DE102021113834A1

DE102021113834A1 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Verfahren zum Schweißen einer Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102021113834A1
Application number: DE102021113834.5A
Authority: DE
Inventors: Oliver Bocksrocker
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-12-01
Also published as: US20240082954A1; CN117460596A; WO2022248312A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle aus zwei metallischen Plattenteilen (12, 14), wobei wenigstens eine umlaufend geschlossene erste Schweißnaht mit einer ersten Nahtbreite erzeugt wird, wobei wenigstens eine zweite Schweißnaht (18) mit einer zweiten Nahtbreite (22) erzeugt wird, und wobei die zweite Nahtbreite (22) um wenigstens 10 % größer ist als die erste Nahtbreite (20). Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, aufweisend zwei miteinander verschweißte Plattenteile (12, 14), wobei wenigstens eine umlaufend geschlossene erste Schweißnaht zwischen den beiden Plattenteilen (12, 14) eine erste Nahtbreite aufweist, wobei wenigstens eine zweite Schweißnaht (18) zwischen den beiden Plattenteilen eine zweite Nahtbreite (22) aufweist, und wobei die zweite Nahtbreite (22) um wenigstens 10 % größer ist als die erste Nahtbreite (20).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle aus zwei metallischen Plattenteilen. Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte zwei miteinander verschweißte Plattenteile aufweist.
Bipolarplatten dienen bei Brennstoffzellen mit mehreren zu einem Stack geschichteten Zellen der Verteilung von Gasen, insbesondere Wasserstoff bzw. Sauerstoff, der Abfuhr von Wasser, der gasdichten Trennung zwischen aneinander angrenzenden Zellen sowie der Dichtung nach außen und der Kühlung. Zudem nimmt die Bipolarplatte auf der Wasserstoffseite die abgegebenen Elektronen auf und führt sie der Sauerstoffseite wieder zu.
Solche Bipolarplatten können zwei metallische Plattenteile aufweisen, die miteinander verschweißt sind. Einerseits sind hierbei Schweißnähte fluiddicht auszuführen, um Gase bzw. Wasser in definierten Bahnen zu lenken. Andererseits dienen Schweißnähte der elektrischen und mechanischen Verbindung der beiden Plattenteile.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von Bipolarplatten und zugleich die Eigenschaften dieser Bipolarplatten zu verbessern.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schweißverfahren gemäß Anspruch 1 und eine Bipolarplatte mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen.
Erfindungsgemäßes Herstellverfahren
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgesehen. Die Bipolarplatte entsteht aus zwei metallischen Plattenteilen, die durch Laserschweißen miteinander verbunden werden. Die beiden Plattenteile überlappen einander grundsätzlich flächig. Die im Rahmen des Verfahrens erzeugten Schweißnähte verbinden die beiden Plattenteile miteinander.
Die miteinander verschweißten Plattenteile bilden die Bipolarplatte. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung einer unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Bipolarplatte.
Beim Verschweißen der beiden Plattenteile wird wenigstens eine umlaufend geschlossene erste Schweißnaht mit einer ersten Nahtbreite erzeugt. Die umlaufend geschlossene erste Schweißnaht ist gasdicht. Die umlaufend geschlossene erste Schweißnaht bzw. jede der umlaufend geschlossenen ersten Schweißnähte schließt einen Innenbereich zwischen den beiden Plattenteilen gasdicht nach außen ab.
Ferner wird beim Verschweißen der beiden Plattenteile wenigstens eine zweite Schweißnaht mit einer zweiten Nahtbreite erzeugt. Die wenigstens eine zweite Schweißnaht ist in der Regel nicht umlaufend geschlossen; sie weist mit anderen Worten typischerweise zwei Endpunkte auf. Die wenigstens eine zweite Schweißnaht dient insbesondere der mechanisch stabilen Verbindung der beiden Plattenteile. Ferner kann die wenigstens eine zweite Schweißnaht eine Verbindung der beiden Plattenteile mit einem geringen elektrischen Widerstand bewirken.
Erfindungsgemäß ist die zweite Nahtbreite größer als die erste Nahtbreite, insbesondere um wenigstens 10 %. Die zweite Nahtbreite kann wenigstens 20 % größer sein als die erste Nahtbreite. Typischerweise ist die erste Schweißnaht maximal doppelt so breit wie die zweite Schweißnaht, insbesondere maximal 50 % breiter. Durch die unterschiedlichen Nahtbreiten werden die Schweißnähte auf ihre jeweiligen Anforderungen hin optimiert. Für eine fluiddichte Verbindung genügt eine schmale Schweißnaht. Dies verringert zudem den Wärmeeintrag beim Erstellen der ersten Schweißnaht. Zudem kann eine schmale Schweißnaht schneller und mithin kostengünstiger erstellt werden. Demgegenüber verbessert die größere Breite der wenigstens einen zweiten Schweißnaht die elektrische Leitfähigkeit und Festigkeit.
