EP4690328A1 - Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte, unipolarplatte oder separatorplatte für elektrolyseure oder dergleichen sowie eine entsprechende vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte, unipolarplatte oder separatorplatte für elektrolyseure oder dergleichen sowie eine entsprechende vorrichtung

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EP4690328A1
EP4690328A1 EP24715112.9A EP24715112A EP4690328A1 EP 4690328 A1 EP4690328 A1 EP 4690328A1 EP 24715112 A EP24715112 A EP 24715112A EP 4690328 A1 EP4690328 A1 EP 4690328A1
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EP
European Patent Office
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roll
material web
sheet
cutouts
forming
Prior art date
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Pending
Application number
EP24715112.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Koschke
Michael TEMMINGHOFF
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.)
Matthews International GmbH
Matthews International Corp
Original Assignee
Matthews International GmbH
Matthews International Corp
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention is based on a method for producing a bipolar plate, a unipolar plate, a separator plate for electrolyzers, or the like according to the preamble of claim 1, as described in DE 10 2010 048 761 A1. A similar method is also described in WO 2018/115952 A1.
  • unipolar plate or separator plate which also has the flow field
  • process the material web by means of roll forming.
  • a two-part embossing tool can be used for this, for example a pair of rollers designed according to the male-female principle.
  • channel structures of the flow field can be formed in the material web.
  • additional structural elements are formed, for example to provide fluidic connections between the flow field and cutouts in the bipolar plate through which reaction gases and other reactants involved in the fuel cell reaction are to be guided.
  • Such cutouts are, for example, a fuel inlet, a fuel outlet, an oxidant inlet, an oxidant outlet, a coolant inlet and a coolant outlet.
  • these cutouts form channels for the supply and discharge of the reactants or the coolant.
  • the cutouts of the plate are provided, for example, in a processing step following roll forming, the cutting step. Often the cutting of bipolar plates is not carried out in a rotating manner. In this case, the roll cutting or roll punching of the This can lead to an impairment of the channel structure and other structuring of the material web formed during the previous roll forming, and thus to a loss of efficiency of the fuel cell. This impairment of the roll forming is particularly pronounced for small cutouts, ie cutouts with a small opening cross-section, or for cutouts which are much smaller in the cross-sectional area in one direction than in the direction perpendicular to it.
  • a roll-to-roll process means that a material web, in particular a continuously guided one, is fed to at least two successive rolls and/or roll arrangements.
  • a roll-to-sheet process in the sense of the invention means that a, in particular continuously guided, material web is fed to a roll and/or roll arrangement, and in this roll and/or roll arrangement or downstream of this roll and/or roll arrangement, individual elements are produced from the material web, which are in particular fed to further processing steps for the manufacture of an end product.
  • a roll-to-product process in the sense of the invention means that a, in particular continuously guided, material web is fed to a roll and/or roll arrangement, and in this roll and/or roll arrangement or downstream of this roll and/or roll arrangement, individual elements are produced from the material web, which represent the end product of the process, in particular without further processing steps.
  • claim 2 is directed to an electrolyzer which comprises an element produced according to the described method.
  • the invention provides a method for producing a bipolar plate, a unipolar plate, a separator plate and/or the like, wherein the method comprises the steps which can be carried out in different orders: providing a material web made of metal or graphite, and/or a material web based on a polymer;
  • Cutting the material web wherein a plurality of cutouts are produced in a region of the material web which is or was formed during the roll forming, or adjacent to this region; wherein furthermore the cutting is carried out in a roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product process, preferably in roll punching and/or roll cutting.
  • At least one of the cutouts is produced before roll forming and/or that the roll-to-roll, roll-to-sheet and/or roll-to-product process is carried out in two stages, with a first stage in which the at least one cutout is produced before roll forming and with a second stage in which at least one further cutout is produced after roll forming.
  • the at least one cutout produced before the roll forming is produced with an opening cross-section that is smaller than an opening cross-section of the at least one further cutout produced after the roll forming.
  • the opening cross-section of the at least one further cutout produced after the roll forming is at least twice, preferably at least four times and particularly preferably at least eight times larger than the opening cross-section of the at least one cutout produced before the roll forming.
  • a method according to the invention can be characterized in that in the second stage, in addition to the at least one further cutout, a bipolar plate formed in the preceding method steps including a flow field is cut out of the material web.
  • all of the cutouts are produced before roll forming, preferably so that after roll forming the bipolar plate is completely formed in the material web.
  • a method according to the invention can provide for categorizing the breakouts to be produced in the roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product process based on their respective opening cross-sectional area into one of at least two categories, each of which is assigned an opening cross-sectional area range.
  • the opening cross-sectional area regions are non-overlapping or overlapping, but preferably not congruent and/or none of the regions is a true subset of at least one other of the regions.
  • the roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product process is carried out for at least two of the at least two categories in different roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product units between which the material web is transported.
  • the production of the cutouts of a first of the categories is carried out in a first roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product unit which is arranged upstream of the roll forming in the material web feed direction, wherein the first category is assigned to those of the plurality of cutouts with an opening cross-sectional area which is smaller than the opening cross-sectional areas of all the remaining ones of the plurality of cutouts.
  • the roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product method for a second of the categories to which the remaining sections are at least partially assigned is carried out in a second roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product unit which is arranged downstream of the first roll-to-roll unit in the material web feed direction.
