EP4709553A1

EP4709553A1 - VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM VERSCHWEIßEN VON HALBBLECHEN ZU EINER BIPOLARPLATTE

Info

Publication number: EP4709553A1
Application number: EP24721517.1A
Authority: EP
Inventors: Maximilian WELKER; Volker Benz
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-05-11
Filing date: 2024-04-17
Publication date: 2026-03-18
Also published as: WO2024230884A1; KR20250172889A; JP2026512102A; CN120957831A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (5) und ein Verfahren zum Verschweißen von Halbblechen (2, 3) zu einer Bipolarplatte (1 ). Die Vorrichtung umfasst mindestens drei Werkzeugteile, nämlich ein Werkzeugunterteil (6a) und ein mehrteiliges Werkzeugoberteil (6b), wobei zwischen das Werkzeugunterteil (6a) und das mehrteilige Werkzeugoberteil (6b) die miteinander zu verschweißenden Halbbleche (2, 3) einlegbar sind. Das mehrteilige Werkzeugoberteil (6a) umfasst mehrere Einzelteile (7; 8), die nacheinander und lediglich alternativ oberhalb des Werkzeugunterteils (6a) anorden¬ bar sind, wobei in jedem der Einzelteile (7, 8) des mehrteiligen Werkzeugoberteils (6a) sowohl mindestens eine erste Öffnung (9) zur Einleitung von Druckgas, durch welches die Halbbleche (2, 3) gegeneinander pressbar sind, als auch mindestens eine zweite Öffnung (10) zum Einbringen von Fügeenergie bei einem Schweißvorgang zum Verschweißen der Halbbleche (2, 3) ausgebildet ist, wobei eine Form der zweiten Öffnungen (10, 10') in den Einzelteilen (7, 8) des mehrteiligen Werkzeugoberteils (6b) senkrecht zur Ebene der Halbbleche (2, 3) gesehen größtenteils komplementär zueinander und lediglich bereichsweise überlappend ausgebildet ist, derart dass unter Einsatz eines Einzelteils (7, 8) des mehrteiligen Werkzeugoberteils (6b) nur jeweils ein Teil einer insgesamt zu bildenden Verschweißung erzeugbar ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Verschweißen von Halbblechen zu einer Bipolarplatte

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Halbblechen zu einer Bipolarplatte für einen Stapel elektrochemischer Zellen. Ferner betrifft die Erfindung eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Die CN 112388166 A offenbart verschiedene Vorrichtungen, mit denen Bipolarplatten beim Laserschweißen fixiert werden können. Hierbei werden Werkzeugsysteme, welche eine Kombination eines Werkzeugunterteils mit einem Werkzeugoberteil vorsehen, als bekannt vorausgesetzt. Dabei erfolgt der Schweißvorgang von beiden Seiten der Bipolarplatte mit zwei Lasereinheiten durch Öffnungen im Werkzeugunterteil und Werkzeugoberteil hindurch.

Eine in der CN 113967805 B beschriebene Vorrichtung soll die Halterung ultradünner Platten beim Laserschweißen ermöglichen. Diese Vorrichtung umfasst eine untenliegende Platte sowie eine Mehrzahl weiterer Platten, wobei einzelne Komponenten der Vorrichtung beweglich miteinander gekoppelt sind.

Aus der KR 102241379 B1 ist eine Laserschweißvorrichtung für aus Halbblechen aufgebaute Separatoren von Brennstoffzellen bekannt, welche einen Hauptblock mit Vertiefungen als Befestigungskonturen aufweist. Auf dem Hauptblock sind zwei oder mehr sogenannte inselförmige Blöcke zu befestigen. Im Hauptblock, das heißt Werkzeug-Unterteil, befinden sich Öffnungen, die im Bereich von Mediendurchströmöffnun- gen in den zu verschweißenden Halbblechen münden. Durch diese Öffnungen kann beim Schweißen Inertgas geleitet werden. Das Inertgas wird genutzt, um eine Oxidierung der Schweißnaht zu reduzieren oder zu verhindern. Die KR 20130025527 A beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Halterung von Separatorplatten für Brennstoffzellen beim Schweißen, wobei Vakuum zur Fixierung von Komponenten angewandt wird.

Die CN 108838240 A befasst sich mit der automatisierten Formung und dem Schweißen von metallischen Bipolarplatten, die nach dem Schema „zwei Platten, drei Felder“ aufgebaut sind. Als Schweißverfahren wird in diesem Fall Widerstandsschweißen vorgeschlagen. Auch Schutzgas soll zum Einsatz kommen.

