EP4182985A1 - Method and system for connecting plate-like components of a bipolar plate - Google Patents

Method and system for connecting plate-like components of a bipolar plate

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EP4182985A1
EP4182985A1 EP21739609.2A EP21739609A EP4182985A1 EP 4182985 A1 EP4182985 A1 EP 4182985A1 EP 21739609 A EP21739609 A EP 21739609A EP 4182985 A1 EP4182985 A1 EP 4182985A1
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EP
European Patent Office
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hold
plate
seam
down devices
shaped
Prior art date
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Pending
Application number
EP21739609.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Franz Wetzl
Volker Henrichs
Philipp Krueger
Friedrich Kneule
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8878Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8896Pressing, rolling, calendering
    • HELECTRICITY
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method and system for connecting plate-shaped components of a bipolar plate.
  • a fuel cell system often has a stack of several fuel cells, in each of which an electrochemical process between oxygen and hydrogen takes place while providing electrical power.
  • a single fuel cell essentially consists of a membrane-electrode arrangement surrounded by bipolar plates.
  • Such a device has fine flow channels (the so-called "flow field") on opposite surfaces for the supply of educts and the removal of reaction products.
  • a bipolar plate can consist of an anode sheet and a cathode sheet, which are welded to one another and allow a cooling medium to pass through on the inside.
  • the material thickness of the sheets, which are often made of steel, can be a tenth of a millimeter or less.
  • the welding can be done by laser beam welding.
  • the process parameters for the welding process are selected in such a way that the energy input is as low as possible. This results in very narrow weld seams, the seam width of which can usually be only a tenth of a millimeter or less, with a low melt pool volume. Overall, this, in combination with the high process speeds required as a result, leads to poor quality Ability to bridge gaps, so that even gaps of 30 - 50 pm between the sheets can lead to defects and thus leaks in the bipolar plate.
  • a clamping device is used to create a technical zero gap in the area of the joint. Due to tolerances in the anode and cathode sheets, it is therefore necessary for the sheets to be held down on both sides of a weld seam to be produced.
  • a closed weld path is produced to ensure a closed sealing contour.
  • welding masks are placed one after the other on the sheets to be joined in several steps and hold down part of the contour. Therefore, the weld path includes several individual seams with a beginning and end as well as their overlaps, which ultimately leads to a closed seam. Compared to a constantly running process, this can lead to process instabilities and an increased susceptibility to errors.
  • a method for connecting plate-shaped components of a bipolar plate comprising the steps of placing a first plate-shaped component on a clamping surface, placing a second plate-shaped component on the first plate-shaped component, applying several hold-down devices on the second plate-shaped component a side facing away from the first plate-shaped component and the mounting surface, with a planned seam course being kept free between the holding-down devices, the pressing together of the plate-shaped components by all holding-down devices, with a magnetic force acting in the direction of the mounting surface being applied to at least one of the holding-down devices for this purpose, and of Welding of the plate-shaped components along the course of the seam in one uninterrupted operation.
  • the two plate-shaped components can comprise an anode sheet and a cathode sheet. They are preferably designed as sheet steel and have a material thickness of preferably well under one millimeter, about a tenth of a millimeter or less.
  • the first plate-shaped component which can be the anode sheet or the cathode sheet, is first placed on a clamping surface.
  • the flow field formed on the first plate-shaped component is already embossed and directed towards the clamping surface.
  • the second plate-shaped component is then placed on the first plate-shaped component, with the flow field of the second plate-shaped component facing away from the mounting surface. It is intended to connect the two plate-shaped components to one another in this arrangement.
  • hold-down devices are used to form a zero gap in the planned course of the seam. These are designed to press the second plate-shaped component onto the first plate-shaped component, so that a flush contact is produced between the two plate-shaped components in the intended course of the seam. In this case, all hold-down devices are pressed onto the second plate-shaped component at the same time, instead of placing them one after the other as usual.
  • a magnetic force acting on at least one of the hold-down devices a closed course of the seam can also be enclosed on both sides without restricting the accessibility for a welding device from outside the second plate-shaped component.
  • the application of the magnetic force could be achieved by a magnet unit, such as a permanent magnet or a selectively activatable electromagnet.
  • the at least one hold-down device to which a magnetic force is applied could also be a Permanent magnets, an electromagnet or a body of magnetic material. Since all hold-down devices are used at the same time to press the plate-shaped components together, a closed seam course can be defined that is kept completely free. In particular, the hold-down device or hold-down devices can be subjected to a magnetic force which, because of their location on the course of the seam, would require mechanical linkage, which would represent an obstacle for a welding device.
  • the welding includes laser welding. It is conceivable to use an Nd:YAG or CO2 laser, for example. With appropriate process control, these types of lasers can enable very narrow weld seams and a low weld pool volume. Nd:YAG lasers in particular can be focused very precisely and produce particularly fine weld seams.
  • the course of the seam preferably comprises a circumferential track. Since there are no obstacles along the course of the seam, the weld seam can be produced without interruption in a single operation along the course of the seam and thus overcome the disadvantages of the prior art by using the at least one magnet-supported hold-down device.
  • the application of hold-down devices can also include arranging at least one inner hold-down device within the course of the seam and at least one hold-down device outside of the course of the seam, with the magnetic force being applied to the at least one inner hold-down device.
  • a within the course of the seam ie a
  • the hold-down device arranged on the inside of the edge along the intended course of the seam then does not require any other mechanical means to carry out its fixation. Consequently, no mechanical means projecting beyond the course of the seam, which would impede the welding device, are necessary. Only one, in particular internal, hold-down device can be sufficient if a zero gap can be ensured.
  • a system for connecting plate-shaped components of a bipolar plate having a clamping plate with a clamping surface, several hold-down devices for pressing two plate-shaped components together on the clamping surface, at least one magnet unit, and a welding device, with the at least one magnet unit on one facing away from the hold-down devices side of the clamping surface, wherein the at least one magnet unit is designed to exert a magnetic force on at least one of the hold-down devices, so that the at least one hold-down device in question is pressed in the direction of the clamping surface, wherein the hold-down devices are designed to be positioned between the hold-down devices in one keeping the plate-shaped components free in the pressed-on state along an intended course of the seam, and wherein the welding device is designed to weld the plate-shaped components along the course of the seam.
  • the clamping plate can have a flat surface onto which one of the plate-shaped components can be placed directly.
  • This surface also called clamping surface, could also have grooves, projections, grooves or other features that can be brought into engagement with a geometry of the first plate-shaped component.
  • the at least one magnet unit can have at least one permanent magnet and/or at least one electromagnet. The magnet unit can be arranged below or at least partially in the clamping plate, with the magnetic field lines having to be able to extend through the clamping plate and the plate-shaped components located thereon.
  • the at least one magnet unit can pull one or more of the hold-down devices in the direction of the mounting surface, so that the plate-shaped components placed thereon are pressed together at the edges of the planned seam line. A flush contact, as described above, can thus be achieved at the intended course of the seam.
  • the hold-down devices have at least one outer hold-down device and at least one inner hold-down device, the at least one inner hold-down device being shaped to enclose the course of the seam to the at least one outer hold-down device.
  • the at least one inner hold-down device is completely surrounded by a closed course of the seam. It can be placed on the inside edge of the seam.
  • the outer hold-down devices are placed on the outside edge of the seam. Instead of being held by the magnet unit, these can also be held by conventional mechanical mechanisms, for example clamping tools, clamps, levers, actuators or the like, since these do not cover the planned course of the seam.
  • the at least one inner hold-down device comprises at least two segments that are mechanically coupled to one another.
  • the segments form separate hold-down bodies which are coupled to one another by mechanical means.
  • the coupling could be realized by form-elastic connections, for example compression or tension springs.
  • the subdivision into several segments allows a more elastic support to be achieved on the plate-shaped components. In order to ensure a zero gap over the entire course of the seam, high hold-down forces are sometimes required, with which local deformations of the plate-shaped components occur.
  • the subdivided segments are particularly suitable for avoiding local contact only at certain points. However, the coupling between the segments allows them to be laterally aligned with one another.
  • the at least one inner hold-down device comprises at least two segments that are mechanically independent of one another.
  • the segments could be aligned via a separate guide device or via shape features of the second plate-shaped component. It cannot be ruled out that an inner hold-down device has both mechanically coupled and independent segments.
