-
Die Erfindung betrifft ein nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gestaltetes, mit einem Hydraulikmedium arbeitendes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte aus zwei Blechen, das heißt Halbblechen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung.
-
Ein gattungsgemäßes Herstellungsverfahren ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 038 173 A1 bekannt. Das bekannte Herstellungsverfahren sieht vor, dass zwei aneinander gelegte Bleche mit Hilfe zweier Stempel, welche eine spätere Kanalstruktur der Bipolarplatte vorgeben, aneinandergepresst werden. Durch Einleitung eines unter hohem Druck stehenden Mediums, das heißt eines Gases oder einer Flüssigkeit, zwischen die Bleche werden diese gewölbt, sodass sie die von mindestens einem der beiden Stempel vorgegebene Form annehmen.
-
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer metallischen Bipolarplatte, welche zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, ist in der
WO 2016/083307 A1 beschrieben. Auch im Rahmen dieses Verfahrens kommt Hydroforming zum Einsatz. Weiterhin hat die
WO 2016/083307 A1 das Aufbringen verschiedener Dichtungsschichten zum Gegenstand.
-
Ein in der
DE 10 2020 202 691 A1 beschriebenes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, bei welchen es sich insbesondere um Bipolarplatten für elektrochemische Zellen oder um Wärmetauscherelemente handeln kann, sieht eine Umformung plattenförmiger Elemente mit Hilfe einer Walze und einer Gegenwalze vor.
-
Die
DE 10 2022 112 931 A1 offenbart eine Bipolarplatte sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Die in dem Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommende Bipolarplatte weist mehrere nebeneinander angeordnete Ports zur Durchleitung verschiedener Medien auf. Zwischen den Ports und einem Aktivfeld der Bipolarplatte sind durch die Halbbleche, aus denen die Bipolarplatte aufgebaut ist, mehrere Verteilerfelder als Strukturen zur Verteilung der einzelnen Medien ausgebildet.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte, besonders rationelle und zugleich prozesssichere Möglichkeiten der Herstellung von Bipolarplatten, welche aus dreidimensional strukturierten Halbblechen zusammengesetzt sind, anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch eine nach Anspruch 8 ausgebildete Vorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte aus zwei Blechen, das heißt Halbblechen. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt Produktionsanlage, und umgekehrt.
-
Das anmeldungsgemäße Verfahren, mit welchem eine Bipolarplatte hergestellt wird, die für die Verwendung in einem Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, geeignet ist, geht von der Bereitstellung zweier Bleche aus, die im Folgenden unabhängig von ihrem Umformgrad auch als Halbbleche bezeichnet werden. Die Bleche werden in ein Werkzeug eingebracht, welches zwei Werkzeugteile, nämlich ein Werkzeugunterteil und ein Werkzeugoberteil, umfasst. Durch eines der Werkzeugteile oder durch beide Werkzeugteile ist eine Kanalstruktur der späteren Bipolarplatte vorgegeben.
-
Die Bleche passen sich der Oberflächenstruktur der Werkzeugteile an, indem ein Hydraulikmedium, beispielsweise Wasser oder Öl, zwischen die in dem Werkzeug befindlichen Bleche geleitet wird. Anmeldungsgemäß wird der zur Umformung der Bleche erforderliche Druck in dem Hydraulikmedium aufgebaut, indem der Abstand zwischen den beiden Werkzeugteilen verringert wird. Eine zusätzliche Quelle zur Druckerzeugung ist somit nicht erforderlich.
-
In rationeller Verfahrensführung werden die umzuformenden Bleche jeweils von einem Coil abgewickelt. Eine Vereinzelung der Bleche oder der aus diesen Hergestellten Bipolarplatten kann an beliebiger Stelle des Produktionsprozesses, insbesondere erst nach dem Umformen, erfolgen.
-
Es ist die Möglichkeit gegeben, das Hydraulikmedium bereits vor dem Einlaufen der Bleche in das Werkzeug zwischen die Bleche einzuleiten. Hierbei kann die Zuführung des Hydraulikmediums beispielsweise in einem Abschnitt der Produktionsanlage erfolgen, in welcher die Bleche als parallel zueinander geführte, noch nicht dreidimensional strukturierte Bänder vorgeschoben werden. Ein solcher Abschnitt kann sich insbesondere an die Coils anschließen.
