DE102022117585A1

DE102022117585A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Bipolarplatte und elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE102022117585A1
Application number: DE102022117585.5A
Authority: DE
Inventors: Simon Schlirf; Christoph Kaufmann; Ralf Heiss; Tobias Huber
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2024-01-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1, 1a, 1b) aus zwei metallischen Halbplatten (2a, 2b), wobei jede der Halbplatten (2a, 2b) mit einem Prägemuster versehen wird, das eine Anzahl an lokalen Erhebungen (6, 6') umfasst, wobei die lokalen Erhebungen (6, 6') auf den Halbplatten (2a, 2b) fluchtend und senkrecht zu einer Plattenebene (E) der Bipolarplatte (1, 1a, 1b) in die gleiche Richtung zeigend angeordnet werden derart, dass jeweils eine erste Erhebung (6') in einer ersten Halbplatte (2b) in jeweils eine zweite Erhebung (6) in einer zweiten Halbplatte (2a) gesteckt wird, und wobei die ineinander gesteckten ersten Erhebungen (6') und zweiten Erhebungen (6) umgeformt und dabei miteinander vernietet werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine danach hergestellte Bipolarplatte (1, 1a, 1b) und eine elektrochemische Zelle mit mindestens einer solchen Bipolarplatte (1, 1a, 1b).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte aus zwei metallischen Halbplatten, wobei jede der Halbplatten mit einem Prägemuster versehen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine danach hergestellte Bipolarplatte aufweisend in fluchtender Anordnung auf beiden Halbplatten mehrere Fluideintrittsöffnungen, einen dazu benachbarten ersten Verteilerfeldbereich, einen an den ersten Verteilerfeldbereich angrenzenden Aktivfeldbereich, einen an den Aktivfeldbereich angrenzenden zweiten Verteilerfeldbereich und mehrere Fluidaustrittsöffnungen. Die Erfindung betrifft schließlich eine elektrochemische Zelle mit einer solchen Bipolarplatte.
Die DE 10 2020 007 731 A1 beschreibt eine Bipolarplatte der eingangs genannten Art für eine Brennstoffzelle mit einem metallischen Substrat, welches eine kathodenseitige Hälfte und eine anodenseitige Hälfte ausbildet, die übereinander gefaltet und insbesondere miteinander verrastet sind. Dabei weist das Substrat Strömungsfelder mit Anodenkanälen und Kathodenkanälen auf. Die Abdichtung von Bereichen der Hälften und/oder die Verbindung der Hälften ist über Laserschweißnähte und/oder -punkte ausgebildet. Weiterhin kann ein Kohlenstoff-haltiges Material als Beschichtung auf das metallische Substrat aufgebracht werden.
Die fluiddichte Verbindung zweier metallischer Halbplatten oder Halbbleche durch Schweißen erfordert einen gründlichen Reinigungsprozess nach dem Schweißvorgang, um eine zur Aufnahme einer Beschichtung geeignete metallische Oberfläche zu schaffen, an der die Beschichtung fest haftend anordenbar ist. Dabei werden Oxidationsprodukte oder Schmauchrückstände aus dem Schweißvorgang entfernt.
Dies ist kostenintensiv und zeitaufwendig, so dass es Aufgabe der Erfindung ist, ein, für eine kostengünstige Serienfertigung von Bipolarplatten geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für das Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte aus zwei metallischen Halbplatten, wobei jede der Halbplatten mit einem Prägemuster versehen wird, das eine Anzahl an lokalen Erhebungen umfasst, wobei die lokalen Erhebungen auf den Halbplatten fluchtend und senkrecht zu einer Plattenebene der Bipolarplatte in die gleiche Richtung zeigend angeordnet werden derart gelöst, dass jeweils eine erste Erhebung in einer ersten Halbplatte in jeweils eine zweite Erhebung in einer zweiten Halbplatte gesteckt wird, und wobei die ineinander gesteckten ersten Erhebungen und zweiten Erhebungen umgeformt und dabei miteinander vernietet werden.
Das Vernieten ist ein besonders schnell und kostensparend ausführbares Verfahren, mit welchem gleichzeitig an mehreren Stellen der Bipolarplatte gleichzeitig fluiddichte und mechanisch feste Verbindungen zwischen den metallischen Halbplatten oder Halbblechen ausgebildet werden können. Ein Schweißvorgang kann teilweise oder vollständig vermieden werden.
Die lokalen Erhebungen werden bevorzugt senkrecht zur Plattenebene gesehen punktförmig oder oval oder linienförmig ausgebildet. Auch andere Formen sind möglich, solange diese sich in dem Umformprozess zum Vernieten eignen.