Die erste Nahtbreite kann wenigstens 20 µm, vorzugsweise wenigstens 60 µm, und/oder höchstens 200 µm, vorzugsweise höchstens 80 µm, betragen. Die zweite Nahtbreite kann wenigstens 22 µm, bevorzugt wenigstens 30 µm, besonders bevorzugt wenigstens 66 µm, und/oder höchstens 600 µm, bevorzugt höchstens 180 µm, betragen. Es versteht sich, dass die Nahtbreiten innerhalb der genannten Bereiche stets so gewählt werden, dass die zweite Nahtbreite größer ist als die erste Nahtbreite. Die Nahtbreiten sind für die jeweiligen Schweißnähte in der Regel über deren jeweilige Länge konstant.
Eine Vorschubgeschwindigkeit (in Richtung der zu erstellenden Schweißnähte) kann wenigstens 100 mm/s, bevorzugt wenigstens 300 mm/s, und/oder höchstens 3000 mm/s, bevorzugt höchstens 1000 mm/s, betragen. Besonders bevorzugt ist die Vorschubgeschwindigkeit für die erste Schweißnaht größer als für die zweite Schweißnaht, insbesondere um wenigstens 10 %. Die Vorschubgeschwindigkeit für die erste Schweißnaht kann um wenigstens 20 % größer sein als für die zweite Schweißnaht. Typischerweise ist die Vorschubgeschwindigkeit für die erste Schweißnaht maximal doppelt so groß wie für die zweite Schweißnaht, insbesondere maximal 50 % größer. Da geschlossene Schweißnähte typischerweise relativ lang sind, wird durch die größere Vorschubgeschwindigkeit die Wirtschaftlichkeit des Herstellverfahrens gesteigert. Typischerweise ist die zweite Schweißnaht vergleichsweise kurz bzw. die Gesamtlänge der mehreren zweiten Schweißnähte ist typischerweise deutlich kürzer als die Gesamtlänge der ersten Schweißnaht bzw. Schweißnähte. Die geringere Vorschubgeschwindigkeit beim Erstellen der wenigstens einen zweiten Schweißnaht wirkt sich daher nicht wesentlich auf die Herstellzeit aus, verbessert jedoch die Eigenschaften der Bipolarplatte signifikant.
Das Strahlparameterprodukt eines zum Schweißen der beiden Schweißnähte eingesetzten Laserstrahls kann wenigstens 0,38 mm*mrad und/oder höchstens 16 mm*mrad, bevorzugt höchstens 4 mm*mrad, besonders bevorzugt höchstens 1 mm*mrad, betragen. Insbesondere kann das Strahlparameterprodukt 0,4 mm*mrad betragen.
Es kann ein Infrarot-Laser zum Schweißen eingesetzt werden. Der zum Schweißen eingesetzte Laserstrahl kann eine Wellenlänge von wenigstens 800 nm, bevorzugt wenigstens 900 nm, und/oder höchstens 1200 nm, bevorzugt höchstens 1100 nm, besitzen. Insbesondere kann die Wellenlänge 1070 nm betragen.
Eine Laserleistung des zum Schweißen eingesetzten Laserstrahls kann wenigstens 100 W, bevorzugt wenigstens 300 W und/oder höchstens 2000 W, bevorzugt höchstens 500 W, betragen.
Die beiden Plattenteile können aus vorzugsweise rostfreiem Edelstahl, insbesondere austenitischem Edelstahl, bestehen. Der Edelstahl kann X2CrNiMo17-12-2 (Werkstoffnummer 1.4404, AISI 316L) sein.
Eine Dicke wenigstens eines der Plattenteile, vorzugsweise beider Plattenteile, kann wenigstens 50 µm, bevorzugt wenigstens 70 µm, und/oder höchstens 150 µm, bevorzugt höchstens 100 µm, betragen. Die Dicke kann insbesondere 75 µm betragen. Typischerweise sind beide Plattenteile gleich dick.
Ein zum Schweißen eingesetzter Laserstrahl kann am Auftreffpunkt auf die Bipolarplatte beim Schweißen der ersten Schweißnaht einen ersten Strahldurchmesser aufweisen und beim Schweißen der zweiten Schweißnaht einen zweiten Strahldurchmesser aufweisen. Der zweite Strahldurchmesser ist dabei größer ist als der erste Strahldurchmesser, vorzugsweise um wenigstens 10 %. Der zweite Strahldurchmesser kann wenigstens 20 % größer sein als der erste Strahldurchmesser. Typischerweise ist der erste Strahldurchmesser maximal doppelt so groß wie der zweite Strahldurchmesser, insbesondere maximal 50 % größer. Derart kann auf besonders einfache Weise erreicht werden, dass die zweite Nahtbreite größer ist als die erste Nahtbreite.