Beim Verschweißen von Blechen bei der Herstellung von Bipolarplatten ist die eingesetzte Spanntechnik essentiell, um die Bleche spaltfrei aufeinander zu pressen. Nur wenn die Bleche direkt, also ohne einen Spalt dazwischen, aufeinander liegen, ist eine fehlerfreie Verschweißung möglich. Ist dies nicht der Fall und zwischen den Blechen besteht ein Spalt, der größer ist als ca. 10% der Blechdicke, sackt während des Schweißens die gebildete Schmelze ab und es entstehen Löcher. Aus Gewichtsgründen geht die technische Entwicklung hin zu immer dünneren Blechstärken, bei welchen dies noch verstärkt auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte, sich durch eine besonders hohe Prozesssicherheit und Präzision auszeichnende Möglichkeiten der Verschweißung von Bipolarplatten für elektrochemische Systeme anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine nach Anspruch 1 gestaltete Vorrichtung zum Verschweißen von Halbblechen einer Bipolarplatte. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Verschweißen der Halbbleche einer Bipolarplatte gemäß Anspruch 7.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verschweißen von Halbblechen zu einer Bipolarplatte umfasst mindestens drei Werkzeugteile, nämlich ein Werkzeugunterteil und ein mehrteiliges Werkzeugoberteil, wobei zwischen das Werkzeugunterteil und das mehrteilige Werkzeugoberteil die miteinander zu verschweißenden Halbbleche einlegbar sind. Das mehrteilige Werkzeugoberteil umfasst mehrere Einzelteile, die nacheinander und lediglich alternativ oberhalb des Werkzeugunterteils anordenbar sind, wobei in jedem der Einzelteile des mehrteiligen Werkzeugoberteils sowohl mindestens eine erste Öffnung zur Einleitung von Druckgas, durch welches die Halbbleche gegeneinander pressbar sind, als auch mindestens eine zweite Öffnung zum Einbringen von Fügeenergie bei einem Schweißvorgang zum Verschweißen der Halbbleche ausgebildet ist. Eine Form der zweiten Öffnungen in den Einzelteilen des mehrteiligen Werkzeugoberteils ist senkrecht zur Ebene der Halbbleche gesehen größtenteils komplementär zueinander und lediglich bereichsweise überlappend ausgebildet, derart dass unter Einsatz eines Einzelteils des mehrteiligen Werkzeugoberteils nur jeweils ein Teil einer insgesamt zu bildenden Verschweißung erzeugbar ist.

Unter einem „Halbblech“ wird hier eine dünne Metallfolie, insbesondere mit einer Dicke im Bereich von < 100 pm, verstanden. Im unverformten Zustand beziehungsweise in nicht dreidimensional verformten Bereichen sind solche Metallfolien biegeschlaff und schwer handhabbar. Es können mehrere solche Halbbleche zu einer Bipolarplatte verschweißt werden, insbesondere werden zwei Halbbleche miteinander verschweißt. Es können aber auch mehrere Halbbleche vorhanden sein, beispielsweise drei Halbbleche.

Die zeitversetzte Anbringung der Schweißnähte auf den Halbblechen, die durch den Wechsel der unterschiedlichen Einzelteile des mehrteiligen Werkzeugoberteils zustande kommt, führt dazu, dass die thermische Belastung der dünnen Halbbleche lokal vermindert wird und die Qualität der Schweißnähte und der Bipolarplatte insgesamt verbessert wird. Es treten weniger Schweißdefekte, wie die Bildung von Löchern, auf, wobei eine Serienfertigung von hohen Stückzahlen an Bipolarplatten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist.

Das Werkzeugunterteil, das nicht mit Öffnungen versehene ist, weist eine vergleichsweise einfache Gestalt auf, während das mehrteilige Werkzeugoberteil deutlich komplexer gestaltet ist. Es befinden sich die verschiedenen, unterschiedlichen Zwecken dienenden ersten und zweiten Öffnungen in den Einzelteilen des mehrteiligen Werkzeugoberteils.

Dabei sind bevorzugt mehrere erste Öffnungen vorhanden, die auf dem jeweiligen Einzelteil verteilt sind, um eine flächige Anpressung der Halbbleche aneinander zu gewährleisten.