Vorzugsweise werden die lokalen Erhebungen parallel zur Plattenebene gesehen kuppelförmig gewölbt ausgebildet. Dies ermöglich ein einfaches Aufeinanderstecken der beiden Halbplatten bei gleichzeitiger Positionierung der Halbplatten zueinander.
Insbesondere wird jede erste lokale Erhebung in eine der zweiten lokalen Erhebungen gesteckt derart, dass sich die beiden Halbplatten zumindest im Bereich dieser lokalen Erhebungen berühren. Weitere Berührungsbereiche können je nach Prägemuster und Design der Bipolarplatte hinsichtlich der gewählten Strömungskanalverläufe und der Anordnung von Fluideinlassöffnungen und Fluidauslassöffnungen vorhanden sein.
Auf erste lokale Erhebungen kann dabei, zumindest bereichsweise, weiterhin ein Klebstoff, eine Dichtmasse oder dergleichen aufgebracht sein. Nach dem Zusammenstecken mit einer zweiten Erhebung und einem Vernieten sollen der Klebstoff oder die Dichtmasse aushärten und zuverlässig für eine fluiddichte Abdichtung zwischen den Halbplatten sorgen. Dies ist insbesondere für eine den Umfang der Bipolarplatte umlaufende, linienförmige Nietverbindung vorteilhaft und kann auch vorteilhaft im Bereich der Ein- und Austrittsöffnungen für Fluide eingesetzt werden. Dadurch kann in diesem Bereich auf Schweißnähte verzichtet werden, die üblicherweise zur Abdichtung zwischen den vorhandenen Fluiden auf der Kühlmittelseite, der Brenngasseite und der Luftseite einer Bipolarplatte eingesetzt werden.
Das Vernieten erfolgt bevorzugt mittels mindestens eines Stempels, welcher dazu eingerichtet ist, alle lokalen Erhebungen auf einer Seite einer Halbplatte gleichzeitig umzuformen. Dies spart Herstellzeit für jede Bipolarplatte und ist besonders effizient ausführbar. Um andere Bereiche der Halbplatten oder Halbbleche während des Umformens nicht ungewollt mit zu verformen, können weiterhin Niederhalter vorgesehen sein, die Bereiche der Halbplatten, die nicht umgeformt werden sollen, stabilisieren und vor einer Verformung schützen.
Bei der Umformung wird bevorzugt ein im Querschnitt der Halbplatte parallel zur Plattenebene gesehen pilzförmiger Niet ausgebildet, dessen Nietkopf-Oberfläche planar und parallel zur Plattenebene ausgerichtet ist. Die „Nietkopf-Oberfläche“ ist hier die freie Oberfläche einer Halbplatte, die beim Umformen in Kontakt zu einem Umformwerkzeug, insbesondere Stempel, gelangt.
Die gebildeten Nietkopf-Oberflächen sollen nach dem Vernieten maximal die gleiche Höhenlage aufweisen, wie sonstige Erhebungen von weiterhin vorhandenen strömungsleitenden Kanalstrukturen und nicht über diese hinausragen. Dazu wird eine Höhe der zu vernieteten Erhebungen insbesondere größer gewählt als die der vorhandenen strömungsleitenden Kanalstrukturen. Dabei wird von sonstigen Erhebungen von weiterhin vorhandenen strömungsleitenden Kanalstrukturen ausgegangen, die in einer Ebene parallel zu einer Plattenebene liegen.
Eine Bipolarplatte, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, aufweisend in fluchtender Anordnung auf beiden Halbplatten mehrere Fluideintrittsöffnungen, einen dazu benachbarten ersten Verteilerfeldbereich, einen an den ersten Verteilerfeldbereich angrenzenden Aktivfeldbereich, einen an den Aktivfeldbereich angrenzenden zweiten Verteilerfeldbereich und mehrere Fluidaustrittsöffnungen, wobei die beiden Halbplatten, insbesondere im Bereich eines Umfangs der Bipolarplatte, miteinander vernietet sind, hat sich bewährt. Eine solche Bipolarplatte ist schnell und kostensparend in einem Serienprozess herstellbar.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mehrere, im Querschnitt der Halbplatten parallel zur Plattenebene (E) gesehen pilzförmige Niete mit kreisförmigem Durchmesser auf beiden Seiten der Bipolarplatte vorhanden sind. Insbesondere hat es sich bewährt, wenn einige solcher pilzförmigen Niete auf beiden Seiten der Bipolarplatte im jeweiligen Aktivfeldbereich vorhanden sind. Dabei können die Niete statistisch verteilt oder in einem bestimmten Muster angeordnet sein.