Der erste Strahldurchmesser kann wenigstens 10 µm, bevorzugt wenigstens 30 µm, und/oder höchstens 200 µm, bevorzugt höchstens 50 µm, betragen. Der zweite Strahldurchmesser kann wenigstens 11 µm, bevorzugt wenigstens 33 µm, und/oder höchstens 300 µm, bevorzugt höchstens 90 µm, betragen. Es versteht sich, dass die Strahldurchmesser innerhalb der genannten Bereiche stets so gewählt werden, dass der zweite Strahldurchmesser größer ist als der erste Strahldurchmesser.
Der Laserstrahl kann von einer Laserlichtquelle emittiert werden, welche eine aktive Laserfaser aufweist, deren Modenfeld durch Einbringen von mechanischem Stress veränderbar ist. Zum Schweißen der ersten Schweißnaht wird ein erster Belastungszustand der Laserfaser eingerichtet und zum Schweißen der zweiten Schweißnaht wird ein zweiter Belastungszustand der Laserfaser eingerichtet, sodass die erste Schweißnaht und die zweite Schweißnaht mit unterschiedlichen Lasermoden geschweißt werden. Im ersten Belastungszustand kann der Laserstrahl ein Gauss- bzw. Tophat-ähnliches Intensitätsprofil aufweisen. Im zweiten Belastungszustand kann der Laserstrahl ein ringförmiges, vorzugsweise kreisringförmiges, Intensitätsprofil aufweisen. Mit anderen Worten kann im zweiten Belastungszustand eine Ringmode aktiv sein. Durch Manipulation des mechanischen Belastungszustands der aktiven Laserfaser kann besonders schnell zwischen den unterschiedlichen Lasermoden und somit Strahldurchmessern umgeschaltet werden.
Alternativ kann der Laserstrahl von einer Laserlichtquelle emittiert werden, welche eine Laserfaser mit einer Kernfaser und einer Ringfaser aufweist. Die Ringfaser umgibt die Kernfaser. Der Laserstrahl wird zum Schweißen der ersten Schweißnaht aus der Kernfaser emittiert und zum Schweißen der zweiten Schweißnaht aus der Ringfaser emittiert. Solche Laserlichtquellen haben sich beim Laserschweißen bewährt und erlauben ein schnelles Umschalten des Strahldurchmessers.
Die Laserlichtquelle weist wenigstens ein Lasermodul zum Erzeugen von Laserlicht auf. Insbesondere kann die Laserlichtquelle ein einziges Lasermodul aufweisen. Alternativ kann die Laserlichtquelle mehrere, vorzugsweise zwei, Lasermodule aufweisen. Für die Kernfaser und die Ringfaser kann je ein separates Lasermodul vorgesehen sein. Der aus der Kernfaser emittierte Laserstrahl zum Schweißen der ersten Schweißnaht kann somit von einem anderen Lasermodul erzeugt werden als der aus der Ringfaser emittierte Laserstrahl zum Schweißen der zweiten Schweißnaht. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Anpassung der Eigenschaften des Laserstrahls zum Schweißen der ersten bzw. zweiten Schweißnaht.
Der Laserstrahl kann beim Schweißen der ersten Schweißnaht ein zentrales Intensitätsmaximum im Inneren seines Querschnitts aufweisen und beim Schweißen der zweiten Schweißnaht ein ringförmiges, vorzugsweise kreisringförmiges, Intensitätsmaximum außerhalb seines Zentrums aufweisen. Beim Schweißen der ersten Schweißnaht nimmt mit anderen Worten die Intensität des Laserstrahls vom Zentrum her nach radial außen hin ab. Beim Schweißen der zweiten Schweißnaht ist die Intensität des Laserstrahls in seinem Zentrum kleiner als im Bereich des radial außerhalb des Zentrums liegenden ringförmigen Intensitätsmaximums; insbesondere kann die Intensität im Zentrum Null sein. Diese Intensitätsprofile unterstützen die gewünschten Eigenschaften der ersten bzw. zweiten Schweißnähte.
Der Laserstrahl kann von einer Laserlichtquelle emittiert werden, welche eine Zoomoptik aufweist, die vorzugsweise ein Abbildungsverhältnis zwischen 1:1 und 5:1 ermöglicht. Zum Schweißen der ersten Schweißnaht wird ein erster Zoomfaktor der Zoomoptik angewandt und zum Schweißen der zweiten Schweißnaht wird ein zweiter Zoomfaktor der Zoomoptik angewandt, wobei der zweite Zoomfaktor größer ist als der erste Zoomfaktor, vorzugsweise um wenigstens 10 %. Die Zoomoptik ermöglicht auf einfache Weise die Ertüchtigung einer bestehenden Laserlichtquelle. Zudem können mittels der Zoomoptik viele unterschiedliche Strahldurchmesser erzeugt werden, sodass für den jeweiligen Anwendungsfall der optimale Strahldurchmesser gewählt werden kann.