  • Preferred embodiments of the method can provide that the second roll-to-roll unit is arranged upstream or downstream of the roll forming in the material web feed direction.
  • the production of the cutouts of a first of the categories is carried out in a first roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product unit which is arranged downstream of the roll forming in the material web feed direction, wherein in particular those of the plurality of cutouts with an opening cross-sectional area which is smaller than the opening cross-sectional areas of all the other cutouts of the plurality of cutouts are assigned to the first category.
  • the roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product process for a second of the categories, to which the remaining sections are at least partially assigned is carried out in a second roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product unit which is located upstream or downstream of the first roll-to-roll unit in the material web feed direction.
  • the method comprises cutting out the bipolar plate from the material web, wherein the separation is carried out in a third roll-to-roll unit which is arranged downstream of the roll forming and all other roll-to-roll units in the material web feed direction.
  • the invention further provides a device for producing a bipolar plate, a unipolar plate, a separator plate or the like, preferably for carrying out the aforementioned method, wherein the device has the following functional units: at least one unwinder for providing a material web made of metal or
  • Graphite or a polymer-based material web; at least one roll forming unit for roll forming the material web; and at least one roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product unit for roll punching or roll cutting the material web, wherein the roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product unit is configured to produce a plurality of cutouts in a region of the material web formed during roll forming or in a region adjacent to this region.
  • the at least one roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product unit is arranged in front of the roll forming unit in the feed direction of the material web.
  • the at least one roll-to-roll, roll-to-sheet or roll-to-product unit is arranged after the roll forming unit in the feed direction of the material web.
  • the invention provides an electrolyzer comprising at least one bipolar plate, at least one unipolar plate and/or at least one separator plate, wherein the bipolar plate, the unipolar plate and/or the separator plate is produced according to a method according to the invention.
  • Rotary cutting tools are often used in the packaging industry to cut individual packages out of the material web. Cutting takes place at a speed of up to 600 m/min. Up to now, bipolar plates have not been cut using rotation.
  • bipolar plates unipolar plates, unipolar plates, or separator plates (metal, graphite and/or polymer based) in the roll-to-roll process, roll-to-sheet process and/or roll-to-product process, it is necessary to cut out cutouts for liquid transport as well as the entire embossed bipolar or unipolar plate.
  • Figure 1 shows an example of a bipolar plate with cut-out areas according to the prior art, where the size of the cut-out areas varies with the plate design.
  • the cut-outs are classified according to their size, in this case into the class of small and the class of medium-sized cut-outs. If the design of the plate is rather simple, it is possible to cut out all the necessary parts in one piece, as shown in Figure 2. However, it has been found that if all cutouts of any size are to be produced in a single step in the roll-to-roll process, cutting small cutouts in an already roll-formed plate can distort the embossed structure.
  • the invention may alternatively or additionally comprise a roll-to-sheet and/or a roll-to-product process.
  • Figure 6 shows various possible plate alignments on a cutting roller for producing the cutouts in a roll-to-roll process.
  • the upper row shows plates with a rectangular shape, whereby in the top left variant the plates are aligned in the circumferential direction, whereby in the top center variant the plates are aligned in the axial direction, whereby in the top right variant the plates are arranged inclined to the axial direction or to the circumferential direction, and whereby in the bottom center variant the plates are formed with a parallelogram shape.
  • the alignment of the plates on the cutting tool can be in the axial direction or in the circumferential direction. It is also possible to tilt the plate so that there is no long cutting line in the axial direction. This avoids high line loads in the axial direction (as in Figure 6 top center) and can be beneficial for the cutting process. It is also possible to design the plate like a parallelogram ( Figure 2 bottom center). Then the plate can as shown in Figure 6 bottom center (or in another arrangement) to reduce the line load during the cutting process. The line load is also reduced in the variant top right in Figure 6.
  • a register control can help to keep the embossing and cutting of the plates in line in multi-stage processes.
  • More suitable for metal is one of the cutting tools according to variants (c) - (f) according to Figure 8.
  • the distance between the cutting elements is described by k and is between 1pm and 20pm.
  • Figure 9 shows an embodiment with rectangular cutting elements (c). Rectangular cutting shapes can be used to cut metal sheets. The distance between the cutting elements is described by k and lies between 1pm and 20pm. The rectangular shape is robust against wear, but sensitive to misalignment of the tools.
  • Figure 10 shows an embodiment with a rectangular and an angled cutting element (d).
  • one cutting element encloses an angle "alpha” to further improve the cutting of metal.
  • "Alpha” can be between 0° and 45°.
  • this arrangement is sensitive to alignment errors of the tools. The advantage of this arrangement is that the material web is pushed to the side during cutting, which leads to easier removal of the material.
  • Figure 11 shows an embodiment with two angled cutting elements (e). In the event of small misalignments, the surfaces of the cutting elements slide over each other so that the cutting edge is not destroyed. Both sides of the material web are pushed away from the cutting position.
  • Figure 12 shows an embodiment with two angled cutting elements with an additional bevel (f). This arrangement is similar to embodiment (e), but here one or both cutting elements have an additional inclination. The inclination is described by the angle "beta” and can be between 1° and 90°. The use of this additional inclination leads to better material removal after cutting.
  • Figure 13 shows an embodiment with a butterfly cut (g).
  • the two angles "alpha” and “beta” point in the opposite direction compared to the embodiments (d) to (f).
  • the range of "alpha” and “beta” is preferably 0° - 45°.