Die Niete ersetzen einerseits Schweißverbindungen zwischen den Halbplatten im Aktivfeldbereich. Weiterhin führen die Niete zur Erzeugung von Turbulenzen im Strömungsverlauf eines vorbeiströmenden Fluids und begünstigen die Abführung von Reaktionsprodukten, wie Wasser, aus einer elektrochemischen Zelle. Insbesondere begünstigen solche Turbulenzen den Abtransport von Wasser aus an eine Bipolarplatte angrenzenden Gasdiffusionsschichten (im Englischen „gas diffusion layer“ oder abgekürzt als GDL bezeichnet) oder angrenzenden porösen Transportschichten (im Englischen „porous transport layer“ oder abgekürzt als PTL bezeichnet), wie sie in elektrochemischen Zellen häufig eingesetzt werden. Weiterhin wird eine Verteilung der Fluide über die Bipolarplatte begünstigt.
Insbesondere hat es sich weiterhin bewährt, wenn die Halbplatten im Bereich eines Umfangs der Bipolarplatte fluiddicht miteinander vernietet sind. Dabei hat es sich weiterhin bewährt, wenn die Halbplatten auch in einem die Fluideintrittsöffnungen und Fluidaustrittsöffnungen umgebenden Bereich fluiddicht miteinander vernietet sind. Dabei handelt es sich um einen linienförmigen Nietbereich, der im Schnitt senkrecht durch die Linie vorzugsweise ebenfalls einen pilzförmigen Niet mit ebener Nietkopf-Oberfläche zeigt. Dadurch können die Halbplatten besonders schnell miteinander verbunden werden.
Eine Reinigung einer Oberfläche der Bipolarplatte vor nachfolgendem Auftrag einer Beschichtung sind beim Einsatz eines Umformprozesses zum Vernieten der Halbplatten nicht mehr erforderlich.
Eine elektrochemische Zelle, insbesondere in Form einer Brennstoffzelle, eines Elektrolyseurs oder einer Redox-Flussbatterie, mit mindestens einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte hat sich als vorteilhaft erwiesen. Sie ist kostengünstig und effizient herstellbar.
Die 1 bis 8 sollen eine Bipolarplatte und ein Verfahren zu deren Herstellung beispielhaft erläutern und einen Einsatz in einer elektrochemischen Zelle aufzeigen. So zeigt

1 eine Bipolarplatte in dreidimensionaler Ansicht;
2 einen Brennstoffzellenstapel in schematischer dreidimensionaler Ansicht umfassend mehrere Brennstoffzellen mit Bipolarplatten gemäß 1;
3 einen Ausschnitt aus zwei ebenen metallischen Halbplatten im Querschnitt parallel zur Plattenebene E gesehen;
4 den Ausschnitt aus den beiden Halbblechen gemäß 3 mit darin gebildeten lokalen Erhebungen vor dem Vernieten;
5 den Ausschnitt aus den beiden Halbplatten gemäß 4 nach dem Vernieten;
6 den Ausschnitt aus den beiden Halbplatten gemäß 5 in der Draufsicht auf die Plattenebene E;
7 einen weiteren Ausschnitt aus zwei Halbplatten nach dem Vernieten; und
8 eine dreidimensionale Ansicht eines Randbereichs von zwei Halbplatten mit einer linienförmigen lokalen Erhebung vor dem Vernieten zur Ausbildung einer fluiddichten Verbindung zwischen den Halbplatten im Randbereich einer Bipolarplatte.

1 zeigt eine Bipolarplatte 1 in dreidimensionaler Ansicht umfassend zwei metallische Halbplatten 2a, 2b. In fluchtender Anordnung auf den beiden Halbplatten 2a, 2b sind mehrere Fluideintrittsöffnungen 4 vorhanden. Durch diese werden beispielsweise im Falle einer Brennstoffzelle Brenngas, Oxidationsmittel und Kühlmittel zugeführt und getrennt voneinander verteilt. Dazu benachbart ist ein erster Verteilerfeldbereich 3a vorhanden. In diesem befinden sich üblicherweise Prägestrukturen zur Verteilung der Fluide, die hier der Übersichtlichkeit halber aber nicht dargestellt sind. An den ersten Verteilerfeldbereich 3a angrenzend befindet sich ein Aktivfeldbereich 5, in welchem chemische Reaktionen ablaufen. In einem an den Aktivfeldbereich 5 angrenzenden zweiten Verteilerfeldbereich 3b werden die Reaktionsprodukte aus dem Aktivfeldbereich 5 gesammelt und den Fluidaustrittsöffnungen 4' zugeführt. Die beiden Halbplatten 2a, 2b sind über einen linienförmig ausgeführten Niet 70 im Bereich des Umfangs der Bipolarplatte 1 fluiddicht miteinander vernietet.