  • the at least one hold-down device could include at least one projection for engaging in a depression in the plate-shaped components.
  • the indentation could be realized, for example, by a flow channel of a flow field, into which an appropriately shaped indentation can engage and fix the lateral position of the hold-down device in question.
  • At least one of the hold-down devices is beveled in a region adjacent to the intended course of the seam in a direction away from the course of the seam.
  • the welding device can thus be provided with more space to reach the course of the seam.
  • the magnet unit comprises at least one electromagnet. This can be activated after the plate-shaped components have been placed and switched off after the welding process has ended, which makes handling the components much easier. It can also be part of a conveyor unit in a flow process in which several bipolar plates are produced continuously and one after the other.
  • Figure 1 is a schematic view of a system in side section.
  • Figure 2 is a plan view of the system
  • FIGS. 3 to 5 the system with a segmented inner hold-down device
  • FIG. 11 shows a modification of the system for flow production
  • FIG. 12 shows a schematic, block-based representation of the method.
  • the system 2 has a clamping plate 8 with a clamping surface 10 .
  • several hold-down devices 12, 14 and 16 are provided, which serve to press the two plate-shaped components 4 and 6 together on the clamping surface 10. While the laterally outer hold-down devices 12 and 16 shown in the plane of the drawing can also be pressed in the direction of the platen 8 by a mechanical clamping or holding device, the inner hold-down device 14 is pushed in the direction of the platen 8 by a magnetic force.
  • a magnet unit 18 is arranged below the clamping plate 8 .
  • a welding device 24 embodied as a laser welding device, for example, which emits a laser beam 26 , can weld the two plate-shaped components 4 and 6 along the course of the seam 22 .
  • the welding device 24 can, for example, rotate about two axes and/or be moved translationally along two axes.
  • the side edges 28 of the hold-down devices 12, 14 and 16 are, for example, beveled in a direction away from the course of the seam 22.
  • a recess 30 is also provided below the intended course of the seam 22 .
  • the system 2 is shown in a plan view.
  • the two lateral hold-down devices 12 and 16 are shown as elongate components which are parallel to one another and spaced apart from one another. They can be supplemented by additional hold-down devices 32 and 34 running perpendicular thereto, which are also arranged parallel to one another and at a distance from one another.
  • the inner hold-down 14 is provided in the shape of a rounded rectangle.
  • the hold-down devices 12, 14, 16, 33 and 34 enclose the intended course of the seam 22, which likewise has the shape of a rounded rectangle as an example.
  • FIG. 3 A modification is shown in FIG. 3 in which the inner hold-down device 14 is divided into a plurality of segments 36 and 40 .
  • the two segments 36 on the left in the plane of the drawing are each mechanically coupled to one another by a coupling spring 38 .
  • This can be a compression or tension spring that is designed to push into a predetermined neutral position.
  • the two segments 40 arranged on the right in the plane of the drawing are independent of the other segments 36 and are also not connected to other components. They could thus be guided, for example, via guide geometries that are arranged on the second plate-shaped component 6 or are formed therein by the flow field arranged thereon.
  • FIG. 4 A further modified variant is shown in FIG. 4, in which several segments 36 and 40 are provided, which are mechanically coupled or designed independently.
  • the segments 36 and 40 each have a recess 42 through which the welding device 24 shown above can carry out spot welds, for example in the form of a stitched seam. This can improve the shape fidelity of larger bipolar plates in particular.
  • Sectional planes BB and CC are marked in Figure 5 which identify the sectional views in Figures 7 and 8 where the stitching and alignment can be better seen.
  • FIG. 6a and 6b each show a flow field 44 and 46, which have flow channels 48 for supplying starting materials and removing reaction products.
  • the flow field 44 shown in FIG. 6a has flow channels 48 running in directions perpendicular to one another.
  • the flow field 44 is consequently a cross-flow flow field (“cross-flow”).
  • the flow field 46 from FIG. 6b has flow channels 48 with exclusively parallel extensions, so that it can be referred to as a counter-current flow field (“counter-flow”).
  • counter-flow counter-current flow field
  • shape features of the flow channels 48 can be used for alignment. While the flow field 44 from FIG. 6a enables easy alignment in two directions in space, this is easily possible in the case of the flow field 46 in only one direction in space. However, if individual flow channels 48 have locally different heights, shape features can thereby be created on which precise alignment in two spatial directions is possible.
  • Fig. 7 shows the section plane B-B.
  • a lateral hold-down device 36 with the recess 42 can be seen there, through which the laser beam 26 can produce a stitched seam 50 .
  • the hold-down 36 is shown having a plurality of projections 52 and 54 which mate with indentations 56 of the first panel member 6 and align the hold-down 36 therewith.
  • the projections 52 are dimensioned in such a way that although they protrude into the depressions 56, they do not touch the second plate-shaped component 6. This only happens at the projection 54 in order to produce a defined surface contact only there.
  • FIG. 9 shows the inner hold-down device 14 whose support section 20 is centered on flanks 58 of the second plate-shaped component 6 .
  • the inner hold-down device 14 can be applied precisely to the second plate-shaped component are placed and consequently be arranged on the inside edge of the planned seam course 22 .
  • FIG. 10 shows the inner hold-down device 14 with a projection 59 whose cross-section is rounded at its outer end and engages in a rounded depression 60 of the second plate-shaped component 6 .
  • the rounded shape results in simple self-centering and can sometimes prevent tilting when the inner hold-down device 14 is placed.
  • FIG. 11 shows a possible development in the form of a continuous system 62 for the flow production of bipolar plates.
  • the clamping plates 8 are guided continuously on a first conveyor unit 64 .
  • the clamping plates 8 can be fitted (see II) with supplied plate-shaped components 4 and 6 (see I) along a useful path 66 .
  • hold-down devices 74 are fed in (III) and placed on the plate-shaped components 4 and 6 (IV).
  • a magnetic force is exerted on the hold-down device 74 (V) and the two plate-shaped components 4 and 6 are then welded together (VI).
  • the hold-down devices 74 are then removed again (VII) so that the resulting bipolar plates 68 (VIII) can be removed (IX).
  • the hold-down devices 74 can be transported via a second conveyor unit 70, which could also transport and place additional magnetic chucks 72, which can also be used to transport the hold-down devices 74.
  • FIG. 12 shows the schematic representation of the method according to the invention. This involves the steps of placing 76 a first panel-shaped component 4 on a clamping surface 10, placing 78 a second panel-shaped component 6 on the first panel-shaped component 4, applying 80 a plurality of hold-down devices to the second panel-shaped component 6 on one of the first panel-shaped components Component 4 and the clamping surface 10 side facing away, wherein between the hold-down clamps an intended seam course 22 is kept free.
  • the plate-shaped components 4, 6 are then pressed together 82 by all hold-down devices, with a magnetic force acting in the direction of the clamping surface 10 being applied to at least one of the hold-down devices 84. Finally the welding 86 of the plate-shaped components 4, 6 takes place along the course of the seam 22 in an uninterrupted operation.

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Abstract

The invention proposes a method for connecting plate-like components of a bipolar plate, comprising the steps of placing a first plate-like component on a clamping surface, placing a second plate-like component onto the first plate-like component, fitting a plurality of hold-down devices on an outer surface of the second plate-like component, said outer surface facing away from the first plate-like component and the clamping surface, wherein an envisaged seam line is kept free between the hold-down devices, pressing the plate-like components together using all of the hold-down devices, wherein, for this purpose, a magnetic force acting in the direction of the clamping surface is applied to at least one of the hold-down devices, and welding the plate-like components along the seam line in a continuous operation.

Description

Beschreibung description
Titel: Title:
Verfahren und System zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen einer Bipolarplatte Method and system for connecting plate-shaped components of a bipolar plate
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen einer Bipolarplatte. The present invention relates to a method and system for connecting plate-shaped components of a bipolar plate.