Fokuslagen des Laserstrahls können sich beim Schweißen der ersten Schweißnaht und der zweiten Schweißnaht voneinander unterscheiden. Vorzugsweise wird hierzu ein Bearbeitungskopf einer Laserlichtquelle in Strahlrichtung des Laserstrahls in unterschiedliche Abstände zu der Bipolarplatte verbracht wird. Dies ermöglicht die Verwendung einer bestehenden Maschinenachse einer Laserschweißanlage zur Veränderung der Nahtbreite. Die Fokuslage bezeichnet die Lage des Fokuspunkts des Laserstrahls relativ zur Oberfläche des Plattenteils, auf welches der Laserstrahl auftrifft.
Ein zum Schweißen eingesetzter Laserstrahl kann von einer Laserlichtquelle emittiert werden, welche eine Scanneroptik aufweist. Beim Schweißen der zweiten Schweißnaht der Laserstrahl wird quer zu einer Vorschubrichtung oszillierend ausgelenkt. Durch die Scanneroptik wird eine hohe Flexibilität des Schweißverfahrens und insbesondere ein schneller Wechsel zwischen unterschiedlichen Nahtbreiten ermöglicht. Bei dieser Variante erfolgt das Schweißen der ersten und der zweiten Schweißnaht in der Regel mit demselben Strahldurchmesser. Von der Vorschubgeschwindigkeit abgesehen werden auch weitere Parameter des Schweißvorgangs typischerweise für das Schweißen der ersten und zweiten Schweißnaht identisch gewählt.
Eine Amplitude der Oszillationsbewegung des Laserstrahls beim Schweißen der zweiten Schweißnaht kann wenigstens 5 %, bevorzugt wenigstens 10 %, eines Strahldurchmessers des Laserstrahls am Auftreffpunkt auf die Bipolarplatte betragen.
Typischerweise wird der Laserstrahl beim Schweißen der ersten Schweißnaht nicht quer zur Vorschubrichtung oszillierend ausgelenkt. Eine Amplitude der Oszillationsbewegung beim Schweißen der zweiten Schweißnaht beträgt dann typischerweise wenigstens 5 % der ersten Nahtbreite der ersten Schweißnaht. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass der Laserstrahl beim Schweißen der ersten Schweißnaht quer zur Vorschubrichtung oszilliert ausgelenkt wird; eine Amplitude der Oszillationsbewegung beim Schweißen der zweiten Schweißnaht ist dann größer als beim Schweißen der ersten Schweißnaht, vorzugsweise um wenigstens 10 %.
Die Scanneroptik kann ein Abbildungsverhältnis von wenigstens 1,1:1, bevorzugt wenigstens 1,5:1, und/oder höchstens 5:1, bevorzugt höchstens 1,7:1, besitzen. Das Abbildungsverhältnis gibt die Vergrößerung des Strahldurchmessers durch die Scanneroptik an. Das Abbildungsverhältnis m kann aus dem Verhältnis der Brennweite f eines Objektivs und einer Kollimationsbrennweite fc als m = f/fc berechnet werden.
Erfindungsgemäße Bipolarplatte
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Die Bipolarplatte weist zwei miteinander verschweißte Plattenteile auf.
Wenigstens eine umlaufend geschlossene, erste Schweißnaht zwischen den beiden Plattenteilen weist eine erste Nahtbreite auf. Die umlaufend geschlossene erste Schweißnaht ist grundsätzlich gasdicht. Insbesondere schließt die umlaufend geschlossene erste Schweißnaht bzw. jede der umlaufend geschlossenen ersten Schweißnähte einen Innenbereich zwischen den beiden Plattenteilen gasdicht nach außen ab.
Wenigstens eine zweite Schweißnaht zwischen den beiden Plattenteilen weist eine zweite Nahtbreite auf. Die wenigstens eine zweite Schweißnaht ist in der Regel nicht umlaufend geschlossen; sie weist mit anderen Worten typischerweise zwei Endpunkte auf. Die wenigstens eine zweite Schweißnaht dient insbesondere der mechanisch stabilen Verbindung der beiden Plattenteile. Ferner kann die wenigstens eine zweite Schweißnaht eine Verbindung der beiden Plattenteile mit einem geringen elektrischen Widerstand bewirken.
Typischerweise umgibt die erste Schweißnaht die wenigstens eine zweite Schweißnaht.
Auch die zweite Schweißnaht kann in Sonderfällen umlaufend geschlossen sein. Die zweite Schweißnaht kann die erste Schweißnaht zumindest teilweise umgeben.