  • This embodiment results in the cleanest cut of the material web, especially if it consists of a metal or has such a metal. However, the removed material is not pushed away. In addition, misalignment of the tool can lead to considerable damage to the cutting edges.
  • FIG 14 shows a side view of the rollers with various cutting elements; (h): triangular cutting element; (i) oblique cutting element; (j): wave or zigzag cutting element.
  • the cutting elements are shown in a plane perpendicular to that shown in (c) to (g).
  • a cutting tip is arranged in the middle of the element from which the cutting starts.
  • a cutting tip starts at the side of the cutting element.
  • the cutting element has several elevations where the cutting starts. Both embodiments (h) and (i) require a very high cutting edge to achieve a slope over the entire cutting element. This results in a larger element height.
  • the embodiment (j) uses several elevations to start the cut and requires a lower cutting element height compared to (h) and (i). On the other hand, the embodiment (j) can lead to an unclean cutting result. It is also possible to use the embodiments (h) - (j) in combination and/or for both cutting edges of the same cutting element.
  • All cutting elements can be incorporated directly into the roller material or designed as replaceable segments.
  • replaceable segments are that individual segments/cutting elements can be replaced in the event of damage and the possibility of readjusting individual elements if the cutting performance is reduced (e.g. due to wear).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte, einer Unipolarplatte, einer Separatorplatte oder dergleichen, wobei das Verfahren die in unterschiedlicher Reihenfolge ausführbaren Schritte aufweist: - Bereitstellen einer Materialbahn aus Metall oder Graphit, oder einer auf einem Polymer basierenden Materialbahn; - Rollumformen der Materialbahn; und - Schneiden der Materialbahn, wobei mehrere Ausschnitte in einem Bereich der Materialbahn erzeugt werden, der bei dem Rollumformen geformt wird oder wurde, oder angrenzend an diesen Bereich; dadurch gekennzeichnet, dass das Schneiden in einem Rolle-zu-Rolle-, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt Verfahren, vorzugsweise im Rollstanzen und/oder im Rollschneiden, erfolgt.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, Unipolarplatte oder Separatorplatte für Elektrolyseure oder dergleichen sowie eine entsprechende Vorrichtung
BESCHREIBUNG
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, einer Unipolarplatte, einer Separatorplatte für Elektrolyseure, oder dergleichen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es in der DE 10 2010 048 761 Al beschrieben ist. Ein ähnliches Verfahren beschreibt auch die WO 2018/115952 Al.
Für die Ausbildung der Oberflächenstruktur der Bipolarplatte, Unipolarplatte, oder Separatorplatte, welche auch das Strömungsfeld aufweist, ist es bekannt, die Materialbahn mittels Rollumformens zu bearbeiten. Dazu kann beispielsweise ein zweiteiliges Prägewerkzeug zum Einsatz kommen, beispielsweise ein Walzenpaar, das nach dem Patrize-Matrize-Prinzip ausgebildet ist. Auf diese Weise können Kanalstrukturen des Strömungsfeld in der Materialbahn ausgebildet werden. Darüber hinaus werden zusätzliche Strukturelemente ausgeformt, um beispielsweise fluidische Verbindungen zwischen dem Strömungsfeld und Ausschnitten in der Bipolarplatte bereitzustellen, durch welche Reaktionsgase und andere an der Brennstoffzellenreaktion beteiligten Reaktanden geleiten werden sollen. Solche Ausschnitte sind beispielsweise ein Brennstoffeinlass, ein Brennstoffauslass, ein Oxidationsmitteleinlass, ein Oxidationsmittelauslass, ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass. In dem späteren Stapel aus einer Vielzahl der Bipolarplatten bilden diese Ausschnitte Kanäle für die Zuleitung und Ableitung der Reaktanden bzw. des Kühlmittels.
Die Ausschnitte der Platte werden beispielweise in einem dem Rollformen nachfolgenden Bearbeitungsschritt, dem Schneiden bereitgestellt. Oft wird das Schneiden von Bipolarplatten nicht rotierend durchgeführt. Hierbei kann nämlich das Rollschneiden oder Rollstanzen der Materialbahn zu einer Beeinträchtigung der bei dem vorangegangenen Rollformen ausgebildeten Kanalstruktur und sonstigen Strukturierung der Materialbahn kommen, und damit zu Effizienzverlusten der Brennstoffzelle. Diese Beeinträchtigung der Rollformung ist besonders stark ausgeprägt für kleine Ausschnitte, d. h. Ausschnitte mit geringem Öffnungsquerschnitt, bzw. für Ausschnitte, die in der Querschnittsfläche in einer Richtung sehr viel kleiner ausgebildet sind als in der Richtung senkrecht dazu.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, das zuvor beschriebene Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass die formhaltige Aufrechterhaltung der Rollformung bei der Verwendung eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens, eines Rolle-zu-Sheet-Verfahren und/oder Rolle- zu-Produkt-Verfahren für die Erzeugung der Ausschnitte ermöglicht.
Dabei wird unter einem Rolle -zu-Rolle Verfahren im Sinne der Erfindung verstanden, dass eine, insbesondere kontinuierlich geführte, Materialbahn zumindest zwei aufeinander folgenden Rollen und/oder Rollenanordnungen zugeführt wird.