Stand der Technik State of the art
Ein Brennstoffzellensystem weist oftmals einen Stapel mehrerer Brennstoffzellen auf, in denen jeweils ein elektrochemischer Prozess zwischen Sauerstoff und Wasserstoff unter Bereitstellung elektrischer Leistung abläuft. Eine einzelne Brennstoffzelle besteht dabei im Wesentlichen aus einer Membran- Elektroden- Anordnung, die von Bipolarplatten umgeben ist. Eine solche weist etwa auf einander gegenüberliegenden Oberflächen feine Strömungskanäle (das sogenannte „Strömungsfeld“) zum Zuführen von Edukten und zum Abführen von Reaktionsprodukten auf. Eine Bipolarplatte kann aus einem Anodenblech und einem Kathodenblech bestehen, die miteinander verschweißt sind und im Inneren das Durchleiten eines Kühlmediums ermöglichen. Die Materialstärke der oftmals aus Stahl gefertigten Bleche kann einen Zehntel Millimeter oder weniger betragen. A fuel cell system often has a stack of several fuel cells, in each of which an electrochemical process between oxygen and hydrogen takes place while providing electrical power. A single fuel cell essentially consists of a membrane-electrode arrangement surrounded by bipolar plates. Such a device has fine flow channels (the so-called "flow field") on opposite surfaces for the supply of educts and the removal of reaction products. A bipolar plate can consist of an anode sheet and a cathode sheet, which are welded to one another and allow a cooling medium to pass through on the inside. The material thickness of the sheets, which are often made of steel, can be a tenth of a millimeter or less.
Das Verschweißen kann durch Laserstrahlschweißen erfolgen. Zur Realisierung eines geringen Verzugs werden die Prozessparameter für das Schweißverfahren so gewählt, dass ein möglichst geringer Energieeintrag erfolgt. Dies resultiert in sehr schmalen Schweißnähten, deren Nahtbreite üblicherweise auch nur einen Zehntel Millimeter oder weniger betragen kann, bei einem geringen Schmelzbadvolumen. Insgesamt führt dies in Kombination mit den dadurch erforderlichen hohen Prozessgeschwindigkeiten zu einer schlechten Spaltüberbrückbarkeit, sodass bereits Spalte von 30 - 50 pm zwischen den Blechen zu Fehlstellen und somit Undichtigkeiten in der Bipolarplatte führen können. The welding can be done by laser beam welding. In order to achieve low distortion, the process parameters for the welding process are selected in such a way that the energy input is as low as possible. This results in very narrow weld seams, the seam width of which can usually be only a tenth of a millimeter or less, with a low melt pool volume. Overall, this, in combination with the high process speeds required as a result, leads to poor quality Ability to bridge gaps, so that even gaps of 30 - 50 pm between the sheets can lead to defects and thus leaks in the bipolar plate.
Da der Schweißprozess recht sensibel hinsichtlich des Vorhandenseins von Bauteilspalten ist, wird eine Spannvorrichtung zum Herstellen eines technischen Nullspalts im Bereich der Fügestelle eingesetzt. Aufgrund von Toleranzen der Anoden und Kathodenbleche ist es daher erforderlich, dass beidseitig einer herzustellenden Schweißnaht die bleche niedergehalten werden. Bei Bipolarplatten wird zum Sicherstellen einer geschlossenen Dichtkontur eine geschlossene Schweißbahn hergestellt. Hierzu werden in mehreren Schritten Schweißmasken nacheinander auf die zu verbindenden Bleche aufgelegt und halten jeweils einen Teil der Kontur nieder. Daher umfasst die Schweißbahn mehrere Einzelnähte mit Anfang und Ende sowie deren Überschneidungen, was schließlich zu einer geschlossenen Naht führt. Gegenüber einem konstant ablaufenden Prozess kann dies zu Prozessinstabilitäten und einer erhöhten Fehleranfälligkeit führen. Since the welding process is very sensitive to the presence of component gaps, a clamping device is used to create a technical zero gap in the area of the joint. Due to tolerances in the anode and cathode sheets, it is therefore necessary for the sheets to be held down on both sides of a weld seam to be produced. In the case of bipolar plates, a closed weld path is produced to ensure a closed sealing contour. For this purpose, welding masks are placed one after the other on the sheets to be joined in several steps and hold down part of the contour. Therefore, the weld path includes several individual seams with a beginning and end as well as their overlaps, which ultimately leads to a closed seam. Compared to a constantly running process, this can lead to process instabilities and an increased susceptibility to errors.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und/oder ein System zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen einer Bipolarplatte bereitzustellen, welches die vorangehend genannten Nachteile verhindert und insbesondere eine vollständig geschlossene Schweißbahn ermöglicht. It is the object of the invention to provide a method and/or a system for connecting plate-shaped components of a bipolar plate, which avoids the aforementioned disadvantages and in particular enables a completely closed welding path.
Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen. The object with regard to the method is solved by the features of independent claim 1. Advantageous embodiments and developments can be found in the dependent claims and the following description.
Es wird ein Verfahren zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen einer Bipolarplatte vorgeschlagen, aufweisend die Schritte des Auflegens eines ersten plattenförmigen Bauteils auf einer Aufspannoberfläche, des Auflegens eines zweiten plattenförmigen Bauteils auf das erste plattenförmige Bauteil, des Aufbringens mehrerer Niederhalter auf dem zweiten plattenförmigen Bauteil auf einer von dem ersten plattenförmigen Bauteil und der Aufspannoberfläche abgewandten Seite, wobei zwischen den Niederhaltern ein vorgesehener Nahtverlauf freigehalten wird, des Zusammendrückens der plattenförmigen Bauteile durch alle Niederhalter, wobei dazu auf zumindest einen der Niederhalter eine in Richtung der Aufspannoberfläche wirkende Magnetkraft aufgebracht wird, und des Verschweißens der plattenförmigen Bauteile entlang des Nahtverlaufs in einem unterbrechungsfreien Arbeitsgang. A method for connecting plate-shaped components of a bipolar plate is proposed, comprising the steps of placing a first plate-shaped component on a clamping surface, placing a second plate-shaped component on the first plate-shaped component, applying several hold-down devices on the second plate-shaped component a side facing away from the first plate-shaped component and the mounting surface, with a planned seam course being kept free between the holding-down devices, the pressing together of the plate-shaped components by all holding-down devices, with a magnetic force acting in the direction of the mounting surface being applied to at least one of the holding-down devices for this purpose, and of Welding of the plate-shaped components along the course of the seam in one uninterrupted operation.
Die beiden plattenförmigen Bauteile können, wie vorangehend erwähnt, ein Anodenblech und ein Kathodenblech umfassen. Sie sind bevorzugt als Stahlbleche ausgeführt und weisen eine Materialstärke von bevorzugt deutlich unter einem Millimeter, etwa einem Zehntel Millimeter oder weniger auf. Das erste plattenförmige Bauteil, das etwa das Anodenblech oder das Kathodenblech sein kann, wird zunächst auf eine Aufspannoberfläche aufgelegt. Das an dem ersten plattenförmigen Bauteil ausgebildete Strömungsfeld ist dabei bereits eingeprägt und zu der Aufspannoberfläche gerichtet. Das zweite plattenförmige Bauteil wird anschließend auf das erste plattenförmige Bauteil aufgelegt, wobei hier das Strömungsfeld des zweiten plattenförmigen Bauteils von der Aufspannoberfläche abgewandt ist. Es ist vorgesehen, die beiden plattenförmigen Bauteile in dieser Anordnung miteinander zu verbinden. As mentioned above, the two plate-shaped components can comprise an anode sheet and a cathode sheet. They are preferably designed as sheet steel and have a material thickness of preferably well under one millimeter, about a tenth of a millimeter or less. The first plate-shaped component, which can be the anode sheet or the cathode sheet, is first placed on a clamping surface. The flow field formed on the first plate-shaped component is already embossed and directed towards the clamping surface. The second plate-shaped component is then placed on the first plate-shaped component, with the flow field of the second plate-shaped component facing away from the mounting surface. It is intended to connect the two plate-shaped components to one another in this arrangement.