Erfindungsgemäß ist die zweite Nahtbreite größer als die erste Nahtbreite, vorzugsweise um wenigstens 10 %. Die zweite Nahtbreite kann wenigstens 20 % größer sein als die erste Nahtbreite. Typischerweise ist die erste Schweißnaht maximal doppelt so breit wie die zweite Schweißnaht, insbesondere maximal 50 % breiter. Durch die unterschiedlichen Nahtbreiten werden die Schweißnähte auf ihre jeweiligen Anforderungen hin optimiert. Für eine fluiddichte Verbindung genügt eine schmale Schweißnaht. Dies verringert zudem den Wärmeeintrag beim Erstellen der ersten Schweißnaht. Demgegenüber verbessert die größere Breite der wenigstens einen zweiten Schweißnaht die elektrische Leitfähigkeit und Festigkeit.
Die erste Nahtbreite kann wenigstens 20 µm, vorzugsweise wenigstens 60 µm, und/oder höchstens 200 µm, vorzugsweise höchstens 80 µm, betragen. Die zweite Nahtbreite kann wenigstens 22 µm,bevorzugt wenigstens 30 µm, besonders bevorzugt wenigstens 100 µm,und/oder höchstens 600 µm, bevorzugt höchstens 180 µm, betragen. Es versteht sich, dass die Nahtbreiten innerhalb der genannten Bereiche stets so gewählt werden, dass die zweite Nahtbreite größer ist als die erste Nahtbreite.
Die beiden Plattenteile können aus vorzugsweise rostfreiem Edelstahl, insbesondere austenitischem Edelstahl, bestehen. Der Edelstahl kann X2CrNiMo17-12-2 (Werkstoffnummer 1.4404, AISI 316L) sein.
Eine Dicke wenigstens eines der Plattenteile, vorzugsweise beider Plattenteile, wenigstens 50 µm, bevorzugt wenigstens 70 µm, und/oder höchstens 150 µm, bevorzugt höchstens 100 µm, beträgt. Die Dicke kann insbesondere 75 µm betragen. Typischerweise sind beide Plattenteile gleich dick.
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt eine Verwendung einer oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle. Weiterhin in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt eine Brennstoffzelle mit einer oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Bipolarplatte.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit zwei Plattenteilen, die durch drei erste umlaufend geschlossene Schweißnähte sowie mehrere sich hier geradlinig erstreckende zweite Schweißnähte miteinander verbunden sind, in einer schematischen Aufsicht;
2 eine Bipolarplatte mit zwei Plattenteilen beim Laserschweißen einer ersten Schweißnaht mit einer ersten Nahtbreite, wobei eine aktive Laserfaser einer Laserlichtquelle sich in einem ersten Belastungszustand befindet, sodass ein dünner Laserstrahl in einer ersten Lasermode emittiert wird, in einer schematischen Schnittansicht;
3 die Bipolarplatte von 2 beim Laserschweißen einer zweiten Schweißnaht mit einer zweiten Nahtbreite, wobei die aktive Laserfaser sich in einem zweiten Belastungszustand befindet, sodass ein dickerer Laserstrahl in einer zweiten Lasermode emittiert wird, in einer schematischen Schnittansicht;
4 eine Bipolarplatte mit zwei Plattenteilen beim Laserschweißen einer ersten Schweißnaht mit einer ersten Nahtbreite, wobei ein dünner Laserstrahl aus einer Kernfaser einer Laserfaser emittiert wird, in einer schematischen Schnittansicht;
5 die Bipolarplatte von 4 beim Schweißen einer zweiten Schweißnaht mit einer zweiten Nahtbreite, wobei ein dickerer Laserstrahl aus einer die Kernfaser umgebenden Ringsfaser der Laserfaser emittiert wird, in einer schematischen Schnittansicht;
6 eine Bipolarplatte beim Verschweißen zweier Plattenteile, wobei ein Laserstrahl von einer Laserlichtquelle mit einer Zoomoptik emittiert wird, in einer schematischen Schnittansicht;
7 eine Bipolarplatte beim verschweißen zweier Plattenteile wobei ein Abstand eines Bearbeitungskopfs einer Laserlichtquelle zu der Bipolarplatte veränderlich ist, um eine Fokuslage eines Laserstrahls relativ zu der Bipolarplatte einzustellen, in einer schematischen Schnittansicht;
8 eine Bipolarplatte beim Verschweißen zweier Plattenteile, wobei ein Laserstrahl von einer Laserlichtquelle mit einer Scanneroptik emittiert wird, in einer schematischen Schnittansicht.

1 zeigt eine Bipolarplatte 10 für eine nicht näher dargestellte Brennstoffzelle. Die Bipolarplatte 10 weist zwei einander flächig überlappende und miteinander verschweißte Plattenteile 12, 14 auf, vergleiche 2 bis 8. Die beiden Plattenteile 12, 14 können aus rostfreiem, austenitischem Edelstahl bestehen. Eine Dicke der beiden Plattenteile 12, 14 kann beispielsweise 75 µm betragen.