2 zeigt eine elektrochemische Zelle 100 in Form eines Brennstoffzellenstapels in schematischer dreidimensionaler Ansicht umfassend mehrere Brennstoffzellen 10 mit Bipolarplatten 1a, 1b entsprechend der Bipolarplatte 1 gemäß 1 und dazwischen angeordneten Polymerelektrolytmembranen 9, 9'. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Zwischen jeder Bipolarplatte 1a, 1b und einer Polymerelektrolytmembrane 9, 9' befindet sich üblicherweise eine Gasdiffusionsschicht, eine Elektrodenschichten und gegebenenfalls weitere, insbesondere katalytische Schichten, die hier nicht gesondert dargestellt sind. Die Bipolarplatte 1a zeigt hier auch die Unterseite der Bipolarplatte 1 aus 1 mit einem weiteren Aktivfeldbereich 5', der fluchtend zum Aktivfeldbereich 5 angeordnet ist. Auf der Unterseite der Bipolarplatte 1a sind weiterhin fluchtend zu den Verteilerfeldbereichen 3a, 3b auf der Oberseite vor und nach dem Aktivfeldbereich 5' ebenfalls Verteilerfeldbereiche ohne gesonderte Kennzeichnung mit Prägestrukturen vorhanden. Die Aktivfelder 5, 5' weisen Prägestrukturen in Form langgestreckter Strömungskanäle auf.
3 zeigt einen Ausschnitt aus zwei ebenen metallischen Halbplatten 2a, 2b im Querschnitt parallel zur Plattenebene E gesehen. In diese Halbplatten 2a, 2b werden jeweils nicht gesondert dargestellte Prägestrukturen sowie lokale Erhebungen 6, 6' (vergleiche 4) eingeformt und die lokalen Erhebungen 6' in der Halbplatte 2b in die lokalen Erhebungen 6 in der Halbplatte 2a eingesteckt. Dadurch erfolgt bereits eine ordnungsgemäße Positionierung der beiden Halbplatten 2a, 2b zueinander.
4 zeigt den Ausschnitt aus den beiden Halbblechen 2a, 2b gemäß 3 mit den darin gebildeten lokalen Erhebungen 6, 6' vor dem Vernieten. Ein Stempel 20 wird in Pfeilrichtung bewegt, auf die lokalen Erhebungen 6, 6' gedrückt und diese durch den Stempel 20 gleichzeitig verformt und miteinander vernietet.
5 zeigt den Ausschnitt aus den beiden Halbplatten 2a, 2b gemäß 4 nach dem Vernieten. Es wurden mehrere, im Querschnitt parallel zur Plattenebene E gesehen pilzförmige Niete 7 mit kreisrundem Querschnitt und ebener Nietkopf-Oberfläche 8 ausgebildet. Eine derartige Ausgestaltung der Niete 7 ist insbesondere für die Aktivfeldbereiche 5, 5' von Vorteil, um gezielt Turbulenzen im Strömungsverlauf der Fluide zu erzeugen. Die Niete 7 können im Aktivfeldbereich 5, 5' statistisch verteilt oder in einem festgelegten Muster verteilt angeordnet sein.
6 zeigt den Ausschnitt aus den beiden Halbplatten 2a, 2b gemäß 5 in der Draufsicht senkrecht auf die Plattenebene E und die Nietkopf-Oberflächen 8 der Niete 7.
7 zeigt einen weiteren Ausschnitt aus zwei Halbplatten 2a, 2b nach dem Vernieten, wobei hier Niete 7 mit ebenen Nietkopf-Oberflächen 8 senkrecht aus der Plattenebene E heraus auf beiden Seiten, also in der dargestellten Lage nach oben und unten, ausgebildet sind. Eine derartige Ausgestaltung der Niete 7 ist insbesondere für die Aktivfeldbereiche 5, 5' von Vorteil, um gezielt Turbulenzen im Strömungsverlauf der Fluide zu erzeugen. Die Niete 7 können im Aktivfeldbereich 5, 5' statistisch verteilt oder in einem festgelegten Muster verteilt angeordnet sein.
8 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Randbereichs von zwei Halbplatten 2a, 2b mit einer linienförmigen lokalen Erhebung 60, 60' vor dem Vernieten. Hier soll die Ausbildung einer fluiddichten Verbindung zwischen den Halbplatten 2a, 2b im Randbereich einer Bipolarplatte 1 unter Bildung eines linienförmigen Niets 70 (vergleiche 1) durch Umformung der linienförmigen lokalen Erhebungen 60, 60' erfolgen.