Die zweiten Öffnungen jedes Einzelteils ermöglichen nur eine Ausbildung eines Teils aller zur Bildung der Bipolarplatte benötigten Schweißnähte. Dadurch kann während des Wechsels der Einzelteile die Halbblech-Anordnung wieder abkühlen, bevor der nächste Schweißvorgang startet.

Hierbei können einem einzigen Werkzeugunterteil mehrere, gegeneinander austauschbare mehrteilige Werkzeugoberteile zugeordnet werden. Die mehrteiligen Werkzeugoberteile sind dabei derart gestaltet, dass kein Einzelteil eines mehrteiligen Werkzeugoberteils allein, sondern erst die Gesamtheit der Einzelteile des jeweiligen mit dem Werkzeugunterteil zu kombinierenden mehrteiligen Werkzeugoberteils die Lage sämtlicher Schweißnähte, welche die Halbbleche miteinander verbinden, vorgibt. Insbesondere weisen die zweiten Öffnungen in den Einzelteilen des mehrteiligen Werkzeugoberteils eine sich in Richtung von dem Werkzeugunterteil weg aufweitende, V-förmige Querschnittsform auf. Dies erleichtert den Schweißvorgang.

Insbesondere bilden ein erstes Einzelteil und ein zweites Einzelteil zusammen das mehrteilige Werkzeugoberteil aus. Es können aber auch drei oder mehr Einzelteile eine entsprechendes mehrteiliges Werkzeugoberteil ausbilden.

Vorzugsweise weisen die Einzelteile des mehrteiligen Werkzeugoberteils auf ihrer dem Werkzeugunterteil zugewandten Seite mehrere erhabene Andruckstempel auf, die an die zweiten Öffnungen angrenzen. Dadurch wird eine besonders gute Anpressung der Halbbleche aufeinander erzeugt, so dass im Schweißvorgang eine durchgängige und feste Schweißnaht ausbildbar ist.

Je nach geometrischer Gestaltung der Bipolarplatte kann entweder ein Halbblech oder jedes Halbblech eine dreidimensionale Strukturierung aufweisen. Die dreidimensionale Strukturierung der Halbbleche wird, bevorzugt durch Prägen, vor dem Schweißvorgang eingebracht. Die Halbbleche sind dabei nicht notwendigerweise komplett spiegelsymmetrisch zueinander geformt. Die Strukturierung führt in den umgeformten Bereichen eines Halbblechs zu einer höheren Steifigkeit und damit besseren Handhabbarkeit. Dennoch bleiben die unverformten Bereiche biegeschlaff und auch die verformten Bereiche noch leicht verformbar, so dass sie mittels des Gasstroms gegeneinander drückbar bleiben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verschweißen von Halbblechen zu einer Bipolarplatte mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geht davon aus, dass eine Anordnung aus aufeinander liegenden Halbblechen miteinander verschweißt wird, indem die Halbbleche zwischen das Werkzeugunterteil und ein erstes Einzelteil des mehrteiligen Werkzeugoberteils eingelegt werden. Durch die mindestens eine erste Öffnung in dem ersten Einzelteil wird Druckgas geleitet, mit welcher die Halbbleche gegeneinander gepresst werden, wobei zugleich durch mindestens eine, in dem ersten Einzelteil befindliche zweite Öffnung Fügeenergie zum Verschweißen der Halbbleche eingebracht und ein erster Teil an Schweißnähten gebildet wird. Anschließend wird das erste Einzelteil gegen mindestens ein zweites Einzelteil des mehrteiligen Werkzeugoberteils getauscht, derart dass durch die mindestens eine erste Öffnung in einem mindestens einen zweiten Einzelteil Druckgas geleitet wird, mit welcher die Halbbleche gegeneinander gepresst werden. Zugleich durch mindestens eine, in dem zweiten Einzelteil befindliche zweite Öffnung Fügeenergie zum Verschweißen der Halbbleche eingebracht und ein weiterer Teil an Schweißnähten gebildet.

Das Verfahren ermöglicht eine schnelle und qualitativ hochwertige Serienfertigung von Bipolarplatten.

Als Druckgas kann Druckluft oder ein Inertgas eingesetzt werden.

Jedes Einzelteil des mehrteiligen Werkzeugoberteils wird während des Verfahrens gegen die Halbbleche und die Werkzeugunterteil angedrückt. Insbesondere pressen die optionalen Andruckstempel am ersten Einzelteil und an dem mindestens einen zweiten Einzelteil die Halbbleche gegen das Werkzeugunterteil.