Die beiden Plattenteile 12 und 14 sind durch jeweils mehrere erste Schweißnähte 16 und zweite Schweißnähte 18 miteinander verbunden. Die ersten Schweißnähte 16 sind umlaufend geschlossen ausgebildet. Die ersten Schweißnähte 16 können beispielsweise fluidführende Kanäle oder Bereiche einschließen. Die ersten Schweißnähte 16 sind grundsätzlich fluiddicht.
Die zweiten Schweißnähte 18 weisen hier jeweils zwei Endpunkte auf; sie sind mit anderen Worten nicht umlaufend geschlossen. Vorliegend ist beispielhaft ein geradliniger Verlauf der zweiten Schweißnähte 18 gezeigt. Es versteht sich, dass zumindest einige der zweiten Schweißnähte gekrümmt verlaufen könnten. Die zweiten Schweißnähte 18 dienen der mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung der beiden Plattenteile 12, 14.
Wie beispielsweise in den 2 und 3 ersichtlich ist, ist eine erste Nahtbreite 20 der ersten Schweißnähte 16 kleiner als eine zweite Nahtbreite 22 der zweiten Schweißnähte 18. Die zweite Nahtbreite 22 kann beispielsweise 10 % bis 20 %, hier etwa 15 %, größer sein als die erste Nahtbreite 20. Die erste Nahtbreite 20 kann beispielsweise ca. 30 µm betragen; entsprechend kann die zweite Nahtbreite 22 beispielsweise ca. 35 µm betragen. Die erste und die zweite Nahtbreite 20, 22 können jeweils eine größte Breite der jeweiligen Schweißnähte 16, 18 bezeichnen.
Die ersten und zweiten Schweißnähte 16, 18 werden durch ein Laserschweißverfahren erstellt. Im in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein Laserstrahl 24 von einer Laserlichtquelle 30 emittiert, welche eine aktive Laserfaser 32 mit einem durch mechanische Belastung veränderbaren Modenfeld aufweist.
Zum Schweißen der ersten Schweißnähte 16 wird ein erster Belastungszustand der aktiven Laserfaser 32 eingerichtet (in 2 durch die Stellung eines Aktuators 33 angedeutet). Die Laserlichtquelle 30 arbeitet dadurch in einer ersten Lasermode. Der Laserstrahl 24 kann dabei ein zentrales Intensitätsmaximum im Inneren seines Querschnitts erhalten. Am Auftreffpunkt auf das Plattenteil 12 weist der Laserstrahl 24 einen ersten Strahldurchmesser 26 auf. Der erste Strahldurchmesser 26 ist typischerweise etwas kleiner als die erste Nahtbreite 20.
Zum Schweißen der zweiten Schweißnähte 18 wird ein zweiter Belastungszustand der aktiven Laserfaser 32 eingerichtet (in 3 durch die gegenüber 2 geänderte Stellung des Aktuators 33 angedeutet). Die Laserlichtquelle 30 arbeitet dadurch in einer zweiten Lasermode. Der Laserstrahl 24 kann dabei ein ringförmiges Intensitätsmaximum erhalten, wobei die Intensität der Laserstrahlung zum Zentrum des Laserstrahls 24 hin abfällt, insbesondere bis auf null. Am Auftreffpunkt auf das Plattenteil 12 weist der Laserstrahl 24 einen zweiten Strahldurchmesser 28 auf. Der zweite Strahldurchmesser 28 ist typischerweise etwas kleiner als die zweite Nahtbreite 22.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 und 5 wird ein Laserstrahl 24 von einer Laserlichtquelle 34 emittiert, wobei eine Laserfaser 36 eine Kernfaser 38 und eine die Kernfaser 38 umgebende Ringfaser 40 aufweist. Zum Erstellen der ersten Schweißnähte 16 tritt der Laserstrahl 24 aus der Kernfaser 38 aus, sodass er am Auftreffpunkt auf das Plattenteil 12 einen ersten Strahldurchmesser 26 besitzt. Der Laserstrahl 24 kann dabei ein gaußförmiges Intensitätsprofil besitzen. Zum Erstellen der zweiten Schweißnähte 18 tritt der Laserstrahl 24 aus der Ringfaser 40 aus, sodass er am Auftreffpunkt auf das Plattenteil 12 einen zweiten Strahldurchmesser 28 besitzt. Der Laserstrahl 24 kann dabei ein Intensitätsprofil mit einem zentralen Intensitätsminimum und einem ringförmigen Intensitätsmaximum besitzen.
Gemäß 6 kann zum Aussenden eines Laserstrahls 24 zum Verschweißen der Plattenteile 12, 14 eine Laserlichtquelle 42 mit einer Zoomoptik 44 eingesetzt werden. In 6 ist das Erstellen einer ersten Schweißnaht 16 dargestellt. Dabei ist ein erster Zoomfaktor der Zoomoptik 44 eingestellt, sodass der Laserstrahl 24 am Auftreffpunkt auf das Plattenteil 12 einen ersten Strahldurchmesser 26 besitzt. Zum Erstellen einer zweiten Schweißnaht 18 (vergleiche 1) wird entsprechend ein zweiter Zoomfaktor eingestellt, der größer ist als der erste Zoomfaktor, sodass der Laserstrahl 24 am Auftreffpunkt auf das Plattenteil 12 einen zweiten Strahldurchmesser besitzt, der größer ist als der erste Strahldurchmesser 26. Dadurch wird erreicht, dass die zweite Schweißnaht 18 breiter ist als die erste Schweißnaht 16.