Eine Darstellung weiterer vorhandener Prägestrukturen in den beiden Halbblechen 2a, 2b, insbesondere im Bereich der Verteilerfeldbereiche 3a, 3b und Aktivfeldbereiche 5, 5', die nicht weiter umgeformt werden und zur Strömungsleitung der Fluide verwendet werden, wurde in den 3 bis 8 vernachlässigt.
Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b: Bipolarplatte
2a: Halbblech
2b: Halbblech
3a: erster Verteilerfeldbereich
3b: zweiter Verteilerfeldbereich
4: Fluideinlassöffnung
4': Fluidauslassöffnung
5, 5': Aktivfeldbereich
6, 6': lokale Erhebung
7, 70: Niet
8: Nietkopf-Oberfläche
9, 9': Polymerelektrolytmembrane
10: Brennstoffzelle
20: Stempel
100: Elektrochemische Zelle
E: Plattenebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020007731 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (1, 1a, 1b) aus zwei metallischen Halbplatten (2a, 2b), wobei jede der Halbplatten (2a, 2b) mit einem Prägemuster versehen wird, das eine Anzahl an lokalen Erhebungen (6, 6') umfasst, wobei die lokalen Erhebungen (6, 6') auf den Halbplatten (2a, 2b) fluchtend und senkrecht zu einer Plattenebene (E) der Bipolarplatte (1, 1a, 1b) in die gleiche Richtung zeigend angeordnet werden derart, dass jeweils eine erste Erhebung (6') in einer ersten Halbplatte (2b) in jeweils eine zweite Erhebung (6) in einer zweiten Halbplatte (2a) gesteckt wird, und wobei die ineinander gesteckten ersten Erhebungen (6') und zweiten Erhebungen (6) umgeformt und dabei miteinander vernietet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die lokalen Erhebungen (6, 6') senkrecht zur Plattenebene (E) gesehen punktförmig oder oval oder linienförmig ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die lokalen Erhebungen (6, 6') parallel zur Plattenebene (E) gesehen kuppelförmig gewölbt ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede erste lokale Erhebung (6') in eine der zweiten lokalen Erhebungen (6) gesteckt wird derart, dass sich die beiden Halbplatten (2a, 2b) zumindest im Bereich dieser lokalen Erhebungen (6, 6') berühren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Vernieten mittels mindestens eines Stempels (20) erfolgt, welcher alle lokalen Erhebungen (6, 6') auf einer Seite einer Halbplatte (2a, 2b) gleichzeitig umformt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei der Umformung ein im Querschnitt der Halbplatte (2a, 2b) parallel zur Plattenebene (E) gesehen pilzförmiger Niet (7, 70) ausgebildet wird, dessen Nietkopf-Oberfläche (8) planar und parallel zur Plattenebene (E) ausgerichtet ist.
Bipolarplatte (1, 1a, 1b), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend in fluchtender Anordnung auf beiden Halbplatten (2a, 2b) mehrere Fluideintrittsöffnungen (4), einen dazu benachbarten ersten Verteilerfeldbereich (3a), einen an den ersten Verteilerfeldbereich (3a) angrenzenden Aktivfeldbereich (5, 5'), einen an den Aktivfeldbereich (5, 5') angrenzenden zweiten Verteilerfeldbereich (3b) und mehrere Fluidaustrittsöffnungen (4'), wobei die beiden Halbplatten (2a, 2b) miteinander vernietet sind.
Bipolarplatte (1, 1a, 1b) nach Anspruch 7, wobei mehrere, im Querschnitt der Halbplatten (2a, 2b) parallel zur Plattenebene (E) gesehen pilzförmige Niete (7) mit kreisförmigem Durchmesser auf beiden Seiten der Bipolarplatte (1, 1a, 1b) vorhanden sind und/oder die Halbplatten (2a, 2b) im Bereich eines Umfangs der Bipolarplatte (1, 1a, 1 b) fluiddicht miteinander vernietet sind.
Bipolarplatte (1, 1a, 1b) nach Anspruch 8, wobei einige im Querschnitt der Halbplatten (2a, 2b) parallel zur Plattenebene (E) gesehen pilzförmige Niete (7) auf beiden Seiten der Bipolarplatte (1, 1a, 1b) im jeweiligen Aktivfeld (5, 5') vorhanden sind.
Elektrochemische Zelle (100), insbesondere Brennstoffzelle (10) oder Elektrolyseur oder Redox-Flussbatterie, mit mindestens einer Bipolarplatte (1, 1a, 1b) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.