Zum Ausbilden eines Nullspalts in dem vorgesehenen Nahtverlauf werden mehrere Niederhalter eingesetzt. Diese sind dazu ausgebildet, das zweite plattenförmige Bauteil auf das erste plattenförmige Bauteil zu drücken, sodass in dem vorgesehenen Nahtverlauf ein flächenbündiger Kontakt zwischen den beiden plattenförmigen Bauteilen hergestellt wird. Hierbei werden alle Niederhalter gleichzeitig auf das zweite plattenförmige Bauteil gedrückt, anstatt diese wie üblich nacheinander aufzulegen. Durch Einsatz einer auf zumindest einen der Niederhalter einwirkenden Magnetkraft kann auch ein geschlossener Nahtverlauf beidseitig umschlossen werden, ohne die Zugänglichkeit für eine Schweißvorrichtung von außerhalb des zweiten plattenförmigen Bauteils einzuschränken. Das Aufbringen der Magnetkraft könnte durch eine Magneteinheit erreicht werden, etwa durch einen Permanentmagneten oder einen selektiv aktivierbaren Elektromagneten. Der mindestens eine Niederhalter, auf den eine Magnetkraft aufgebracht wird, könnte ebenso einen Permanentmagneten, einen Elektromagneten oder einen Körper aus einem magnetischen Material umfassen. Da alle Niederhalter gleichzeitig zum Zusammendrücken der plattenförmigen Bauteile genutzt werden, kann ein geschlossener Nahtverlauf definiert werden, der vollständig freigehalten ist. Insbesondere der oder die Niederhalter können mit einer Magnetkraft beaufschlagt werden, die aufgrund ihrer Lage an dem Nahtverlauf eine mechanische Anlenkung erfordern würden, die ein Hindernis für eine Schweißvorrichtung darstellen würde. Several hold-down devices are used to form a zero gap in the planned course of the seam. These are designed to press the second plate-shaped component onto the first plate-shaped component, so that a flush contact is produced between the two plate-shaped components in the intended course of the seam. In this case, all hold-down devices are pressed onto the second plate-shaped component at the same time, instead of placing them one after the other as usual. By using a magnetic force acting on at least one of the hold-down devices, a closed course of the seam can also be enclosed on both sides without restricting the accessibility for a welding device from outside the second plate-shaped component. The application of the magnetic force could be achieved by a magnet unit, such as a permanent magnet or a selectively activatable electromagnet. The at least one hold-down device to which a magnetic force is applied could also be a Permanent magnets, an electromagnet or a body of magnetic material. Since all hold-down devices are used at the same time to press the plate-shaped components together, a closed seam course can be defined that is kept completely free. In particular, the hold-down device or hold-down devices can be subjected to a magnetic force which, because of their location on the course of the seam, would require mechanical linkage, which would represent an obstacle for a welding device.
Dies führt zu einer erheblichen Verbesserung der Eigenschaften der hiermit realisierbaren Schweißnaht einer Bipolarplatte, da Fehlstellen, lokale Undichtigkeiten und damit der Ausschuss zuverlässig und reproduzierbar reduziert werden können. Die Kosten für die Herstellung einer Bipolarplatte können weiterhin reduziert werden, da die Anzahl der Arbeitsschritte und die Gesamtlänge der Schweißnaht reduziert werden. This leads to a significant improvement in the properties of the weld seam of a bipolar plate that can be realized in this way, since defects, local leaks and thus rejects can be reliably and reproducibly reduced. The cost of manufacturing a bipolar plate can be further reduced because the number of work steps and the overall length of the weld are reduced.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verschweißen das Laserschweißen. Es ist vorstellbar, beispielsweise einen Nd:YAG- oder CO2- Laser einzusetzen. Diese Arten von Laser können über eine geeignete Prozesssteuerung sehr schmale Schweißnähte und ein geringes Schmelzbadvolumen ermöglichen. Insbesondere Nd:YAG-Laser können sehr präzise fokussiert werden und besonders feine Schweißnähte erzeugen. In an advantageous embodiment, the welding includes laser welding. It is conceivable to use an Nd:YAG or CO2 laser, for example. With appropriate process control, these types of lasers can enable very narrow weld seams and a low weld pool volume. Nd:YAG lasers in particular can be focused very precisely and produce particularly fine weld seams.
Wie vorangehend erwähnt umfasst der Nahtverlauf bevorzugt eine umlaufende Bahn. Die Schweißnaht kann unterbrechungsfrei, da keine Hindernisse entlang des Nahtverlaufs vorliegen, in einem einzelnen Arbeitsgang entlang des Nahtverlaufs hergestellt werden und damit die Nachteile des Standes der Technik, unter Ausnutzung des mindestens einen magnetgestützten Niederhalters, überwinden. As previously mentioned, the course of the seam preferably comprises a circumferential track. Since there are no obstacles along the course of the seam, the weld seam can be produced without interruption in a single operation along the course of the seam and thus overcome the disadvantages of the prior art by using the at least one magnet-supported hold-down device.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann zudem das Aufbringen von Niederhaltern das Anordnen mindestens eines inneren Niederhalters innerhalb des Nahtverlaufs und mindestens eines Niederhalters außerhalb des Nahtverlaufs umfassen, wobei die Magnetkraft auf den mindestens einen inneren Niederhalter aufgebracht wird. Ein innerhalb des Nahtverlaufs, d.h. ein randinnenseitig an dem vorgesehenen Nahtverlauf angeordneter, Niederhalter benötigt dann keinerlei andere mechanische Mittel, die seine Fixierung durchführen. Folglich sind keine über den Nahtverlauf ragenden mechanischen Mittel notwendig, die die Schweißvorrichtung behindern würden. Nur ein insbesondere innenliegender Niederhalter kann hinreichend sein, sofern ein Nullspalt sichergestellt werden kann. In the method according to the invention, the application of hold-down devices can also include arranging at least one inner hold-down device within the course of the seam and at least one hold-down device outside of the course of the seam, with the magnetic force being applied to the at least one inner hold-down device. A within the course of the seam, ie a The hold-down device arranged on the inside of the edge along the intended course of the seam then does not require any other mechanical means to carry out its fixation. Consequently, no mechanical means projecting beyond the course of the seam, which would impede the welding device, are necessary. Only one, in particular internal, hold-down device can be sufficient if a zero gap can be ensured.
Die Aufgabe hinsichtlich des Systems wird durch ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs gelöst. Dabei wird ein System zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen einer Bipolarplatte vorgeschlagen, aufweisend eine Aufspannplatte mit einer Aufspannoberfläche, mehrere Niederhalter zum Zusammendrücken zweier plattenförmiger Bauteile auf der Aufspannoberfläche, mindestens eine Magneteinheit, und eine Schweißvorrichtung, wobei die mindestens eine Magneteinheit auf einer von den Niederhaltern abgewandten Seite der Aufspannoberfläche angeordnet ist, wobei die mindestens eine Magneteinheit dazu ausgebildet ist, eine Magnetkraft auf mindestens einen der Niederhalter auszuüben, sodass der betreffende mindestens eine Niederhalter in Richtung der Aufspannoberfläche gedrückt wird, wobei die Niederhalter dazu ausgeformt sind, zwischen den Niederhaltern in einem auf die plattenförmigen Bauteile aufgedrückten Zustand einen vorgesehenen Nahtverlauf freizuhalten, und wobei die Schweißvorrichtung dazu ausgebildet ist, entlang des Nahtverlaufs die plattenförmigen Bauteile zu verschweißen. The object with regard to the system is solved by a system with the features of the independent system claim. A system for connecting plate-shaped components of a bipolar plate is proposed, having a clamping plate with a clamping surface, several hold-down devices for pressing two plate-shaped components together on the clamping surface, at least one magnet unit, and a welding device, with the at least one magnet unit on one facing away from the hold-down devices side of the clamping surface, wherein the at least one magnet unit is designed to exert a magnetic force on at least one of the hold-down devices, so that the at least one hold-down device in question is pressed in the direction of the clamping surface, wherein the hold-down devices are designed to be positioned between the hold-down devices in one keeping the plate-shaped components free in the pressed-on state along an intended course of the seam, and wherein the welding device is designed to weld the plate-shaped components along the course of the seam.