Damit kann der Gasstrom aus der mindestens einen ersten Öffnung zwischen dem Einzelteil und dem angrenzenden Halbblech entlang strömen und insbesondere die vorhandenen biegeschlaffen Bereiche der Halbbleche ohne Spalte gegeneinander andrücken.

Als Schweißverfahren kann insbesondere Laserschweißen gewählt werden. Je nach den Werkstoffen, aus welchen die Halbbleche gefertigt sind, kann auch ein anderes Schweißverfahren, beispielsweise Elektronenstrahlschweißen, in Betracht kommen.

Unabhängig von der Wahl der Werkstoffe sowie des Schweißverfahrens kann das Werkzeugunterteil entweder auf einer starren Unterkonstruktion oder auf einem Drehteller angeordnet sein. Im letztgenannten Fall sind die Einzelteile des jeweiligen mehrteiligen Werkzeugoberteils vergleichsweise wenig beweglich, so dass sie als nahezu statische Bauteile vorgesehen sind. Gerade diese quasi statische Anordnung der Einzelteile des mehrteiligen Werkzeugoberteils erleichtert die Zuführung von Druckluft bzw. Gas zu diesen Einzelteilen. Die ersten Öffnungen, durch welche Druckgas zuzuführen ist, können sich in beliebigen Bereichen der Bipolarplatte, beispielsweise im Aktivfeld und/oder in Portbereichen, befinden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verschweißen von Halbblechen zur Bildung einer Bipolarplatte ist zur Herstellung gasdichter Verbindungen zwischen dünnen Halbblechen geeignet. Ein solches Blech ist bevorzugt aus Stahl, bevorzugt Edelstahl, oder Titan gefertigt. Hierbei kann die Blechdicke, das heißt Dicke eines Halbblechs < 100 pm, beispielsweise 75 pm oder sogar weniger, betragen. Es handelt sich demnach bei einem solchen Halbblech mehr um eine Metallfolie. Eine optionale Beschichtung kann auf ein Halbblech grundsätzlich entweder vor dem Schweißen oder nach dem Schweißen aufgebracht werden.

In jedem Fall werden durch die Beaufschlagung eines der Halbbleche mit Druckluft o- der einem anderen unter Druck stehenden Gas, insbesondere Inertgas, geometrische Ungenauigkeiten ausgeglichen, so dass die miteinander zu verschweißenden Bereiche der dünnen Halbbleche beim Schweißvorgang praktisch spaltfrei aufeinander liegen. Gemäß einer möglichen Verfahrensvariante schließt sich an das Schweißen eine Dichtheitsprüfung an, wobei hierfür dieselbe Druckgasquelle genutzt werden kann, die zuvor bereits zum Aneinanderpressen der Halbbleche genutzt wurde.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Hierin zeigen, teilweise schematisiert:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Verschweißen von Halbblechen zu einer Bipolarplatte,

Fig. 2 in Draufsicht die Form von Schweißnähten einer mit der Vorrichtung nach den Fig.1 , 3 und 4 hergestellten Bipolarplatte, und

Fig. 3 und 4 jeweils ein mit einem Werkzeugunterteil der Vorrichtung nach Fig. 1 zu kombinierendes Einzelteil des mehrteiligen Werkzeugoberteils.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnete Fertigungsanlage umfasst eine Vorrichtung 5, die zum Verschweißen von Halbblechen 2, 3 einer Bipolarplatte 1 genutzt wird. Die Fertigungsanlage 12 umfasst die Vorrichtung 5 sowie eine zum Schweißen von Blechen geeignete Schweißvorrichtung 13, hier in Form eines Lasers prinzipiell bekannter Bauart.

Die Vorrichtung 5 umfasst ein Werkzeugunterteil 6a und ein mehrteiliges Werkzeugoberteil 6b, welches hier ein erstes Einzelteil 7 sowie ein zweites Einzelteil 8 umfasst. Das Werkzeugunterteil 6a befindet sich im Betrieb der Fertigungsanlage 12 auf einer Unterkonstruktion 14, bei welcher es sich im vorliegenden Fall um einen Drehteller handelt.