Unter einem Rolle-zu-Sheet Verfahren wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass eine , insbesondere kontinuierlich geführte, Materialbahn einer Rolle und/oder Rollenanordnung zugeführt wird, und in dieser Rolle und/oder Rollenanordnung oder nachfolgend zu dieser Rolle und/oder Rollenanordnung aus der Materialbahn vereinzelte Elemente erzeugt werden, die insbesondere weiteren Verarbeitungsschritten zur Herstellung eines Endproduktes zugeführt werden.
Unter einem Rolle-zu-Produkt Verfahren wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass eine , insbesondere kontinuierlich geführte, Materialbahn einer Rolle und/oder Rollenanordnung zugeführt wird, und in dieser Rolle und/oder Rollenanordnung oder nachfolgend zu dieser Rolle und/oder Rollenanordnung aus der Materialbahn vereinzelte Elemente erzeugt werden, die das Endprodukt des Verfahrens, insbesondere ohne weitere Verarbeitungsschritte, darstellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine entsprechende Vorrichtung ist Gegenstand des Anspruchs 18. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Schließlich ist Patentanspruch 2 auf einen Elektrolyseur gerichtet, der ein nach dem beschriebenen Verfahren hergestelltes Element umfasst. Im Einzelnen liefert die Erfindung also ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, einer Unipolarplatte, einer Separatorplatte und/oder dergleichen, wobei das Verfahren die in unterschiedlicher Reihenfolge ausführbaren Schritte aufweist: Bereitstellen einer Materialbahn aus Metall oder Graphit, und/oder einer auf einem Polymer basierenden Materialbahn;
Rollumformen der Materialbahn; und
Schneiden der Materialbahn, wobei mehrere Ausschnitte in einem Bereich der Materialbahn erzeugt werden, der bei dem Rollumformen geformt wird oder wurde, oder angrenzend an diesen Bereich; wobei ferner das Schneiden in einem Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu- Sheet oder Rolle-zu-Produkt Verfahren, vorzugsweise im Rollstanzen und/oder im Rollschneiden, erfolgt.
Dabei wird vorgeschlagen, dass mindestens einer der Ausschnitte vor dem Rollumformen erzeugt wird und/oder bei dem das Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet und/oder Rolle -zu-Produkt Verfahren zweistufig ausgefuhrt wird, mit einer ersten Stufe, bei der der mindestens ein Ausschnitt vor dem Rollumformen erzeugt wird, und mit einer zweiten Stufe, bei der mindestens ein weiterer der Ausschnitte nach dem Rollumformen erzeugt wird.
Auch ist bevorzugt, dass der mindestens eine vor dem Rollumformen erzeugte Ausschnitt mit einem Öffhungsquerschnitt erzeugt wird, der kleiner als ein Öffhungsquerschnitt des mindestens einen weiteren Ausschnitts ist, der nach dem Rollumformen erzeugt wird.
Bei der vorgenannten Ausfuhrungsform ist bevorzugt, dass der Öffhungsquerschnitt des nach dem Rollumformen erzeugten mindestens einen weiteren Ausschnitts mindestens zweimal, vorzugsweise mindestens viermal und besonders bevorzugt mindestens achtmal größer als der Öffhungsquerschnitt des mindestens einen vor dem Rollumformen erzeugten Ausschnitts ist.
Eine erfindungsgemäßes Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass in der zweiten Stufe zusätzlich zu dem mindestens einen weiteren Ausschnitt eine in den vorangegangenen Verfahrensschritten ausgebildete Bipolarplatte einschließlich eines Flussfeldes aus der Materialbahn ausgeschnitten wird.
Dabei wird vorgeschlagen, dass das Erzeugen des mindestens einen weiteren Ausschnitts und das Ausschneiden der Bipolarplatte aus der Materialbahn in demselben Verfahrensschritt erfolgt. Alternativ wird vorgeschlagen, dass mindestens einer der Ausschnitte nach dem Rollumformen erzeugt wird.
Auch kann vorgesehen sein, dass sämtliche der Ausschnitte vor dem Rollumformen erzeugt werden, vorzugsweise sodass nach dem Rollumformens die Bipolarplatte in der Materialbahn vollständig ausgebildet ist.
Ein erfmdungsgemäßes Verfahren kann vorsehen, dass das Kategorisieren der bei dem Rolle-zu- Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle -zu-Produkt -Verfahren zu erzeugenden Ausbrüche anhand ihrer jeweiligen Öffhungsquerschnittsfläche in eine von mindestens zwei Kategorien, denen jeweils ein Öffnungsquerschnittsflächenbereich zugeordnet ist.
Auch wird vorgeschlagen, dass die Öffhungsquerschnittsflächenbereiche überlappungsfrei oder überlappend, jedoch vorzugsweise nicht kongruent sind und/oder keiner der Bereiche eine echte Teilmenge mindestens eines weiteren der Bereiche ist.
Bei den beiden vorgenannten Ausführungsformen ist bevorzugt, dass das Rolle-zu-Rolle, Rolle- zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt Verfahren für mindestens zwei der mindestens zwei Kategorien in unterschiedlichen Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle -zu-Produkt-Einheiten, zwischen denen die Materialbahn transportiert wird, durchgeführt wird.
Dabei wird vorgeschlagen, dass das Erzeugen der Ausbrüche einer ersten der Kategorien in einer ersten Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt -Einheit durchgeführt wird, die in Materialbahnvorschubrichtung dem Rollformen vorgelagert ist, wobei der ersten Kategorie diejenigen der mehreren Ausbrüche mit einer Öffnungsquerschnittfläche zugeordnet sind, die kleiner als die Öffnungsquerschnittsflächen aller übrigen der mehreren Ausschnitte sind.
