DE102021203928A1

DE102021203928A1 - Herstellung von Bipolarplatten aus Blechfolien

Info

Publication number: DE102021203928A1
Application number: DE102021203928.6A
Authority: DE
Inventors: Robert Ganter; Christoph Scharfenberg
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-04-20
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2022-10-20
Also published as: US20240042550A1; WO2022223534A1; CN117242604A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (12) zur Herstellung von Bipolarplatten (14) für die Brennstoffzellenproduktion, bei dem eine erste Blechfolie (16a) und eine zweite Blechfolie (16b) umgeformt werden. Anschließend werden die Blechfolien (16a, b) anhand der umgeformten Strukturen einander zugeordnet. Danach werden die Blechfolien (16a, b) in einer ersten Fügestation (26a), insbesondere durch eine erste Maske (28a), aufeinandergepresst und, insbesondere durch Öffnungen (34) der ersten Maske (28a), abschnittsweise miteinander verschweißt. Schließlich werden die miteinander verbundenen Bipolarplatten (14) aus den Blechfolien (16a, b) herausgetrennt. Vorzugsweise wird in der ersten Fügestation (26a) eine zweite Maske (28b) eingesetzt, durch deren Öffnungen (34) ein Verschweißen der Blechfolien (16a, b) erfolgt, wobei die Blechfolien (16a, b) zwischen der ersten Maske (28a) und der zweiten Maske (28b) aufeinandergepresst werden. Die Ebenen der Blechfolien (16a, b) erstrecken sich in der ersten Fügestation (26a) vorzugsweise vertikal. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (10) zur Durchführung eines solchen Verfahrens (12).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten aus Blechfolien. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Es ist aus der DE 10 2019 202 493 A1 bekannt geworden, Bipolarplatten aus Blechfolien herzustellen. Dabei werden geformte Blechfolien durch zwei Walzen zusammengepresst und mit einem Laser verschweißt, wobei der Laserstrahl in Vorschubrichtung der beiden Walzen ausgerichtet ist.
Aufgabe der Erfindung
Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein signifikant effektiveres Verfahren zur Herstellung qualitativ besonders hochwertiger Bipolarplatten bereitzustellen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 15. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen an.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten mit den Verfahrensschritten:

A) Abrollen einer ersten Blechfolie und einer zweiten Blechfolie;
B) Umformen der beiden Blechfolien;
C) Zuordnen der beiden Blechfolien anhand der Umformungen;
D) Laserschweißen der beiden Blechfolien, wobei die Blechfolien beim Laserschweißen in einer ersten Fügestation zusammengepresst werden und wobei der Laserstrahl quer, insbesondere in einem Winkel von mehr als 60°, vorzugsweise in einem Winkel von mehr als 80°, zur Vorschubrichtung der verbundenen Blechfolien in einer ersten Fügestation ausgerichtet ist;
E) Heraustrennen von Bipolarplatten aus den verbundenen Blechfolien.