Bereits vor dem Einlegen der aus Stahlblech, insbesondere Edelstahl, gefertigten Halbbleche 2, 3 in das Werkzeug beziehungsweise die Vorrichtung 5 wurden in einem vorgelagerten Fertigungsschritt dreidimensionale Strukturierungen 4 in den Halbblechen 2, 3 erzeugt. Die Strukturierung 4, hier eine Prägung, der Halbbleche 2, 3 kann mittels beliebiger prinzipiell bekannter kontinuierlicher und/oder diskontinuierlicher Verfahren erfolgen. Alternativ ist es möglich, zumindest einen Teil der Formung der Halbbleche 2, 3 erst durch das Werkzeug beziehungsweise die Vorrichtung 5 durchzuführen.

Zwischen den Halbblechen 2, 3 ist mittels der Strukturierungen 4 ein durchströmbarer Hohlraum gebildet, durch welchen innerhalb des späteren Zellenstapels, welcher eine Vielzahl an Bipolarplatten 1 der skizzierten Art umfasst, ein Kühlmittel - allgemeiner: ein Wärmeträger - strömen kann. Je nach Betriebsphase eines elektrochemischen Zellenstapels und Umgebungsbedingungen ist auch eine Aufheizung des Zellenstapels durch den Wärmeträger möglich. Bei dem elektrochemischen Zellenstapel handelt es sich im vorliegenden Fall insbesondere um einen Brennstoffzellenstapel. Alternativ kann der elektrochemische Zellenstapel beispielsweise als Elektrolyseur zur Wasserstoffherstellung ausgebildet sein. An den äußeren Oberflächen der Bipolarplatte 1 , das heißt an den Außenseiten der Halbbleche 2, 3, strömen innerhalb des späteren Endprodukts Betriebsmedien der elektrochemischen Zellen.

Das Werkzeugunterteil 6a hat, wie aus Fig. 1 hervorgeht, eine simple Form, in welcher sich keine für die Zuführung von Druckgas oder für den Eintrag von Energie beim Schweißen vorgesehenen Durchbrüche befinden. Die Freiheit von Durchbrüchen gilt nicht für Bohrungen, welche beispielsweise für Positionierstifte oder Verschraubungen vorhanden sein können. Im Unterschied zum Werkzeugunterteil 6a existieren im Werkzeugoberteil 6b beziehungsweise in ersten Einzelteil 7 und zweiten Einzelteil 8 mehrere erste Öffnungen 9, die zur Einleitung von Druckgas nutzbar sind, und mehrere zweite Öffnungen 10, 10' (vergleiche auch die Figuren 3 und 4) verschiedener Form, die zum Schweißen nutzbar sind.

An verschiedenen Stellen der Einzelteile 7, 8 befinden sich in diesem erste Öffnungen 9, das heißt Bohrungen, die für die Zufuhr von Druckgas vorgesehen sind. Im mittleren Bereich des Einzelteils 7, 8 und damit auch der Halbbleche 2, 3 angeordnete Bohrungen ermöglichen die Einleitung eines Druckgases, wie Druckluft zur Ausbildung eines Luftstroms LS, in den Bereich des späteren Aktivfelds der Bipolarplatte 1. Weiter außen am Einzelteil 7, 8 liegende Bohrungen (vergleiche Figuren 3 und 4) dienen dagegen der Zuführung von Druckgas zu Portbereichen der Bipolarplatte 1 .

Insgesamt wird das oben liegende Halbblech 2 durch das Druckgas, welches durch die ersten Öffnungen 9 in das Volumen zwischen dem jeweiligen Einzelteil 7, 8 und das Halbblech 2 geleitet wird, gegen das unten liegende Halbblech 3 gepresst, so dass eventuelle Spalte zwischen den Halbblechen 2, 3 in Bereichen, in welchen die Halbbleche 2, 3 miteinander zu verschweißen sind, vollständig oder nahezu vollständig verschwinden. Der Druck, unter welchem der Luftstrom LS steht, ist hierbei derart zu bemessen, dass es nicht zu ungewünschten plastischen Verformungen der Halbbleche 2, 3 kommt.

Räumlich getrennt von den beschriebenen ersten Öffnungen 9, die der Gaszufuhr dienen, weist jedes der Einzelteile 7, 8 des mehrteiligen Werkzeugoberteils 6b zweite Öffnungen 10, 10' auf, die das Verschweißen der Halbbleche 2, 3 ermöglichen. In Fig. 1 ist der zum Schweißen genutzte Laser 13 auf eine der zweiten Öffnungen 10 des ersten Einzelteils 7 gerichtet, um eine Schweißnaht 11 zu erzeugen. Wie weiter aus Fig. 1 hervorgeht, weisen die das Schweißen ermöglichenden zweiten Öffnungen 10 eine sich nach oben, das heißt in Richtung zum Laser 13, aufweitende, V-förmige Querschnittsform auf. Die V-Form ist darauf abgestimmt, dass der Laserstrahl schräg auf das Werkstück, das heißt die Bipolarplatte 1 , auftreffen kann und in fokussierter Weise konisch auf einen definierten Punkt zuläuft.