Die Aufspannplatte kann eine ebene Oberfläche aufweisen, auf die einer der plattenförmigen Bauteile direkt auflegbar ist. Diese auch Aufspannoberfläche genannte Oberfläche könnte auch Rillen, Vorsprünge, Nuten oder andere Merkmale aufweisen, die mit einer Geometrie des ersten plattenförmigen Bauteils in Eingriff bringbar sind. Bei der Ausführung der plattenförmigen Bauteile als dünne Bleche, die auf ihren Außenseiten jeweils ein Strömungsfeld ausbilden, können folglich Strömungskanäle eines Strömungsfelds zur positionsgenauen Ausrichtung des ersten plattenförmigen Bauteils an der Aufspannoberfläche genutzt werden. Die mindestens eine Magneteinheit kann mindestens einen Permanentmagneten und/oder mindestens einen Elektromagneten aufweisen. Die Magneteinheit kann unterhalb oder zumindest teilweise in der Aufspannplatte angeordnet sein, wobei sich die magnetischen Feldlinien durch die Aufspannplatte und die darauf befindlichen plattenförmigen Bauteile erstrecken können müssen. Die mindestens eine Magneteinheit kann einen oder mehrere der Niederhalter in Richtung der Aufspannoberfläche ziehen, sodass die darauf abgelegten plattenförmigen Bauteile randseitlich des vorgesehenen Nahtverlaufs zusammengedrückt werden. An dem vorgesehenen Nahtverlauf kann damit ein flächenbündiger Kontakt, wie vorangehend beschrieben, erreicht werden. The clamping plate can have a flat surface onto which one of the plate-shaped components can be placed directly. This surface, also called clamping surface, could also have grooves, projections, grooves or other features that can be brought into engagement with a geometry of the first plate-shaped component. When the plate-shaped components are designed as thin metal sheets that each form a flow field on their outer sides, flow channels of a flow field can consequently be used for precisely positioning the first plate-shaped component on the clamping surface. The at least one magnet unit can have at least one permanent magnet and/or at least one electromagnet. The magnet unit can be arranged below or at least partially in the clamping plate, with the magnetic field lines having to be able to extend through the clamping plate and the plate-shaped components located thereon. The at least one magnet unit can pull one or more of the hold-down devices in the direction of the mounting surface, so that the plate-shaped components placed thereon are pressed together at the edges of the planned seam line. A flush contact, as described above, can thus be achieved at the intended course of the seam.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Niederhalter mindestens einen äußeren Niederhalter und mindestens einen inneren Niederhalter auf, wobei der mindestens eine innere Niederhalter ausgeformt ist, den Nahtverlauf zu dem mindestens einen äußeren Niederhalter einzuschließen. Der mindestens eine innere Niederhalter wird vollständig von einem geschlossenen Nahtverlauf umgeben. Er kann randinnenseitig an dem Nahtverlauf platziert werden. Die äußeren Niederhalter sind indes randaußenseitig an dem Nahtverlauf platziert. Diese können statt durch die Magneteinheit auch durch herkömmliche mechanische Mechanismen, beispielsweise Spannwerkzeuge, Klammern, Hebel, Stellglieder oder dergleichen gehalten werden, da diese den vorgesehenen Nahtverlauf nicht überdecken. In an advantageous embodiment, the hold-down devices have at least one outer hold-down device and at least one inner hold-down device, the at least one inner hold-down device being shaped to enclose the course of the seam to the at least one outer hold-down device. The at least one inner hold-down device is completely surrounded by a closed course of the seam. It can be placed on the inside edge of the seam. The outer hold-down devices are placed on the outside edge of the seam. Instead of being held by the magnet unit, these can also be held by conventional mechanical mechanisms, for example clamping tools, clamps, levers, actuators or the like, since these do not cover the planned course of the seam.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der mindestens eine innere Niederhalter mindestens zwei Segmente, die mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die Segmente bilden voneinander getrennte Niederhalterkörper, welche durch mechanische Mittel miteinander gekoppelt sind. Die Kopplung könnte etwa durch formelastische Verbindungen realisiert werden, beispielsweise Druck- oder Zugfedern. Die Unterteilung in mehrere Segmente erlaubt, eine elastischere Auflage auf den plattenförmigen Bauteilen zu erreichen. Um einen Nullspalt über den gesamten Nahtverlauf sicherzustellen, sind mitunter hohe Niederhaltekräfte erforderlich, bei denen lokale Verformungen der plattenförmigen Bauteile auftreten. Zur Vermeidung einer lokal nur punktuellen Auflage sind die unterteilten Segmente besonders geeignet. Die Kopplung zwischen den Segmenten ermöglicht jedoch ihre laterale Ausrichtung zueinander. Besonders bevorzugt umfasst der mindestens eine innere Niederhalter mindestens zwei Segmente umfasst, die mechanisch voneinander unabhängig sind. Die Ausrichtung der Segmente könnte über eine separate Führungseinrichtung erfolgen oder über Formmerkmale des zweiten plattenförmigen Bauteils. Es ist nicht auszuschließen, dass ein innerer Niederhalter sowohl mechanisch gekoppelte, als auch unabhängige Segmente aufweist. In an advantageous embodiment, the at least one inner hold-down device comprises at least two segments that are mechanically coupled to one another. The segments form separate hold-down bodies which are coupled to one another by mechanical means. The coupling could be realized by form-elastic connections, for example compression or tension springs. The subdivision into several segments allows a more elastic support to be achieved on the plate-shaped components. In order to ensure a zero gap over the entire course of the seam, high hold-down forces are sometimes required, with which local deformations of the plate-shaped components occur. The subdivided segments are particularly suitable for avoiding local contact only at certain points. However, the coupling between the segments allows them to be laterally aligned with one another. Particularly preferably, the at least one inner hold-down device comprises at least two segments that are mechanically independent of one another. The segments could be aligned via a separate guide device or via shape features of the second plate-shaped component. It cannot be ruled out that an inner hold-down device has both mechanically coupled and independent segments.
Zum Ausrichten könnte der mindestens eine Niederhalter mindestens einen Vorsprung zum Eingreifen in eine Vertiefung der plattenförmigen Bauteile umfassen. Die Vertiefung könnte etwa durch einen Strömungskanal eines Strömungsfelds realisiert sein, in den eine passend geformte Vertiefung eingreifen und die laterale Position des betreffenden Niederhalters festlegen kann. For alignment purposes, the at least one hold-down device could include at least one projection for engaging in a depression in the plate-shaped components. The indentation could be realized, for example, by a flow channel of a flow field, into which an appropriately shaped indentation can engage and fix the lateral position of the hold-down device in question.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens einer der Niederhalter an einem zu dem vorgesehenen Nahtverlauf benachbarten Bereich in eine von dem Nahtverlauf abgewandte Richtung angeschrägt. Der Schweißvorrichtung kann damit mehr Raum zum Erreichen des Nahtverlaufs bereitgestellt werden. In a preferred embodiment, at least one of the hold-down devices is beveled in a region adjacent to the intended course of the seam in a direction away from the course of the seam. The welding device can thus be provided with more space to reach the course of the seam.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Magneteinheit mindestens einen Elektromagneten. Dieser kann nach dem Auflegen der platten förmigen Bauteile aktiviert und nach Beendigung des Schweißvorgangs ausgeschaltet werden, was die Handhabung der Bauteile deutlich erleichtert. Er kann zudem auch Teil einer Fördereinheit in einem Fließprozess sein, in dem kontinuierlich und nacheinander mehrere Bipolarplatten hergestellt werden. In a particularly advantageous embodiment, the magnet unit comprises at least one electromagnet. This can be activated after the plate-shaped components have been placed and switched off after the welding process has ended, which makes handling the components much easier. It can also be part of a conveyor unit in a flow process in which several bipolar plates are produced continuously and one after the other.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of the preferred exemplary embodiments of the invention with the aid of figures.
Ausführungsbeispiele exemplary embodiments
Es zeigt: Figur 1 eine schematische Ansicht eines Systems in einem seitlichen Schnitt Figur 2 eine Draufsicht auf das System It shows: Figure 1 is a schematic view of a system in side section. Figure 2 is a plan view of the system
Figuren 3 bis 5 das System mit segmentiertem inneren Niederhalter FIGS. 3 to 5 the system with a segmented inner hold-down device
Figur 6a und 6b verschiedene Strömungsfelder an den plattenförmigen Bauteilen Figure 6a and 6b different flow fields on the plate-shaped components
Figur 7 bis 10 Detailschnittdarstellungen des Systems Figure 7 to 10 detailed sectional views of the system
Figur 11 eine Modifikation des Systems zur Fließfertigung FIG. 11 shows a modification of the system for flow production
Figur 12 eine schematische, blockbasierte Darstellung des Verfahrens. FIG. 12 shows a schematic, block-based representation of the method.