Im Falle des Einsatzes eines oder mehrerer der nachfolgend beschriebenen optionalen Verfahrensmerkmale kann in einem eigenständigen Aspekt der Erfindung im Verfahrensschritt D) das Merkmal entfallen, dass der Laserstrahl quer zur Vorschubrichtung der Blechfolien in einer ersten Fügestation ausgerichtet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine schnelle und kosteneffektive Herstellung von Bipolarplatten.
Zunächst werden die beiden Rohbleche, die im umgeformten und gefügten Zustand die integrierte Kanalstruktur der Bipolarplatten darstellen, von Blechfolienrollen (Coils) abgewickelt und präzisionsumgeformt. Dadurch entsteht die Kanalgeometrie der Bipolarplatten.
Vorzugsweise werden Blechfolien mit einer Stärke (Dicke) von weniger als 1 mm, insbesondere von weniger als 0,5 mm, besonders bevorzugt von weniger als 0,1 mm, eingesetzt.
Die Blechfolien können auf ihrer Transportstrecke während des gesamten Verfahrens zumindest eine, insbesondere verschiedene, Zugentlastung(en) und/oder Ausgleichsstrecke(n) durchlaufen.
Um zu vermeiden, dass die Einzelteile der Bipolarplatten für jeden Arbeitsschritt in einer Vorrichtung platziert und einander zugeordnet werden müssen (was insbesondere zum Schweißen und Heraustrennen notwendig ist), verbleiben die Bauteile im Materialband, was eine präzise Lageorientierung zu jedem Zeitpunkt im Produktionsdurchlauf sicherstellt.
Eine Besonderheit des vorliegenden Verfahrens liegt dabei darin, dass die genaue Position der zu verschweißenden Bauteile zu jedem Zeitpunkt exakt bekannt ist und damit kein Aufwand für die Handhabung und Zuordnung derselben entsteht.
Die erste Fügestation erlaubt ein präzises Verschweißen aufeinander gepresster Blechfolien senkrecht zur Erstreckung der Blechfolien. Die umgeformten Abschnitte der beiden Blechfolien sind vorzugsweise schalenförmig ausgebildet. Zum Verschweißen der umgeformten Abschnitte werden diese vorzugsweise auf Nullspalt zusammengepresst.
Die erste Fügestation kann als Presse ausgeführt sein. Der einstellbare Anpressdruck kann pneumatisch, elektromechanisch oder hydraulisch aufgebracht werden.
Das Heraustrennen im Verfahrensschritt E) erfolgt vorzugsweise durch Ausstanzen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Laserschweißen im Verfahrensschritt D) durch Öffnungen einer ersten Maske der ersten Fügestation, wobei die erste Maske die beiden Blechfolien im Verfahrensschritt D) zusammenpresst. Die Öffnungen der ersten Maske können einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Der trapezförmige Querschnitt der Öffnungen kann sich zu den Blechfolien hin verjüngen.
In der ersten Fügestation kann eine der ersten Maske gegenüberliegende zweite Maske eingesetzt werden, um die beiden Blechfolien aufeinanderzupressen. Das Laserschweißen kann dabei von gegenüberliegenden Seiten durch die erste Maske und die zweite Maske erfolgen. Der Schweißvorgang kann gleichzeitig, nacheinander oder abwechselnd erfolgen.
Werden Masken auf beiden gegenüberliegenden Seiten eingesetzt, können auch geschlossene Konturen, beispielsweise Kreise, geschweißt und die beiden Blechfolien in diesen Bereichen zuverlässig aufeinandergepresst werden. Die geschlossenen Konturen können dabei auf die beiden Masken verteilt werden.
Mit anderen Worten ist die gleichzeitige Bearbeitung der Blechfolien von beiden Seiten nicht nur zur Verringerung der Bearbeitungszeit wünschenswert. Sie ist bei geschlossenen Schweißkonturen sehr hilfreich, da die Masken zum Zusammendrücken der Blechfolien keine geschlossenen Konturen enthalten können. Aus diesem Grund werden geschlossene Konturen idealerweise von beiden Seiten als jeweils halbe offene Kontur mit Überlapp geschweißt. Darüber hinaus kann bei beidseitiger Energieeinbringung der Verzug der Bipolarplatten durch thermische Spannungen auf das geringste Maß optimiert werden. Die Ebenheit der geschweißten Bipolarplatten ist ein wichtiges Qualitätskriterium.
Weiter bevorzugt erfolgt das Laserschweißen im Verfahrensschritt D) durch Öffnungen der zweiten Maske. Die Öffnungen können einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Der trapezförmige Querschnitt der Öffnungen der zweiten Maske kann sich zu den Blechfolien hin verjüngen.