Ferner ist bevorzugt, dass das Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt -Verfahren für eine zweite der Kategorien, welcher die übrigen Ausschnitte zumindest teilweise zugeordnet sind, in einer zweiten Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt Einheit durchgeführt wird, die in Materialbahnvorschubrichtung der ersten Rolle-zu-Rolle -Einheit nachgelagert ist. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens können vorsehen, dass die zweite Rolle-zu- Rolle-Einheit in Materialbahnvorschubrichtung dem Rollformen vorgelagert oder nachgelagert ist.
Auch ist bevorzugt, dass das Erzeugen der Ausbrüche einer ersten der Kategorien in einer ersten Rolle -zu-Rolle, Rolle -zu- Sheet oder Rolle-zu-Produkt Einheit durchgeführt wird, die in Materialbahnvorschubrichtung dem Rollformen nachgelagert ist, wobei insbesondere der ersten Kategorie diejenigen der mehreren Ausbrüche mit einer Öffhungsquerschnittfläche zugeordnet sind, die kleiner als die Öffnungsquerschnittsflächen aller übrigen der mehreren Ausschnitte sind.
Dabei wird vorgeschlagen, dass das Rolle -zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt - Verfahren für eine zweite der Kategorien, welcher die übrigen Ausschnitte zumindest teilweise zugeordnet sind, in einer zweiten Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt Einheit durchgeführt wird, die in Materialbahnvorschubrichtung der ersten Rolle-zu-Rolle-Einheit vorgelagert oder nachgelagert ist.
Schließlich wird für das Verfahren bevorzugt, dass das Ausschneiden der Bipolarplatte aus der Materialbahn aufweist, wobei das Ausscheiden in einer dritten Rolle-zu-Rolle-Einheit durchgeführt wird, die in Materialbahnvorschubrichtung dem Rollformen und allen übrigen Rolle-zu-Rolle-Einheiten nachgelagert ist.
Die Erfindung liefert ferner eine Vorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte, einer Unipolarplatte, einer Separatorplatte oder dergleichen, vorzugsweise zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, wobei die Vorrichtung die folgenden Funktionseinheiten aufweist: zumindest einen Abwickler für das Bereitstellen einer Materialbahn aus Metall oder
Graphit, oder einer auf einem Polymer basierenden Materialbahn; zumindest eine Rollumformeinheit für das Rollumformen der Materialbahn; und mindestens eine Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt -Einheit für das Rollstanzen oder Rollschneiden der Materialbahn, wobei die Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt —Einheit dazu eingerichtet ist, mehrere Ausschnitte in einem bei dem Rollumformen geformten oder in einem angrenzend an diesen Bereich angeordneten Bereich der Materialbahn zu erzeugen. Für die Vorrichtung wird auch vorgeschlagen, dass die mindestens eine Rolle-zu-Rolle-, Rolle- zu-Sheet oder Rolle -zu-Produkt -Einheit in Vorschubrichtung der Materialbahn vor der Rollumformeinheit angeordnet ist.
Auch ist bevorzugt, dass die mindestens eine Rolle-zu-Rolle-, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu- Produkt -Einheit in Vorschubrichtung der Materialbahn nach der Rollumformeinheit angeordnet ist.
Schließlich liefert die Erfindung eineen Elektrolyseur umfassend zumindest eine Bipolarplatte, zumindest eine Unipolarplatte und/oder zumindest eine Separatorplatte, wobei die Bioplarplatte, die Unipolarplatte und/oder die Separatorplatte nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figuren erläutert. Keines der beschriebenen Beispiele soll die Erfindung einschränken. Die mit Bezug auf die einzelnen Figuren beschriebenen Merkmale können, soweit sie nicht im Widerspruch zueinanderstehen, auch in beliebiger Kombination miteinander zur Realisierung einer erfmdungsgemäßen Ausführungsform herangezogen werden, die nicht explizit in den Figuren gezeigt ist. Insbesondere können auch Merkmale einzelner Ausführungsformen entfallen.
Rotationsschneidewerkzeuge werden in der Verpackungsbranche häufig zum Ausschneiden von Einzelpackungen aus der Materialbahn verwendet. Das Schneiden erfolgt mit einer Geschwindigkeit von bis zu 600m/min. Bisher wird das Schneiden von Bipolarplatten nicht rotierend durchgeführt.
Für die Herstellung von Bipolarplatten, Unipolarplatten, oder Separatorplatten (auf Metall-, Graphit- und/oder Polymerbasis) im Rolle-zu-Rolle-Verfahren, Rolle-zu-Sheet-Verfahren und/oder Rolle-zu-Produkt-Verfahren ist es erforderlich, Ausschnitte für den Flüssigkeitstransport sowie die gesamte geprägte Bipolar- oder Unipolarplatte auszuschneiden.
Figur 1 zeigt ein Beispiel einer Bipolarplatte mit ausgeschnittenen Bereichen gemäß dem Stand der Technik, wobei die Größe der ausgeschnittenen Bereiche mit dem Plattendesign variiert. Die Ausschnitt sind nach ihrer Größe klassifiziert, vorliegend in die Klasse der kleinen und die Klasse der mittelgroßen Ausschnitte. Wenn das Design der Platen eher einfach ist, ist es möglich, alle notwendigen Teile an einem Stück auszuschneiden, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass wenn sämtliche Ausschnite jeglicher Größe in einem einzigen Schrit im Rolle -zu-Rolle -Verfahren erzeugt werden sollen, das Ausschneiden kleiner Ausschnite in einer bereits rollumgeformten Plate die geprägte Struktur verformen kann.