Wie in 7 dargestellt ist, kann zum Verschweißen der beiden Plattenteile 12, 14 kann eine Laserlichtquelle 46 mit einem entlang einer Maschinenachse 47 verfahrbaren Bearbeitungskopf 48 eingesetzt werden. Zum Erstellen der ersten bzw. zweiten Schweißnähte 16, 18 wird der Bearbeitungskopf 48 in unterschiedliche Abstände 50 zu der Bipolarplatte 10 verbracht. Dadurch ändert sich eine Fokuslage 52 eines Laserstrahls 24 relativ der Bipolarplatte 10. Zum Erstellen der ersten Schweißnaht 16 kann der Fokuspunkt des Laserstrahls 24 nahe an der dem Bearbeitungskopf 48 zugewandten Oberfläche des Plattenteils 12 liegen. Zum Erstellen der zweiten Schweißnaht 18 kann der Fokuspunkt des Laserstrahls 24 weiter von der dem Bearbeitungskopf 48 zugewandten Oberfläche des Plattenteils 12 entfernt werden, beispielsweise von der Bipolarplatte 10 weg oder alternativ in Richtung des zweiten Plattenteils 14 in die Bipolarplatte 10 hinein.
8 zeigt, dass zum Verschweißen der Plattenteile 12, 14 der Bipolarplatte 10 eine Laserlichtquelle 54 mit einer Scanneroptik 56 eingesetzt werden kann. Die Scanneroptik 56 ermöglicht es, einen Laserstrahl 24 quer zu einer Vorschubrichtung (entlang der zu erstellenden Schweißnaht) oszillierend auszulenken. Zum Erstellen einer breiteren zweiten Schweißnaht 18 wird mittels der Scanneroptik 56 eine Amplitude 58 der Oszillationsbewegung des Laserstrahls 24 eingestellt, die größer ist als beim Erstellen der schmaleren ersten Schweißnaht 16. Insbesondere kann die erste Schweißnaht 16 ohne eine Oszillationsbewegung geschweißt werden. Die Amplitude 58 beim Schweißen der zweiten Schweißnaht 18 kann beispielsweise 12 % eines Strahldurchmessers des Laserstrahls 24 am Auftreffpunkt auf das Plattenteil 12 betragen.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Laserschweißverfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle aus zwei metallischen Plattenteilen. Wenigstens eine erste Schweißnaht wird umlaufend geschlossen ausgebildet, um Bereiche zwischen den Plattenteilen zu einer Umgebung hin abzudichten. Wenigstens eine zweite Schweißnaht ist breiter als die erste Schweißnaht. Die zweite Schweißnaht kann die Stabilität der Bipolarplatte verbessern. Weiterhin kann die zweite Schweißnaht eine Verbindung der beiden Plattenteile mit einem geringen elektrischen Widerstand bewirken. Die schmalere erste Schweißnaht kann mit einer größeren Vorschubgeschwindigkeit erstellt werden als die breitere zweite Schweißnaht. Dies ermöglicht eine rationelle Fertigung bei zugleich verbesserten Eigenschaften der Bipolarplatte.