Im Verfahrensschritt D) können in der ersten Fügestation mehrere Laserscanner eingesetzt werden. Die Scanfelder der Laserscanner können sich überlappen. Die Taktzeit des Gesamtverfahrens wird wesentlich durch das Laserschweißen im Verfahrensschritt D) bestimmt. Durch den Einsatz mehrerer Laserscanner kann das Verfahren signifikant beschleunigt werden.
Zusätzlich zur ersten Fügestation kann eine zweite Fügestation vorgesehen sein. Ein Laserschweißen der ersten Blechfolie mit der zweiten Blechfolie kann in der zweiten Fügestation erfolgen. Das Verschweißen der Blechfolien kann teilweise in der ersten Fügestation und teilweise in der zweiten Fügestation erfolgen. Die zweite Fügestation erlaubt eine signifikante Verringerung der Taktzeit und eine damit einhergehende deutliche Erhöhung der Produktivität des gesamten Verfahrens.
In der zweiten Fügestation kann eine dritte Maske eingesetzt werden, um die beiden Blechfolien zusammenzupressen. Vorzugsweise erfolgt das Laserschweißen im Verfahrensschritt D) durch Öffnungen der dritten Maske.
Die zweite Fügestation kann eine der dritten Maske gegenüberliegende vierte Maske aufweisen, um die beiden Blechfolien aufeinanderzupressen, wobei das Laserschweißen im Verfahrensschritt D) von gegenüberliegenden Seiten durch die dritte Maske und die vierte Maske erfolgt.
Die erste Fügestation und die zweite Fügestation können gleich ausgebildet sein. Hierdurch kann bei einem Defekt der ersten Fügestation auf die zweite Fügestation ausgewichen werden, ohne das gesamte Verfahren stoppen zu müssen.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Zuordnen der Blechfolien im Verfahrensschritt C) durch eine im Querschnitt mehreckige erste Walze und eine der ersten Walze gegenüberliegende, im Querschnitt mehreckige zweite Walze. Die beiden Walzen verbinden die Folien vorzugsweise abschnittsweise formschlüssig. Die beiden Walzen erlauben ein Zuordnen der geformten Blechfolien.
Die Geometrie der Walzen besteht im Profil mindestens aus einem, insbesondere abgerundeten, Vieleck (z.B. Hexagon, Oktagon). Um Spannungen in den vorgeformten Blechfolien zu vermeiden, kann Blechfolie am Übergang zwischen zwei Bipolarplatten durch Ausbrüche biegeweich gemacht sein.
Der Verfahrensschritt C) stellt einen eigenständigen Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Die weiteren hier beschriebenen Merkmale und Verfahrensschritte können mit dem Verfahrensschritt C) beliebig kombiniert werden.
Beim Umformen im Verfahrensschritt B) kann/können die erste Blechfolie und/oder die zweite Blechfolie geprägt, umgebogen und/oder ausgespart werden.
Die Umformung im Verfahrensschritt B) kann in mehreren Schritten erfolgen. Abhängig von den Anforderungen an den Umformungsprozess kann es sinnvoll sein, das Prägen der umgeformten Abschnitte in mehrere Schritte aufzuteilen. Diese Schritte werden seriell hintereinander angeordnet, wobei der Weitertransport der Werkstücke durch die Blechfolien erfolgt, aus dem das Werkstück erst am Ende des Verfahrens entfernt wird.
Das Verfahren kann das Zerkleinern des im Verfahrensschritt E) entstehenden Restgitters umfassen.
Die Bipolarplatten werden vorzugsweise zum spätestmöglichen Zeitpunkt aus dem Werkstoffband (bestehend aus den beiden Blechfolien) entfernt.
Das Restgitter wird vorzugsweise einschließlich der möglicherweise darin enthaltenen n.i.O.-Bipolarplatten zerkleinert. Bei hochintegrierten Fertigungsprozessen ist es wichtig, dass es nicht zu einer Vermischung von n.i.O.-Teilen mit i.O.-Teilen kommt. Es wird oftmals erheblicher Aufwand betrieben, um diese Vermischung technisch auszuschließen. Das unmittelbare Zerstören von n.i.O.-Teilen trägt diesem Aspekt Rechnung.
Das Verfahren kann die Durchführung einer automatisierten Qualitätskontrolle umfassen.
Alternativ oder zusätzlich dazu können die Bipolarplatten im Werkstoffband auch weiteren Prozessschritten, insbesondere einem Beschichten, Abdichten und/oder Reinigen, zugeführt werden.
Besonders bevorzugt werden die beiden Blechfolien zumindest im Verfahrensschritt D) sich vertikal erstreckend geführt. Dies erlaubt das gleichzeitige Schweißen von zwei Seiten auf konstruktiv einfache Art und Weise. Damit wird ein takt- und qualitätsoptimaler Fertigungsprozess sichergestellt.
Weiter bevorzugt werden die Blechfolien in mehreren, insbesondere allen, Verfahrensschritten sich vertikal erstreckend geführt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen 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

