkstoffstreifen oder von Teilen aus dem Werkstück angesehen. Bekannt sind hier vor allem ein Ausstanzen oder Ausschneiden. Von der vorliegenden Erfindung wird jedoch jeder Vorgang zum Lösen eines Werkstücks aus einem Werkstoffstreifen oder Teilen aus dem Werkstück umfasst.
• Unter Umformen wird eine Änderung der Struktur des Werkstücks angesehen, die beispielsweise durch ein Tiefziehen oder insbesondere durch ein Prägen erfolgt. Auch darauf soll aber die vorliegende Erfindung nicht beschränkt sein. Der Erfindungsgedanken umfasst jedes bekannte Umformen.
• Bevorzugt ist dabei, dass die Werkzeuge zumindest teilweise mit einer unterschiedlichen Presskraft betrieben werden. Beispielsweise können den Schneid-Werkzeugen eigene Hydraulikzylinder zugeordnet werden, die es ermöglichen, dass zuerst das Schneiden stattfindet, bevor die eigentliche Werkzeugplatte zusammen mit dem Umform-Werkzeug abgesenkt wird und das Werkstück umformt. Wichtig ist allein, dass das Schneiden schon stattgefunden hat, bevor das Umformen beginnt. Bei der Aufwärtsbewegung der Werkzeugplatte werden dann die Werkzeuge wieder gelüftet.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in dem Werkzeug zumindest eine Arbeitsstation zum Schneiden des Werkstücks aus einem Werkstoffstreifen und zumindest eine Arbeitsstation zum Umformen des Werkstücks angeordnet werden. Dabei kann nach einer Arbeitsstation zum Schneiden des Werkstücks eine Arbeitsstation zum Umformen dieses Werkstücks vorgesehen werden. Dies soll aber nur als Beispiel gelten, die Anordnung könnte auch umgekehrt sein, dass nämlich zuerst ein Umformen und dann ein Schneiden stattfindet
• Von der vorliegenden Erfindung umfasst wird auch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Bipolarplatte, in einem Werkzeug mit mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsstationen aus einem oberen Werkzeug und einem unteren Werkzeug, wobei die oberen Werkzeuge an einer gemeinsamen Werkzeugplatte angeordnet sein können und die Werkzeuge zumindest teilweise mit einer unterschiedlichen Presskraft beaufschlagbar sind. Bevorzugt geschieht dies separat von einer Presskraft der Werkzeugplatte mit einer eigenen Kraft oder Bewegung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich vor allem auf Bipolarplatten. Sie kann jedoch grundsätzlich auch angewendet werden bei der Herstellung allgemein von Mikrostrukturplatten, die zum Beispiel zur Batteriekühlung, als Separatorplatten für Elektrolyse usw. Anwendung finden.
• 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 Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen von Bipolarplatten.
• Auf einem Werkzeugtisch 1 sind untere Werkzeuge 2.1-2.6 angeordnet. Diesen sind jeweils gegenüberliegend obere Werkzeuge 3.1-3.6 an einer Werkzeugplatte 4 zugeordnet. Da vorzugsweise immer ein Pärchen von Bipolarplatten hergestellt bzw. bearbeitet werden soll, bilden die Werkzeugpaare 2.1 und 3.1 sowie 2.2 und 3.2 eine Arbeitsstation I, die Werkzeugpaare 2.3 sowie 3.3 und 2.4 sowie 3.4 eine Arbeitsstation II und die Werkzeugpaare 2.5 sowie 3.5 und 2.6 sowie 3.6 eine Arbeitsstation III. Die Arbeitsstation I dient zum Schneiden von gewünschten Innenkonturen in den Bipolarplatten, die Arbeitsstation II zum Umformen der Bipolarplatten und die Arbeitsstation III wieder zum Schneiden der Außenkonturen der Bipolarplatten.
• Die oberen Werkzeuge 3.1-3.6 können gemeinsam durch die Werkzeugplatte 4 bzw. eine entsprechende mechanische oder hydraulische Einrichtung gegen die unteren Werkzeuge 2.1-2.6 bewegt werden. Zusätzlich können die oberen Werkzeuge 3.1,3.2 und 3.5,3.6 noch durch eine eigene Einrichtung 5, die nur schematisch angedeutet ist, gegen die entsprechenden unteren Werkzeuge 2.1,2.2 sowie 2.5,2.6 bewegt werden. Damit hier ein exaktes Führen erfolgt, sind die jeweiligen unteren Werkzeuge 2.1,2.2 sowie 2.5,2.6 und die oberen Werkzeuge 3.1,3.2 und 3.5,3.6 über Führungssäulen miteinander verbunden.
• Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:
• Zwischen die unteren Werkzeuge 2.1-2.6 und die oberen Werkzeuge 3.1-3.6 wird ein Metallband eingeführt, aus dem vorzugsweise jeweils zwei Bipolarplatten bei einem Pressenhub erzeugt werden sollen. Hierzu wird die Werkzeugplatte 4 gegen den Werkzeugtisch 1 geführt, wobei die Einrichtungen 5 bereits die Schneidwerkzeuge 3.1,3.2 und 3.5,3.6 ausgefahren haben, sodass diese ihre Schneidarbeit vor der Umformarbeit der Umformwerkzeuge 3.3 und 3.4 erledigen können. Zum Schneiden genügt eine wesentlich geringere Kraft als zum Umformen. Die Schneidarbeiten sind bereits erledigt, wenn die Umformwerkzeuge 3.3 und 3.4 auf die Gegenwerkzeuge bzw. die unteren Werkzeuge 2.3 und 2.4 auftreffen. Zum Umformen wird hier ein wesentlich höherer Druck benötigt, der auch einen ganz anderen Einfluss auf die Dynamik des gesamten Pressengestells hat und vor allem auch zu Querkräften führt. Dies hat aber keinerlei Auswirkungen mehr auf die Schneidgenauigkeit, da das Schneiden bereits stattgefunden hat.
• Bezugszeichenliste

1

Werkzeugtisch

2

untere Werkzeuge

3

obere Werkzeuge

4

Werkzeugplatte

5

Einrichtung

6

Führungssäule

• 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
• EP 2608299 A1 [0015]

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Bipolarplatte, in einem Werkzeug mit mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsstationen (I, II, III) zum Schneiden bzw. Umformen des Werkstücks mit oberen Werkzeugen (3.1-3.6) und unteren Werkzeugen (2.1-2.6), dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidwerkzeuge (3.1,3.2; 3.5,3.6) den Umform-Werkzeug (3.3,3.4) voreilend betrieben werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge (3.1-3.6) zumindest teilweise mit einer unterschiedlichen Presskraft betrieben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkzeug zumindest eine Arbeitsstation (I, III) zum Schneiden des Werkstücks aus einem Werkstoffstreifen vorgesehen wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkzeug zumindest eine Arbeitsstation (II) zum Umformen des Werkstücks vorgesehen wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Arbeitsstation (I) zum Schneiden des Werkstücks eine Arbeitsstation (II) zum Umformen dieses Werkstücks vorgesehen wird.
6. Vorrichtung zum Herstellen eines Werkstücks, insbesondere einer Bipolarplatte, in einem Werkzeug mit mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsstationen (I, II, III) aus einem oberen Werkzeug (3.1-3.6) und einem unteren Werkzeug (2.1-2.6), dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge (3.1-3.6) zumindest teilweise mit einer unterschiedlichen Presskraft beaufschlagbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Werkzeuge (3.1,3.2 bzw. 3.5,3.6) separat von einer Presskraft einer Werkzeugplatte mit einer eigenen Kraft beaufschlagbar sind.

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