Obwohl in diesem Beispiel eine Rolle-zu-Rolle-Verfahren beschrieben wird, kann die Erfindung auch alternativ oder ergänzend ein Rolle -zu- Sheet und/oder eine Rolle-Zu-Produkt-Verfahren umfassen.
Zur Lösung dieses Problems wird bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform vorgeschlagen, in einem ersten Rolle-zu-Rolle-Verfahren zunächst kleine Ausschnite noch vor dem Rollformen zu erzeugen und erst anschließend die Struktur mitels des Rollumformens zu prägen. In einem sich an das Rollumformen anschließenden zweiten Rolle-zu-Rolle-Verfahren oder zweiten Schrit eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens können die mitelgroßen Ausschnite erzeugt und die gesamte Plate in einer separaten Schneideinheit ausgeschniten werden. Es ist auch möglich, dass die mitelgroßen Ausschnite und die gesamte Plate in separaten Schneideinheiten ausgeschniten werden. Je nach Platendesign und Walzenanordnung kann es auch vorteilhaft sein, dass die mitelgroßen Ausschnite vor dem Rollumformen ausgeschniten werden, wie es in den Figuren 4 und 5 gezeigt ist.
Die Figur 6 zeigt verschiedene mögliche Platenausrichtungen auf einer Schneidwalze zur Erzeugung der Ausschnite in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Hierbei zeigt die obere Reihe Platen mit rechteckiger Form, wobei bei der Variante oben links die Platen in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, wobei bei der Variante oben Mite die Platen in axialer Richtung ausgerichtet, wobei bei der Variante oben rechts die Platen zur Axialrichtung oder zur Umfangsrichtung geneigt angeordnet sind, und wobei bei der Variante unten Mite die Platen mit einer Parallelogrammform ausgebildet sind.
Die Ausrichtung der Platen auf dem Schneidwerkzeug kann in axialer Richtung oder in Umfangsrichtung erfolgen. Es ist auch möglich, die Plate so zu kippen, dass es keine lange Schnitlinie in axialer Richtung gibt. Dies vermeidet hohe Linienlasten in axialer Richtung (wie in Figur 6 oben Mite) und kann für den Schneidprozess von Vorteil sein. Es ist auch möglich, die Plate wie ein Parallelogramm zu gestalten (Abbildung 2 unten Mite). Dann kann die Plate wie in Figur 6 unten Mitte (oder in einer anderen Anordnung) angeordnet werden, um die Linienlast während des Schneidvorgangs zu verringern. Die Linienlast ist auch in der Variante oben rechts in Figur 6 reduziert. Eine Registerregelung kann dabei behilflich sein, bei mehrstufigen Prozessen das Prägen und das Schneiden der Platten in einer Linie zu halten.
In der Verpackungsbranche arbeiten die Schneidwerkzeuge häufig mit einer Stanzlinie, um das Material zu schneiden, wie dies in Figur 7 gezeigt ist. Hierbei wird zwischen dem Schneiden gegen eine Stanzfläche (a) und dem Schneiden gegen ein Stanzelement (b) unterschieden. In Variante (a) übt die Stanzlinie einen Druck auf die Materialbahn aus, bis das Material reißt und zur Seite weggedrückt wird. Hierbei ist das Gegenstück flach ausgebildet. Gemäß (b) ist es auch möglich, ein Stanzelement als Gegenstück zu verwenden. Die Schneidwirkung ist hierbei im Vergleich zu der Variante (a) besser, aber der Verschleiß des Schneidwerkzeugs ist höher. Beide Variante (a) und (b) könnten auch für das Schneiden von Metall verwendet werden, aber die Kräfte, die aufgebracht werden müssten, wären sehr hoch.
Besser geeignet für Metall ist eines der Schneidwerkzeuge gemäß den Varianten (c) - (f) gemäß Figur 8. Der Abstand zwischen den Schneidelementen wird durch k beschrieben und hegt zwischen Ipm und 20pm. Es gibt vier besonders bevorzugte Ausführungsformen von Schneidkanten, die mit Bezug auf die Figuren 9 bis 12 beschrieben werden.
Die Figur 9 zeigt eine Ausführungsform mit rechteckigen Schneidelementen (c). Zum Schneiden von Metallblechen können rechteckige Schneidformen verwendet werden. Der Abstand zwischen den Schneidelementen wird durch k beschrieben und liegt zwischen Ipm und 20pm. Die rechteckige Form ist robust gegen Verschleiß, aber empfindlich gegen Fehlausrichtungen der Werkzeuge.
Die Figur 10 zeigt eine Ausführungsform mit einem rechteckigen und einem abgewinkelten Schneidelement (d). Hierbei schließt ein Schneidelement einen Winkel „alpha“ ein, um das Schneiden von Metall weiter zu verbessern. „Alpha“ kann zwischen 0° und 45° liegen. Diese Anordnung ist jedoch empfindlich gegenüber Ausrichtungsfehlem der Werkzeuge. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Materialbahn beim Schneiden zur Seite geschoben wird, was zu einem leichteren Abtrag des Materials führt. Die Figur 11 zeigt eine Ausführungsform mit zwei abgewinkelte Schneidelementen (e). Bei kleinen Fluchtungsfehlern gleiten die Flächen der Schneidelemente übereinander, so dass die Schnittkante nicht zerstört wird. Beide Seiten der Materialbahn werden von der Schneidposition weggeschoben.