Fig. 1 zeigt ein System 2 zum Verbinden zweier plattenförmiger Bauteile 4 und 6 einer Bipolarplatte. Das System 2 weist hierzu eine Aufspannplatte 8 mit einer Aufspannoberfläche 10 auf. Ferner sind mehrere Niederhalter 12, 14 und 16 vorgesehen, die zum Zusammendrücken der beiden plattenförmigen Bauteile 4 und 6 auf der Aufspannoberfläche 10 dienen. Während die in der Zeichnungsebene gezeigten lateral äußeren Niederhalter 12 und 16 auch durch eine mechanische Spann- oder Haltevorrichtung in Richtung der Aufspannplatte 8 gedrückt werden können, wird der innere Niederhalter 14 durch eine magnetische Kraft in Richtung der Aufspannplatte 8 gedrängt. Hierzu ist unterhalb der Aufspannplatte 8 eine Magneteinheit 18 angeordnet. Sind die Niederhalter 12, 14 und 16 zumindest teilweise aus einem magnetischen Material gebildet, werden diese durch die Magneteinheit 18 angezogen. Dabei drücken sie jeweils mit einem Auflageabschnitt 20 auf die plattenförmigen Bauteile 4 und 6. Ein vorgesehener Nahtverlauf 22 wird beidseitig eng umschlossen fixiert, sodass lokal ein flächenbündiger Kontakt zwischen den beiden plattenförmigen Bauteilen 4 und 6 vorliegt. Eine beispielhaft als Laserschweißvorrichtung ausgeführte Schweißvorrichtung 24, die einen Laserstrahl 26 abgibt, kann die beiden plattenförmigen Bauteile 4 und 6 entlang des Nahtverlaufs 22 verschweißen. Zum Folgen des beliebig geformten Nahtverlaufs 22 kann die Schweißvorrichtung 24 beispielhaft um zwei Achsen rotieren und/oder entlang zweier Achsen translatorisch bewegt werden. Zum ausreichenden Freihalten des Nahtverlaufs 22 sind beispielhaft die Seitenkanten 28 der Niederhalter 12, 14 und 16 in eine von dem Nahtverlauf 22 abgewandte Richtung angeschrägt. Um ein Verschweißen der plattenförmigen Bauteile 4 und 6 mit der Aufspannplatte 8 zu vermeiden, ist unterhalb des vorgesehenen Nahtverlaufs 22 zudem eine Ausnehmung 30 vorgesehen. 1 shows a system 2 for connecting two plate-shaped components 4 and 6 of a bipolar plate. For this purpose, the system 2 has a clamping plate 8 with a clamping surface 10 . Furthermore, several hold-down devices 12, 14 and 16 are provided, which serve to press the two plate-shaped components 4 and 6 together on the clamping surface 10. While the laterally outer hold-down devices 12 and 16 shown in the plane of the drawing can also be pressed in the direction of the platen 8 by a mechanical clamping or holding device, the inner hold-down device 14 is pushed in the direction of the platen 8 by a magnetic force. For this purpose, a magnet unit 18 is arranged below the clamping plate 8 . If the hold-down devices 12, 14 and 16 are formed at least partially from a magnetic material, they are attracted by the magnet unit 18. In doing so, they each press with a contact section 20 on the plate-shaped components 4 and 6 . A welding device 24 embodied as a laser welding device, for example, which emits a laser beam 26 , can weld the two plate-shaped components 4 and 6 along the course of the seam 22 . To follow the arbitrarily shaped course of the seam 22, the welding device 24 can, for example, rotate about two axes and/or be moved translationally along two axes. To keep the course of the seam 22 sufficiently clear, the side edges 28 of the hold-down devices 12, 14 and 16 are, for example, beveled in a direction away from the course of the seam 22. In order to prevent the plate-shaped components 4 and 6 from being welded to the clamping plate 8 , a recess 30 is also provided below the intended course of the seam 22 .
In Fig. 2 wird das System 2 in einer Draufsicht gezeigt. Hier sind die beiden lateralen Niederhalter 12 und 16 als zueinander parallele und voneinander beabstandete längliche Bauteile gezeigt. Sie können durch hierzu senkrecht verlaufende zusätzliche Niederhalter 32 und 34 ergänzt werden, welche ebenfalls parallel zueinander und in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Der innere Niederhalter 14 ist in Form eines abgerundeten Rechtecks vorgesehen. Die Niederhalter 12, 14, 16, 33 und 34 umschließen den vorgesehenen Nahtverlauf 22, der ebenfalls exemplarisch die Form eines abgerundeten Rechtecks aufweist. In figure 2 the system 2 is shown in a plan view. Here, the two lateral hold-down devices 12 and 16 are shown as elongate components which are parallel to one another and spaced apart from one another. They can be supplemented by additional hold-down devices 32 and 34 running perpendicular thereto, which are also arranged parallel to one another and at a distance from one another. The inner hold-down 14 is provided in the shape of a rounded rectangle. The hold-down devices 12, 14, 16, 33 and 34 enclose the intended course of the seam 22, which likewise has the shape of a rounded rectangle as an example.
In Fig. 3 wird eine Abwandlung gezeigt, bei der der innere Niederhalter 14 in mehrere Segmente 36 und 40 aufgeteilt ist. Die beiden in der Zeichnungsebene linken Segmente 36 werden jeweils durch eine Kopplungsfeder 38 mechanisch miteinander gekoppelt. Diese kann eine Druck- oder Zugfeder sein, die dazu ausgebildet ist, in eine vorgegebene Neutralposition zu drängen. Die beiden in der Zeichnungsebene rechts angeordneten Segmente 40 sind von den anderen Segmenten 36 unabhängig und stehen auch nicht mit anderen Komponenten in Verbindung. Damit könnten sie beispielsweise über Führungsgeometrien, die an dem zweiten plattenförmigen Bauteil 6 angeordnet oder durch das daran angeordnete Strömungsfeld darin ausgebildet sind, geführt werden. A modification is shown in FIG. 3 in which the inner hold-down device 14 is divided into a plurality of segments 36 and 40 . The two segments 36 on the left in the plane of the drawing are each mechanically coupled to one another by a coupling spring 38 . This can be a compression or tension spring that is designed to push into a predetermined neutral position. The two segments 40 arranged on the right in the plane of the drawing are independent of the other segments 36 and are also not connected to other components. They could thus be guided, for example, via guide geometries that are arranged on the second plate-shaped component 6 or are formed therein by the flow field arranged thereon.
In Fig. 4 wird eine weiter modifizierte Variante gezeigt, bei der mehrere Segmente 36 und 40 vorgesehen sind, welche mechanisch gekoppelt oder unabhängig ausgeführt sind. Die Segmente 36 und 40 weisen jeweils eine Ausnehmung 42 auf, durch die die vorangehend gezeigte Schweißvorrichtung 24 punktförmige Schweißungen, etwa in Form je einer Steppnaht, ausführen kann. Damit kann die Formtreue besonders von größeren Bipolarplatten verbessert werden. In Fig. 5 sind Schnittebenen B-B und C-C markiert, die die Schnittansichten in den Fig. 7 und 8 kennzeichnen, in denen die Steppnaht und die Ausrichtung besser ersichtlich sind. A further modified variant is shown in FIG. 4, in which several segments 36 and 40 are provided, which are mechanically coupled or designed independently. The segments 36 and 40 each have a recess 42 through which the welding device 24 shown above can carry out spot welds, for example in the form of a stitched seam. This can improve the shape fidelity of larger bipolar plates in particular. Sectional planes BB and CC are marked in Figure 5 which identify the sectional views in Figures 7 and 8 where the stitching and alignment can be better seen.