-
Gemäß einer möglichen Weiterbildung wird zumindest ein Teil des Hydraulikmediums mit oder nach Abschluss des Umformvorgangs durch eine in einem der Werkzeugteile befindliche Leitung abgelassen. Die genannte Leitung kann insbesondere abhängig vom im Hydraulikmedium herrschenden Druck durch Öffnen einer in einem der Werkstückteile, das heißt Bleche, befindlichen Sollbruchstelle freigegeben werden. Dies ist gleichbedeutend damit, dass eine der beiden Enden der Leitung, nämlich das am in das Werkzeug eingelegten Blech befindliche Leitungsende, erst mit Überschreiten eines durch die Sollbruchstelle bestimmten Druckgrenzwertes zugänglich gemacht wird. Der Vorgang des Zugänglichmachens ist mit dem Bersten der Sollbruchstelle identisch und stellt nicht nur einen Schutz vor mechanischer Überlastung dar.
-
Vielmehr ist die Sollbruchstelle sinnvollerweise an einer Stelle des Halbblechs positioniert, an welcher bei der späteren Nutzung der Bipolarplatte ein Medium, das heißt Kühl- oder Betriebsmedium, durchzuleiten ist. Insbesondere liegt diese Stelle in einem Portbereich der Bipolarplatte. Die Sollbruchstelle kann auf einfache Weise als Materialschwächung in dem betreffenden Blech gestaltet sein.
-
Die anmeldungsgemäße Produktionsanlage, das heißt Vorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte aus zwei Blechen, umfasst allgemein zwei gegeneinander verfahrbare Werkzeugteile sowie zwei die Anordnung aus beiden Werkzeugteilen flankierende, das heißt in Förderrichtung der Bleche den beiden Werkzeugteilen vorbeziehungsweise nachgelagerte Verschlussvorrichtungen, welche dazu ausgebildet sind, einen zwischen den Blechen gebildeten, zur vollständigen Befüllung mit einer Hydraulikflüssigkeit vorgesehenen, zumindest teilweise zwischen den Werkzeugteilen befindlichen Hohlraum abzuschließen.
-
Der abgeschlossene, aus den Blechen gebildete, bei der Umformung flüssigkeitsgefüllte Hohlraum hat typischerweise eine Kissenform. Dementsprechend wird das anmeldungsgemäße Umformverfahren auch als Kissenprägen bezeichnet.
-
Die Produktionsanlage, welche insgesamt eine Umformvorrichtung darstellt, zeichnet sich durch eine besonders schonende Umformung der Bleche, bei denen es sich insbesondere um Stahlbleche handelt, aus und eignet sich unter anderem zur Bearbeitung von Blechen, welche eine Wandstärke von weniger als 0,075 mm, beispielsweise eine Wandstärke von nur ca. 0,05 mm, aufweisen.
-
Kurz gefasst geht das Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für einen Stapel elektrochemischer Zellen von der Bereitstellung zweier Bleche aus. Die Bleche werden in ein Werkzeug eingebracht, welches zwei Werkzeugteile umfasst, durch die eine Kanalstruktur der Bipolarplatte vorgegeben ist. Zwischen die Bleche wird ein Hydraulikmedium, insbesondere Hydrauliköl oder Wasser, geleitet, welches zum Zweck der Umformung der Bleche mit Druck beaufschlagt wird. Der Druck im Hydraulikmediums wird erzeugt, indem die Werkzeugteile aufeinander zu gefahren werden.
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte durch Kissenprägen,
- 2 und 3 Details der Vorrichtung nach 1 in weiteren Schnittdarstellungen.
-
Eine Produktionsanlage 1, welche insgesamt auch als Umformvorrichtung bezeichnet wird, ist zur Herstellung einer Bipolarplatte 21 aus zwei Blechen 6, 7 ausgebildet. Die Vorrichtung 1 zur Herstellung der Bipolarplatte 21 umfasst eine Presse 2 als Umformeinrichtung im engeren Sinne und eine der Presse 2 verfahrenstechnisch vorgeschaltete Zuführvorrichtung 3. In der Zuführvorrichtung 3 werden die Bleche 6, 7 jeweils von einem Coil 4, 5 abgewickelt und zunächst parallel zueinander gefördert. Hierbei befindet sich zwischen den Blechen 6, 7 ein Fluid-Einlauf 8 für ein Hydraulikmedium, das im späteren Verfahren bei der Umformung der Bleche 6, 7 genutzt wird.