Die Figur 12 zeigt eine Ausfuhrungsform mit zwei abgewinkelten Schneidelementen mit zusätzlicher Schräge (f). Diese Anordnung ist ähnlich zu der Ausfuhrungsform (e), jedoch weisen hier ein oder beide Schneidelemente eine zusätzliche Neigung auf. Die Neigung wird durch den Winkel „beta“ beschrieben und kann zwischen 1° und 90° hegen. Die Verwendung dieser zusätzlichen Neigung fuhrt zu einem besseren Materialabtrag nach dem Schneiden.
Die Figur 13 zeigt eine Ausfuhrungsform mit Schmetterlingsschnitt (g). Hierbei zeigen die beiden Winkel „alpha“ und „beta“ in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zu den Ausführungsformen (d) bis (f). Der Bereich von „alpha“ und „beta“ beträgt vorzugsweise 0° - 45°. Diese Ausführungsform ergibt den saubersten Schnitt der Materialbahn, insbesondere wenn diese aus einem Metall besteht oder ein solches aufweist. Es findet jedoch kein Wegschieben des abgetragenen Materials statt. Außerdem kann eine Fehlausrichtung des Werkzeugs zu einer erheblichen Beschädigung der Schneidkanten führen.
Nachdem mit Bezug auf die vorangegangen Figuren Ausführungsformen der bevorzugten Schneidgeometrien beschrieben wurden, werden mit Bezug auf die folgenden Figuren bevorzugte Geometrien der Schnittlinie beschrieben. Parallele Schnittlinien können versagen, wenn es zu langen Schnitten in axialer Richtung kommt (siehe Figur 6, oben links und oben Mitte). Hier führt der lange Axialschnitt zu einer hohen Linienlast, die durch die Schneideinheit kompensiert werden muss. Um hohe Linienlasten zu vermeiden, werden mit Bezug auf Figur 14 vorteilhafte Schneidenformen beschrieben. Figur 14 zeigt eine Seitenansicht der Walzen mit verschiedenen Schneidelementen; (h): Dreieckschneidelement; (i) Schrägschneidelement; (j): Wellen- oder Zickzackschneidelement. Hierbei sind die Schneidelemente in einer Ebene senkrecht zu der in (c) bis (g) gezeigten dargestellt.
Bei der Ausführungsform (h) ist eine Schneidspitze in der Mitte des Elements angeordnet, von der aus das Schneiden beginnt. Bei der Ausführungsform (i) beginnt eine Schneidspitze an der Seite des Schneidelements. Bei der Ausführungsform (j) hat das Schneidelement mehrere Erhöhungen, an denen das Schneiden beginnt. Beide Ausführungsformen (h) und (i) benötigen eine sehr hohe Schneidkante, um eine Neigung über das gesamte Schneidelement zu erreichen. Dies fuhrt zu einer größeren Elementhöhe. Die Ausführungsform (j) verwendet mehrere Erhöhungen, um den Schnitt zu beginnen und benötigt eine geringere Schneidelementhöhe im Vergleich zu (h) und (i). Andererseits kann die Ausfuhrungsform (j) zu einem unsauberen Schnittergebnis fuhren. Es ist auch möglich, die Ausführungsformen (h) - (j) in Kombination und/oder für beide Schneiden desselben Schneidelements zu verwenden.
Alle Schneidelemente können direkt in das Walzenmaterial eingearbeitet werden oder als austauschbare Segmente ausgeführt werden. Der Vorteil der Verwendung von austauschbaren Segmenten liegt in der Auswechselbarkeit einzelner Segmente/Schneidelemente im Falle einer Beschädigung und der Möglichkeit der Nachjustierung einzelner Elemente bei verminderter Schneidleistung (z.B. durch Verschleiß).