Fig. 6a und 6b zeigen jeweils ein Strömungsfeld 44 und 46, die Strömungskanäle 48 zum Zuführen von Edukten und Abführen von Reaktionsprodukten aufweisen. Das in Fig. 6a gezeigte Strömungsfeld 44 weist Strömungskanäle 48 auf, die in senkrecht zueinander angeordneten Richtungen verlaufen. Das Strömungsfeld 44 ist folglich ein Kreuzstrom-Strömungsfeld („Cross- Flow“). Das Strömungsfeld 46 aus Fig. 6b hingegen weist Strömungskanäle 48 mit ausschließlich parallelen Erstreckungen auf, sodass es als Gegenstrom-Strömungsfeld bezeichnet werden kann („Counter- Flow“). Wird ein Segment 40 auf eines der Strömungsfelder 44 oder 46 aufgebracht, können Formmerkmale der Strömungskanäle 48 zum Ausrichten verwendet werden. Während das Strömungsfeld 44 aus Fig. 6a eine leichte Ausrichtung in zwei Raumrichtungen ermöglicht, ist dies bei dem Strömungsfeld 46 ohne weiteres nur in einer Raumrichtung möglich. Weisen indes einzelne Strömungskanäle 48 lokal unterschiedliche Höhen auf können hierdurch Formmerkmale geschaffen werden, an denen eine präzise Ausrichtung in zwei Raumrichtungen möglich ist. 6a and 6b each show a flow field 44 and 46, which have flow channels 48 for supplying starting materials and removing reaction products. The flow field 44 shown in FIG. 6a has flow channels 48 running in directions perpendicular to one another. The flow field 44 is consequently a cross-flow flow field (“cross-flow”). The flow field 46 from FIG. 6b, on the other hand, has flow channels 48 with exclusively parallel extensions, so that it can be referred to as a counter-current flow field (“counter-flow”). When a segment 40 is applied to one of the flow fields 44 or 46, shape features of the flow channels 48 can be used for alignment. While the flow field 44 from FIG. 6a enables easy alignment in two directions in space, this is easily possible in the case of the flow field 46 in only one direction in space. However, if individual flow channels 48 have locally different heights, shape features can thereby be created on which precise alignment in two spatial directions is possible.
Fig. 7 zeigt die Schnittebene B-B. Dort ist ein lateraler Niederhalter 36 mit der Ausnehmung 42 zu sehen, durch die der Laserstrahl 26 eine Steppnaht 50 hersteilen kann. Fig. 7 shows the section plane B-B. A lateral hold-down device 36 with the recess 42 can be seen there, through which the laser beam 26 can produce a stitched seam 50 .
In Fig. 8 wird der Niederhalter 36 gezeigt, der mehrere Vorsprünge 52 und 54 besitzt, die mit Vertiefungen 56 des ersten plattenförmigen Bauteil 6 kämmen und den Niederhalter 36 damit ausrichten. Hierbei sind die Vorsprünge 52 derart dimensioniert, dass sie zwar in die Vertiefungen 56 hineinragen, jedoch das zweite plattenförmige Bauteil 6 nicht berühren. Dies geschieht lediglich an dem Vorsprung 54, um nur dort einen definierten Flächenkontakt herzustellen. In Fig. 8, the hold-down 36 is shown having a plurality of projections 52 and 54 which mate with indentations 56 of the first panel member 6 and align the hold-down 36 therewith. In this case, the projections 52 are dimensioned in such a way that although they protrude into the depressions 56, they do not touch the second plate-shaped component 6. This only happens at the projection 54 in order to produce a defined surface contact only there.
In Fig. 9 wird der innere Niederhalter 14 dargestellt, dessen Auflageabschnitt 20 an Flanken 58 des zweiten plattenförmigen Bauteils 6 zentriert wird. Hierdurch kann der innere Niederhalter 14 präzise auf das zweite plattenförmige Bauteil aufgelegt werden und folglich randinnenseitig des vorgesehenen Nahtverlaufs 22 angeordnet sein. 9 shows the inner hold-down device 14 whose support section 20 is centered on flanks 58 of the second plate-shaped component 6 . As a result, the inner hold-down device 14 can be applied precisely to the second plate-shaped component are placed and consequently be arranged on the inside edge of the planned seam course 22 .
Fig. 10 zeigt den inneren Niederhalter 14 mit einem Vorsprung 59, dessen Querschnitt an seinem äußeren Ende abgerundet ist und in einer abgerundeten Vertiefung 60 des zweiten plattenförmigen Bauteils 6 eingreift. Durch die abgerundete Form erfolgt eine einfache Selbstzentrierung und kann mitunter ein Verkanten beim Auflegen des inneren Niederhalters 14 verhindern. 10 shows the inner hold-down device 14 with a projection 59 whose cross-section is rounded at its outer end and engages in a rounded depression 60 of the second plate-shaped component 6 . The rounded shape results in simple self-centering and can sometimes prevent tilting when the inner hold-down device 14 is placed.
Fig. 11 zeigt eine mögliche Weiterbildung in Form eines kontinuierlichen Systems 62 zur Fließfertigung von Bipolarplatten. Hier werden mehrere Aufspannplatten 8 kontinuierlich an einer ersten Fördereinheit 64 geführt. Entlang einer Nutzstrecke 66 können die Aufspannplatten 8 mit zugeführten plattenförmigen Bauteilen 4 und 6 (siehe I) bestückt werden (siehe II). Anschließend werden Niederhalter 74 zugeführt (III) und auf die plattenförmigen Bauteile 4 und 6 aufgelegt (IV). Auf die Niederhalter 74 wird eine Magnetkraft ausgeübt (V) und anschließend erfolgt das Verschweißen der beiden plattenförmigen Bauteile 4 und 6 (VI). Anschließend werden die Niederhalter 74 wieder entfernt (VII), sodass darauf resultierende Bipolarplatten 68 (VIII) entnommen werden können (IX). Die Niederhalter 74 können über eine zweite Fördereinheit 70 transportiert werden, die weiterhin auch zusätzliche Magnetspannplatten 72 transportieren und auflegen könnte, welche zudem zum Transportieren der Niederhalter 74 verwendbar sind. 11 shows a possible development in the form of a continuous system 62 for the flow production of bipolar plates. Here, several clamping plates 8 are guided continuously on a first conveyor unit 64 . The clamping plates 8 can be fitted (see II) with supplied plate-shaped components 4 and 6 (see I) along a useful path 66 . Subsequently, hold-down devices 74 are fed in (III) and placed on the plate-shaped components 4 and 6 (IV). A magnetic force is exerted on the hold-down device 74 (V) and the two plate-shaped components 4 and 6 are then welded together (VI). The hold-down devices 74 are then removed again (VII) so that the resulting bipolar plates 68 (VIII) can be removed (IX). The hold-down devices 74 can be transported via a second conveyor unit 70, which could also transport and place additional magnetic chucks 72, which can also be used to transport the hold-down devices 74.