1 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In Kästen sind Details des Verfahrens bzw. der Vorrichtung dargestellt.

1 zeigt eine Vorrichtung 10 und ein Verfahren 12 zur Herstellung von Bipolarplatten 14 für die Brennstoffzellenproduktion. Die Bipolarplatten 14 werden zumindest aus einer ersten Blechfolie 16a und einer zweiten Blechfolie 16b hergestellt. Die Herstellung erfolgt durch Umformen und Zuordnen 18, Laserschweißen 20 und Entnahme und Reststoffhandhabung 22.
Zunächst werden die die Bipolarplattenstrukturen in die Blechfolien 16a, b geformt. In 1 ist dies beispielhaft in mehreren Schritten I bis IV dargestellt.
Anschließend werden die Blechfolien 16a, b durch eine im Querschnitt mehreckige erste Walze 24a und eine im Querschnitt mehreckige zweite Walze 24b zusammengeführt.
Das abschnittsweise Verschweißen der formschlüssig gefügten Blechfolien 16a, b erfolgt in einer ersten Fügestation 26a und einer optionalen zweiten Fügestation 26b. Die erste Fügestation 26a weist eine erste Maske 28a und eine zweite Maske 28b auf. Die zweite Fügestation 26b weist eine dritte Maske 28c und eine vierte Maske 28d auf. Die Masken 28a-d pressen die Blechfolien 16a, b, insbesondere auf Nullspalt, aufeinander.
Das Verschweißen wird durch mehrere Laserscanner erzielt, von denen in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich die Laserscanner 30a, 30b mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Laserscanner 30a, b können überlappende Scanfelder aufweisen, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nur die Scanfelder 32a, 32b mit einem Bezugszeichen versehen sind.
Die Laserstrahlen treffen durch Öffnungen 34 der Masken 28a-d auf die Blechfolien 16a, b. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 nur eine Öffnung 34 mit einem Bezugszeichen versehen.
Nach dem Laserschweißen 20 kann eine Qualitätskontrolle 36 erfolgen.
Die verschweißten Bipolarplatten 14 werden durch Ausstanzen 38 aus den Blechfolien 16a, b herausgetrennt. Ein Restgitter 40 (in 1 gegenüber den Bipolarplatten 14 verkleinert dargestellt) kann in einem Restgitterzerkleinerer 42 zerkleinert werden. Die Restgitterzerkleinerung kann dabei auch Bipolarplatten 14 umfassen, die die Qualitätskontrolle 36 nicht bestanden haben.
Die Erfindung betrifft somit zusammenfassend ein Verfahren 12 zur Herstellung von Bipolarplatten 14 für die Brennstoffzellenproduktion, bei dem eine erste Blechfolie 16a und eine zweite Blechfolie 16b umgeformt werden. Anschließend werden die Blechfolien 16a, b anhand der umgeformten Strukturen einander zugeordnet. Danach werden die Blechfolien 16a, b in einer ersten Fügestation 26a, insbesondere durch eine erste Maske 28a, aufeinandergepresst und, insbesondere durch Öffnungen 34 der ersten Maske 28a, abschnittsweise miteinander verschweißt. Schließlich werden die miteinander verbundenen Bipolarplatten 14 aus den Blechfolien 16a, b herausgetrennt. Vorzugsweise wird in der ersten Fügestation 26a eine zweite Maske 28b eingesetzt, durch deren Öffnungen 34 ein Verschweißen der Blechfolien 16a, b erfolgt, wobei die Blechfolien 16a, b zwischen der ersten Maske 28a und der zweiten Maske 28b aufeinandergepresst werden. Die Ebenen der Blechfolien 16a, b erstrecken sich in der ersten Fügestation 26a vorzugsweise vertikal. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung 10 zur Durchführung eines solchen Verfahrens 12.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Verfahren
14: Bipolarplatten
16a, b: Blechfolien
18: Umformen und Zuordnen
20: Laserschweißen
22: Entnahme und Reststoffhandhabung
24a, b: Walze
26a, b: Fügestation
28a-d: Maske
30a, b: Laserscanner
32a, b: Scanfeld
34: Öffnung
36: Qualitätskontrolle
38: Ausstanzen
40: Restgitter
42: Restgitterzerkleinerer