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte, einer Unipolarplatte, einer Separatorplatte und/oder dergleichen, wobei das Verfahren die in unterschiedlicher Reihenfolge ausführbaren Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Materialbahn aus Metall oder Graphit, und/oder einer auf einem Polymer basierenden Materialbahn;
Rollumformen der Materialbahn; und
Schneiden der Materialbahn, wobei mehrere Ausschnitte in einem Bereich der Materialbahn erzeugt werden, der bei dem Rollumformen geformt wird oder wurde, oder angrenzend an diesen Bereich; dadurch gekennzeichnet, dass das Schneiden in einem Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle -zu-Produkt Verfahren, vorzugsweise im Rollstanzen und/oder im Rollschneiden, erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Ausschnitte vor dem Rollumformen erzeugt wird und/oder bei dem das Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet und/oder Rolle -zu-Produkt Verfahren zweistufig ausgeführt wird, mit einer ersten Stufe, bei der der mindestens ein Ausschnitt vor dem Rollumformen erzeugt wird, und mit einer zweiten Stufe, bei der mindestens ein weiterer der Ausschnitte nach dem Rollumformen erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der mindestens eine vor dem Rollumformen erzeugte Ausschnitt mit einem Öffhungsquerschnitt erzeugt wird, der kleiner als ein Öffhungsquerschnitt des mindestens einen weiteren Ausschnitts ist, der nach dem Rollumformen erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Öffnungsquerschnitt des nach dem Rollumformen erzeugten mindestens einen weiteren Ausschnitts mindestens zweimal, vorzugsweise mindestens viermal und besonders bevorzugt mindestens achtmal größer als der Öffhungsquerschnitt des mindestens einen vor dem Rollumformen erzeugten Ausschnitts ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem in der zweiten Stufe zusätzlich zu dem mindestens einen weiteren Ausschnitt eine in den vorangegangenen Verfahrensschritten ausgebildete Bipolarplatte einschließlich eines Flussfeldes aus der Materialbahn ausgeschnitten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Erzeugen des mindestens einen weiteren Ausschnitts und das Ausschneiden der Bipolarplatte aus der Materialbahn in demselben Verfahrensschritt erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Ausschnitte nach dem Rollumformen erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sämtliche der Ausschnitte vor dem Rollumformen erzeugt werden, vorzugsweise sodass nach dem Rollumformens die Bipolarplatte in der Materialbahn vollständig ausgebildet ist.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Kategorisieren der bei dem Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt -Verfahren zu erzeugenden Ausbrüche anhand ihrer jeweiligen Öffhungsquerschnittsfläche in eine von mindestens zwei Kategorien, denen jeweils ein Öffnungsquerschnittsflächenbereich zugeordnet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Öffhungsquerschnittsflächenbereiche überlappungsfrei oder überlappend, jedoch vorzugsweise nicht kongruent sind und/oder keiner der Bereiche eine echte Teilmenge mindestens eines weiteren der Bereiche ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt Verfahren für mindestens zwei der mindestens zwei Kategorien in unterschiedlichen Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle -zu-Produkt-Einheiten, zwischen denen die Materialbahn transportiert wird, durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Erzeugen der Ausbrüche einer ersten der Kategorien in einer ersten Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt - Einheit durchgeführt wird, die in Materialbahnvorschubrichtung dem Rollformen vorgelagert ist, wobei der ersten Kategorie diejenigen der mehreren Ausbrüche mit einer Öffhungsquerschnittfläche zugeordnet sind, die kleiner als die Öffhungsquerschnittsflächen aller übrigen der mehreren Ausschnitte sind.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Rolle -zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle- zu-Produkt -Verfahren für eine zweite der Kategorien, welcher die übrigen Ausschnitte zumindest teilweise zugeordnet sind, in einer zweiten Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle -zu-Produkt Einheit durchgeführt wird, die in Materialbahnvorschubrichtung der ersten Rolle-zu-Rolle-Einheit nachgelagert ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei der die zweite Rolle-zu-Rolle-Einheit in Materialbahnvorschubrichtung dem Rollformen vorgelagert oder nachgelagert ist.
15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Erzeugen der Ausbrüche einer ersten der Kategorien in einer ersten Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle -zu-Produkt Einheit durchgeführt wird, die in Materialbahnvorschubrichtung dem Rollformen nachgelagert ist, wobei insbesondere der ersten Kategorie diejenigen der mehreren Ausbrüche mit einer Öffhungsquerschnittfläche zugeordnet sind, die kleiner als die Öffhungsquerschnittsflächen aller übrigen der mehreren Ausschnitte sind.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle- zu-Produkt -Verfahren für eine zweite der Kategorien, welcher die übrigen Ausschnitte zumindest teilweise zugeordnet sind, in einer zweiten Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle -zu-Produkt Einheit durchgeführt wird, die in Materialbahnvorschubrichtung der ersten Rolle-zu-Rolle-Einheit vorgelagert oder nachgelagert ist.
17. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Ausschneiden der Bipolarplatte aus der Materialbahn aufweist, wobei das Ausscheiden in einer dritten Rolle-zu-Rolle-Einheit durchgeführt wird, die in Materialbahnvorschubrichtung dem Rollformen und allen übrigen Rolle-zu-Rolle-Einheiten nachgelagert ist.
18. Vorrichtung zur Herstellung einer Bipolarplatte, einer Unipolarplatte, einer Separatorplatte oder dergleichen, vorzugsweise zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, wobei die Vorrichtung die folgenden Funktionseinheiten aufweist: zumindest einen Abwickler für das Bereitstellen einer Materialbahn aus Metall oder Graphit, oder einer auf einem Polymer basierenden Materialbahn; zumindest eine Rollumformeinheit für das Rollumformen der Materialbahn; und mindestens eine Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt -Einheit für das Rollstanzen oder Rollschneiden der Materialbahn, wobei die Rolle-zu-Rolle, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt —Einheit dazu eingerichtet ist, mehrere Ausschnitte in einem bei dem Rollumformen geformten oder in einem angrenzend an diesen Bereich angeordneten Bereich der Materialbahn zu erzeugen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Rolle-zu-Rolle-, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt -Einheit in Vorschubrichtung der Materialbahn vor der Rollumformeinheit angeordnet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Rolle-zu-Rolle-, Rolle-zu-Sheet oder Rolle-zu-Produkt -Einheit in Vorschubrichtung der Materialbahn nach der Rollumformeinheit angeordnet ist.
21. Elektrolyseur umfassend zumindest eine Bipolarplatte, zumindest eine Unipolarplatte und/oder zumindest eine Separatorplatte, dadurch gekennzeichnet, dass die Bioplarplatte, die Unipolarplatte und/oder die Separatorplatte nach einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 17 hergestellt ist.
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