Fig. 12 zeigt schließlich die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es erfolgen dabei die Schritte des Auflegens 76 eines ersten plattenförmigen Bauteils 4 auf einer Aufspannoberfläche 10, des Auflegens 78 eines zweiten plattenförmigen Bauteils 6 auf das erste plattenförmige Bauteil 4, des Aufbringens 80 mehrerer Niederhalter auf das zweite plattenförmige Bauteil 6 auf einer von dem ersten plattenförmigen Bauteil 4 und der Aufspannoberfläche 10 abgewandten Seite, wobei zwischen den Niederhaltern ein vorgesehener Nahtverlauf 22 freigehalten wird. Anschließend erfolgt ein Zusammendrücken 82 der plattenförmigen Bauteile 4, 6 durch alle Niederhalter, wobei dazu auf zumindest einen der Niederhalter eine in Richtung der Aufspannoberfläche 10 wirkende Magnetkraft aufgebracht wird 84. Schließlich erfolgt das Verschweißen 86 der plattenförmigen Bauteile 4, 6 entlang des Nahtverlaufs 22 in einem unterbrechungsfreien Arbeitsgang. Finally, FIG. 12 shows the schematic representation of the method according to the invention. This involves the steps of placing 76 a first panel-shaped component 4 on a clamping surface 10, placing 78 a second panel-shaped component 6 on the first panel-shaped component 4, applying 80 a plurality of hold-down devices to the second panel-shaped component 6 on one of the first panel-shaped components Component 4 and the clamping surface 10 side facing away, wherein between the hold-down clamps an intended seam course 22 is kept free. The plate-shaped components 4, 6 are then pressed together 82 by all hold-down devices, with a magnetic force acting in the direction of the clamping surface 10 being applied to at least one of the hold-down devices 84. Finally the welding 86 of the plate-shaped components 4, 6 takes place along the course of the seam 22 in an uninterrupted operation.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen (4, 6) einer Bipolarplatte, aufweisend die Schritte: 1. A method for connecting plate-shaped components (4, 6) of a bipolar plate, comprising the steps:
Auflegen (76) eines ersten plattenförmigen Bauteils (4) auf einer Aufspannoberfläche (10), Placing (76) a first panel-shaped component (4) on a clamping surface (10),
Auflegen (78) eines zweiten plattenförmigen Bauteils (6) auf das erste plattenförmige Bauteil (4), Placing (78) a second panel-shaped component (6) on the first panel-shaped component (4),
Aufbringen (80) mehrerer Niederhalter (12, 14, 16, 32, 34, 74) auf das zweite plattenförmige Bauteil (6) auf einer von dem ersten plattenförmigen Bauteil (4) und der Aufspannoberfläche (10) abgewandten Seite, wobei zwischen den Niederhaltern (12, 14, 16, 32, 34, 74) ein vorgesehener Nahtverlauf (22) freigehalten wird, Zusammendrücken (82) der plattenförmigen Bauteile (4, 6) durch alle Niederhalter (12, 14, 16, 32, 34, 74), wobei dazu auf zumindest einen der Niederhalter (12, 14, 16, 32, 34, 74) eine in Richtung der Aufspannoberfläche (10) wirkende Magnetkraft aufgebracht wird, und Applying (80) a plurality of hold-down devices (12, 14, 16, 32, 34, 74) to the second plate-shaped component (6) on a side remote from the first plate-shaped component (4) and the clamping surface (10), with between the hold-down devices (12, 14, 16, 32, 34, 74) an intended course of the seam (22) is kept free, pressing together (82) the plate-shaped components (4, 6) by all hold-down devices (12, 14, 16, 32, 34, 74) , wherein for this purpose a magnetic force acting in the direction of the clamping surface (10) is applied to at least one of the hold-down devices (12, 14, 16, 32, 34, 74), and
Verschweißen (84) der plattenförmigen Bauteile (4, 6) entlang des Nahtverlaufs (22) in einem unterbrechungsfreien Arbeitsgang. Welding (84) of the plate-shaped components (4, 6) along the course of the seam (22) in an uninterrupted operation.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verschweißen (86) das Laserschweißen umfasst. The method of claim 1, wherein the welding (86) comprises laser welding.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Aufbringen (80) von Niederhaltern (12, 14, 16, 32, 34, 74) das Anordnen mindestens eines inneren Niederhalters (14) innerhalb des Nahtverlaufs (22) und mindestens eines Niederhalters (12, 16, 32, 34, 74) außerhalb des Nahtverlaufs (22) umfasst, und wobei die Magnetkraft auf den mindestens einen inneren Niederhalter (14) aufgebracht wird. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the application (80) of hold-down devices (12, 14, 16, 32, 34, 74) includes arranging at least one inner hold-down device (14) within the seam line (22) and at least one hold-down device ( 12, 16, 32, 34, 74) outside of the course of the seam (22), and wherein the magnetic force is applied to the at least one inner hold-down device (14).
4. System (2, 62) zum Verbinden von plattenförmigen Bauteilen (4, 6) einer Bipolarplatte, aufweisend: eine Aufspannplatte (8) mit einer Aufspannoberfläche (10), mehrere Niederhalter (12, 14, 16, 32, 34, 74) zum Zusammendrücken zweier plattenförmiger Bauteile (4, 6) auf der Aufspannoberfläche (10), mindestens eine Magneteinheit (18), und eine Schweißvorrichtung (24), wobei die mindestens eine Magneteinheit (18) auf einer von den Niederhaltern (12, 14, 16, 32, 34, 74) abgewandten Seite der Aufspannoberfläche (10) angeordnet ist, wobei die mindestens eine Magneteinheit (18) dazu ausgebildet ist, eine Magnetkraft auf mindestens einen der Niederhalter (12, 14, 16, 32, 34, 74) auszuüben, sodass der betreffende mindestens eine Niederhalter (12, 14, 16, 32, 34, 74) in Richtung der Aufspannoberfläche (10) gedrückt wird, wobei die Niederhalter (12, 14, 16, 32, 34, 74) dazu ausgeformt sind, zwischen den Niederhaltern (12, 14, 16, 32, 34, 74) in einem auf die plattenförmigen Bauteile (4, 6) aufgedrückten Zustand einen vorgesehenen Nahtverlauf (22) freizuhalten, und wobei die Schweißvorrichtung (24) dazu ausgebildet ist, entlang des Nahtverlaufs (22) die plattenförmigen Bauteile (4, 6) zu verschweißen. 4. System (2, 62) for connecting plate-shaped components (4, 6) of a bipolar plate, having: a clamping plate (8) with a clamping surface (10), several hold-down devices (12, 14, 16, 32, 34, 74) for pressing together two plate-shaped components (4, 6) on the clamping surface (10), at least one magnet unit (18), and a welding device (24), the at least one magnet unit (18) being mounted on one of the hold-down devices (12, 14, 16 , 32, 34, 74) facing away from the clamping surface (10), wherein the at least one magnet unit (18) is designed to exert a magnetic force on at least one of the hold-down devices (12, 14, 16, 32, 34, 74). so that the at least one hold-down device (12, 14, 16, 32, 34, 74) in question is pressed in the direction of the clamping surface (10), the hold-down devices (12, 14, 16, 32, 34, 74) being shaped for this purpose, between the hold-down devices (12, 14, 16, 32, 34, 74) in one on the plate-shaped components (4, 6) aufged to keep an intended course of the seam (22) free in the advanced state, and wherein the welding device (24) is designed to weld the plate-shaped components (4, 6) along the course of the seam (22).
5. System (2, 62) nach Anspruch 4, wobei die Niederhalter (12, 14, 16, 32, 34, 74) mindestens einen äußeren Niederhalter (12, 16, 32, 34, 74) und mindestens einen inneren Niederhalter (14) aufweisen, wobei der mindestens eine innere Niederhalter (14) ausgeformt ist, den Nahtverlauf (22) zu dem mindestens einen äußeren Niederhalter (12, 16, 32, 34, 74) einzuschließen. 5. System (2, 62) according to claim 4, wherein the hold-down devices (12, 14, 16, 32, 34, 74) have at least one outer hold-down device (12, 16, 32, 34, 74) and at least one inner hold-down device (14 ) have, wherein the at least one inner hold-down device (14) is shaped to enclose the course of the seam (22) to the at least one outer hold-down device (12, 16, 32, 34, 74).
6. System (2, 62) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der mindestens eine innere Niederhalter (14) mindestens zwei Segmente (36) umfasst, die mechanisch miteinander gekoppelt sind. The system (2, 62) of claim 4 or 5, wherein the at least one inner hold-down (14) comprises at least two segments (36) mechanically coupled together.
7. System (2, 62) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der mindestens eine innere Niederhalter (14) mindestens zwei Segmente (40) umfasst, die mechanisch voneinander unabhängig sind. 7. System (2, 62) according to any one of claims 4 to 6, wherein the at least one inner hold-down (14) comprises at least two segments (40) which are mechanically independent of one another.
8. System (2, 62) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der mindestens eine Niederhalter (12, 14, 16, 32, 34, 74) mindestens einen Vorsprung (52, 54) zum Eingreifen in eine Vertiefung (56) der plattenförmigen Bauteile (4, 6) umfasst. 8. System (2, 62) according to one of claims 4 to 7, wherein the at least one hold-down device (12, 14, 16, 32, 34, 74) has at least one projection (52, 54) for engaging in a recess (56) of the plate-shaped components (4, 6).
9. System (2, 62) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei mindestens einer der Niederhalter (12, 14, 16, 32, 34, 74) an einem zu dem vorgesehenen Nahtverlauf (22) benachbarten Bereich in eine von dem Nahtverlauf (22) abgewandte Richtung angeschrägt ist. 9. System (2, 62) according to one of claims 4 to 8, wherein at least one of the hold-down devices (12, 14, 16, 32, 34, 74) in an area adjacent to the intended seam line (22) in one of the seam line (22) is beveled in the opposite direction.
10. System (2, 62) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Magneteinheit (18) mindestens einen Elektromagneten umfasst. 10. System (2, 62) according to any one of claims 4 to 9, wherein the magnet unit (18) comprises at least one electromagnet.
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