Bezugszeichenliste

10: Bipolarplatte
12, 14: Plattenteile
16: erste Schweißnähte
18: zweite Schweißnähte
20: erste Nahtbreite
22: zweite Nahtbreite
24: Laserstrahl
26: erster Strahldurchmesser
28: zweiter Strahldurchmesser
30: Laserlichtquelle
32: aktive Laserfaser
33: Aktuators
34: Laserlichtquelle
36: Laserfaser
38: Kernfaser
40: Ringfaser
42: Laserlichtquelle
44: Zoomoptik
46: Laserlichtquelle
47: Maschinenachse
48: Bearbeitungskopf
50: Abstände
52: Fokuslage
54: Laserlichtquelle
56: Scanneroptik
58: Amplitude

Claims

Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle aus zwei metallischen Plattenteilen (12, 14), wobei wenigstens eine umlaufend geschlossene erste Schweißnaht (16) mit einer ersten Nahtbreite (20) erzeugt wird, wobei wenigstens eine zweite Schweißnaht (18) mit einer zweiten Nahtbreite (22) erzeugt wird, und wobei die zweite Nahtbreite (22) um wenigstens 10 % größer ist als die erste Nahtbreite (20).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Nahtbreite (20) wenigstens 20 µm, vorzugsweise wenigstens 60 µm, und/oder höchstens 200 µm, vorzugsweise höchstens 80 µm, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Nahtbreite (22) wenigstens 22 µm, bevorzugt wenigstens 30 µm, besonders bevorzugt wenigstens 66 µm, und/oder höchstens 600 µm, bevorzugt höchstens 180 µm, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zum Schweißen eingesetzter Laserstrahl (24) am Auftreffpunkt auf die Bipolarplatte (10) beim Schweißen der ersten Schweißnaht (16) einen ersten Strahldurchmesser (26) aufweist und beim Schweißen der zweiten Schweißnaht (18) einen zweiten Strahldurchmesser (28) aufweist, wobei der zweite Strahldurchmesser (28) um wenigstens 10 % größer ist als der erste Strahldurchmesser (26).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (24) von einer Laserlichtquelle (30) emittiert wird, welche eine aktive Laserfaser (32) aufweist, deren Modenfeld durch Einbringen von mechanischem Stress veränderbar ist, und dass zum Schweißen der ersten Schweißnaht (16) ein erster Belastungszustand der Laserfaser (32) eingerichtet wird und zum Schweißen der zweiten Schweißnaht (18) ein zweiter Belastungszustand der Laserfaser (32) eingerichtet wird, sodass die erste Schweißnaht (16) und die zweite Schweißnaht (18) mit unterschiedlichen Lasermoden geschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (24) von einer Laserlichtquelle (34) emittiert wird, welche eine Laserfaser (36) mit einer Kernfaser (38) und einer Ringfaser (40) aufweist, und dass der Laserstrahl (24) zum Schweißen der ersten Schweißnaht (16) aus der Kernfaser (38) emittiert wird und zum Schweißen der zweiten Schweißnaht (18) aus der Ringfaser (40) emittiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (24) beim Schweißen der ersten Schweißnaht (16) ein zentrales Intensitätsmaximum im Inneren seines Querschnitts aufweist und beim Schweißen der zweiten Schweißnaht (18) ein ringförmiges Intensitätsmaximum außerhalb seines Zentrums aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (24) von einer Laserlichtquelle (42) emittiert wird, welche eine Zoomoptik (44) aufweist, die vorzugsweise ein Abbildungsverhältnis zwischen 1:1 und 5:1 ermöglicht, und dass zum Schweißen der ersten Schweißnaht (16) ein erster Zoomfaktor der Zoomoptik (44) angewandt wird und zum Schweißen der zweiten Schweißnaht (18) ein zweiter Zoomfaktor der Zoomoptik (44) angewandt wird, wobei der zweite Zoomfaktor um wenigstens 10 % größer ist als der erste Zoomfaktor.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich Fokuslagen (52) des Laserstrahls (24) beim Schweißen der ersten Schweißnaht (16) und der zweiten Schweißnaht (18) voneinander unterscheiden, vorzugsweise wobei ein Bearbeitungskopf (48) einer Laserlichtquelle (46) in Strahlrichtung des Laserstrahls (24) in unterschiedliche Abstände (50) zu der Bipolarplatte (10) verbracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zum Schweißen eingesetzter Laserstrahl (24) von einer Laserlichtquelle (54) emittiert wird, welche eine Scanneroptik (56) aufweist, und dass beim Schweißen der zweiten Schweißnaht (18) der Laserstrahl (24) quer zu einer Vorschubrichtung oszillierend ausgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude (58) der Oszillationsbewegung des Laserstrahls (24) beim Schweißen der zweiten Schweißnaht wenigstens 5 %, bevorzugt wenigstens 10 %, eines Strahldurchmessers (26) des Laserstrahls (24) am Auftreffpunkt auf die Bipolarplatte (10) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanneroptik (56) ein Abbildungsverhältnis von wenigstens 1,1:1, bevorzugt wenigstens 1,5:1, und/oder höchstens 5:1, bevorzugt höchstens 1,7:1, besitzt.
Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle, aufweisend zwei miteinander verschweißte Plattenteile (12, 14), wobei wenigstens eine umlaufend geschlossene erste Schweißnaht (16) zwischen den beiden Plattenteilen (12, 14) eine erste Nahtbreite (20) aufweist, wobei wenigstens eine zweite Schweißnaht (18) zwischen den beiden Plattenteilen eine zweite Nahtbreite (22) aufweist, und wobei die zweite Nahtbreite (22) um wenigstens 10 % größer ist als die erste Nahtbreite (20).
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Plattenteile (12, 14) aus rostfreiem Edelstahl, vorzugsweise austenitischem Edelstahl, bestehen.
Bipolarplatte (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke wenigstens eines der Plattenteile (12, 14), vorzugsweise beider Plattenteile (12, 14), wenigstens 50 µm,bevorzugt wenigstens 70 µm, und/oder höchstens 150 µm, bevorzugt höchstens 100 µm, beträgt.