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 102019202493 A1 [0002]

Claims

Verfahren (12) zur Herstellung von Bipolarplatten (14) für die Brennstoffzellenproduktion mit den Verfahrensschritten: A) Abrollen einer ersten Blechfolie (16a) von einer ersten Blechfolienrolle und Abrollen einer zweiten Blechfolie (16b) von einer zweiten Blechfolienrolle; B) Umformen der ersten Blechfolie (16a) und der zweiten Blechfolie (16b); C) Zuordnen der beiden Blechfolien (16a, b) anhand der umgeformten Strukturen der beiden Blechfolien (16a, b); D) Laserschweißen der ersten Blechfolie (16a) und der zweiten Blechfolie (16b) quer zur Vorschubrichtung der Blechfolien (16a, b) in einer ersten Fügestation (26a), wobei die erste Fügestation (26a) die beiden Blechfolien (16a, b) aufeinanderpresst; E) Heraustrennen von Bipolarplatten (14) aus den verbundenen Blechfolien (16a, b).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Laserschweißen im Verfahrensschritt D) durch Öffnungen (34) einer ersten Maske (28a) der ersten Fügestation (26a) erfolgt, wobei die erste Maske (28a) die beiden Blechfolien (16a, b) im Verfahrensschritt D) aufeinanderpresst.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem im Verfahrensschritt D) in der ersten Fügestation (26a) eine der ersten Maske (28a) gegenüberliegende zweite Maske (28b) eingesetzt wird, um die beiden Blechfolien (16a, b) aufeinanderzupressen, wobei das Laserschweißen von gegenüberliegenden Seiten durch die erste Maske (28a) und die zweite Maske (28b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Laserschweißen im Verfahrensschritt D) durch Öffnungen (34) der zweiten Maske (28b) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Verfahrensschritt D) zum Laserschweißen in der ersten Fügestation (26a) mehrere Laserscanner (30a, b) eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Verfahrensschritt D) ein Laserschweißen der ersten Blechfolie (16a) mit der zweiten Blechfolie (16b) durch eine zweite Fügestation (26b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem in der zweiten Fügestation (26b) eine dritte Maske (28c) eingesetzt wird, um die beiden Blechfolien (16a, b) aufeinanderzupressen, wobei das Laserschweißen im Verfahrensschritt D) durch Öffnungen (34) der dritten Maske (28c) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die erste Fügestation (26a) und die zweite Fügestation (26b) gleich ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Zuordnen der beiden Blechfolien (16a, b) im Verfahrensschritt C) durch eine im Querschnitt mehreckige erste Walze (24a) und eine der ersten Walze (24a) gegenüberliegende, im Querschnitt mehreckige zweite Walze (24b) durchgeführt wird, wobei die beiden Walzen (24a, b) die beiden Blechfolien (16a, b) abschnittsweise formschlüssig verbinden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem beim Umformen im Verfahrensschritt B) die erste Blechfolie (16a) und/oder die zweite Blechfolie (16b) abschnittsweise geprägt, umgebogen und/oder ausgespart wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem beim Umformen im Verfahrensschritt B) die Umformung in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das im Verfahrensschritt E) entstehende Restgitter (40) zerkleinert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine automatisierte Qualitätskontrolle (36) zumindest des Verfahrensschritts D) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die beiden Blechfolien (16a, b) zumindest im Verfahrensschritt D) sich vertikal erstreckend geführt werden.
Vorrichtung (10) zur Durchführung eines Verfahrens (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.