-
Die Presse 2 umfasst zwei Werkzeugteile 9, 10, welche ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Werkzeugunterteil 9 Werkzeugoberteil 10 bezeichnet werden. In den Werkzeugteilen 9, 10 sind Vertiefungen 16, 17 ausgebildet, die eine spätere Kanalstruktur der Bipolarplatte 21 vorgeben.
-
Zwei Verschlussvorrichtungen 11, 12 sind der Anordnung aus beiden Werkzeugteilen 9, 10 vorgeschaltet beziehungsweise nachgeschaltet und ebenfalls der Presse 2 zuzurechnen. Jede Verschlussvorrichtung 11, 12 umfasst einen Niederhalter 13 und ein zugehöriges Gegenstück 14. Damit sind die Verschlussvorrichtungen 11, 12 in der Lage, einen mit 15 bezeichneten Hohlraum zwischen den Blechen 6, 7 in der Art eines Kissens, welches sich größtenteils oder vollständig zwischen den Werkzeugteilen 9, 10 befindet, abzuschließen. Seitliche Verbindungen zwischen den als Bahnen vorliegenden Blechen 6, 7 gehen aus den in den 1 bis 3 wiedergegebenen Schnitten nicht hervor.
-
Nach der vorgesehenen Positionierung des abgeschlossenen Hohlraums 15 zwischen den Werkzeugteilen 9, 10 wird das obere Werkzeugteil 10 gegen das untere Werkzeugteil 9 gefahren, wie in 1 durch breite Pfeile an der Oberseite des Werkzeugoberteils 10 angedeutet ist. Hierbei verlagert sich Hydraulikmedium unter Umformung der Bleche 6, 7 in die Vertiefungen 16, 17, bis der in den 2 und 3 dargestellte Zustand erreicht ist.
-
Im Schnitt nach 2 ist eine Bohrung im Werkzeugunterteil 9 erkennbar, welche als Leitung 19 für Hydraulikmedium fungiert. Deckungsgleich mit der Leitung 19 befindet sich im unteren Blech 6 eine Sollbruchstelle 18. Die durch die Annäherung zwischen den Werkzeugteilen 9, 10 bewirkte Druckerhöhung im Hydraulikmedium endet dadurch, dass das Blech 6 an der Sollbruchstelle 18 in vorgesehener Weise birst. Die Verformung der Bleche 6, 7 ist damit abgeschlossen. Ein geringer Teil des Hydraulikmediums entweicht aus der Leitung 19. Sofern sich weitere, nicht dargestellte Öffnungen in den Blechen 6, 7 befinden, kann auch der gesamte Inhalt an Hydraulikmedium durch die Leitung 19 abgelassen werden. In jedem Fall existieren in der endgültig geformten Bipolarplatte 21 Kühlmittelkanäle 20, durch die bei der späteren Verwendung der Bipolarplatte 21 in einem Brennstoffzellenstapel Kühlwasser geleitet wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Produktionsanlage, Umformvorrichtung
- 2
- Presse
- 3
- Zuführvorrichtung
- 4
- Coil
- 5
- Coil
- 6
- Blech
- 7
- Blech
- 8
- Fluid-Einlauf
- 9
- Werkzeugunterteil
- 10
- Werkzeugoberteil
- 11
- erste Verschlussvorrichtung
- 12
- zweite Verschlussvorrichtung
- 13
- Niederhalter
- 14
- Gegenstück
- 15
- Hohlraum zwischen den Blechen
- 16
- Vertiefung im Werkzeugunterteil
- 17
- Vertiefung im Werkzeugoberteil
- 18
- Sollbruchstelle
- 19
- Leitung im Werkzeugunterteil
- 20
- Kühlmittelkanal
- 21
- Bipolarplatte
-
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 102006038173 A1 [0002]
- WO 2016083307 A1 [0003]
- DE 102020202691 A1 [0004]
- DE 102022112931 A1 [0005]