Sämtliche zweite Öffnungen 10, 10' haben im skizzierten, vereinfacht dargestellten Beispiel in der Draufsicht (vergleiche Figuren 3 und 4) eine gerade Schlitzform, was mit einer geraden Form der späteren Schweißnähte 11 einhergeht. Tatsächlich existieren komplexere Formen der Schweißnähte 11 . So können Abschnitte der Schweißnähte 11 insbesondere gekrümmt oder gegenüber den Außenkonturen der Halbbleche 2, 3 schräggestellt sein.

Aus Fig. 2 geht die Gesamtform der Schweißnähte 11 , welche die Halbbleche 2, 3 miteinander verbinden, hervor. Ein Teil dieser Gesamtform ist durch die Form der schlitzartigen zweiten Öffnungen 10 im ersten, in Fig. 3 skizzierten Einzelteil 7 vorgegeben. Nachdem unter Verwendung des ersten Einzelteils 7 ein Teil des Schweißnähte 11 erzeugt wurde, wird dieses gegen das zweite Einzelteil 8 vertauscht. Dies erfolgt durch ein Verdrehen des Drehtellers mit dem Werkzeugunterteil 6a und den bereits teilweise verschweißten Halbblechen 2, 3 unter das zweite Einzelteil 8.

Wie ein Vergleich der Figuren 3 und 4 zeigt, ist die Form der Öffnungen 10' im zweiten Einzelteil 8 größtenteils komplementär zu den Öffnungen 10 im ersten Einzelteil 7. Teilweise liegt ein Überlapp der Öffnungen 10, 10' vor. Insgesamt ergibt sich aus der aufeinander folgenden Anwendung der beiden Einzelteile 7, 8 die in Fig. 2 erkennbare Gesamtform der Schweißnähte 11 . Optional existieren nicht dargestellte Fixierungsmittel, um jegliche Positionsänderung der in der Fertigung befindlichen Halbbleche 2, 3 beziehungsweise teilfertigen Bipolarplatte 1 beim Wechsel der Einzelteile 7, 8 zu vermeiden.

Ebenso sind Verfahrensvananten mit der Vorrichtung 5 realisierbar, in welchen eine Vielzahl an Halbblechen 2, 3 einheitlicher Gestaltung zunächst unter Verwendung eines ersten Einzelteils 6b teilweise geschweißt werden. Nach der Abarbeitung eines solchen Batches an Halbplatten 2, 3 wird das erste Einzelteil 7 gegen ein zweites, dazu unterschiedliches Einzelteil 8 getauscht und die Schweißbearbeitung abgeschlossen. In diesem Fall sind am Werkzeugunterteil 6a sowie an mindestens einem der Halbbleche 2, 3 Positionierungskonturen vorzusehen, die dafür sorgen, dass die Halbbleche 2, 3 bei jedem Schweißvorgang in genau definierter Position positioniert sind.

Ebenso sind Verfahrensvananten realisierbar, in welchen eine Vielzahl an Halbblechen 2, 3 einheitlicher Gestaltung zunächst unter Verwendung einees ersten mehrteiligen Werkzeugoberteils 6b teilweise geschweißt werden. Nach der Abarbeitung eines solchen Batches wird das erste mehrteilige Werkzeugoberteil 6b gegen ein zweites, dazu unterschiedliches mehrteiliges Werkzeugoberteil 6b getauscht und eine Vielzahl an Halbblechen 2, 3 einheitlicher anderer Gestaltung unter Verwendung des zweiten mehrteiligen Werkzeugoberteils 6b geschweißt. In diesem Fall sind ebenfalls am Werkzeugunterteil 6a sowie an mindestens einem der Halbbleche 2, 3 Positionierungskonturen vorzusehen, die dafür sorgen, dass die Halbbleche 2, 3 zur Ausbildung unterschiedlicher Bipolarplatten 1 bei jedem Schweißvorgang in genau definierter Position positioniert sind.

Bezuqszeichenliste

Bipolarplatte

Halbblech

Strukturierung

Vorrichtung

Werkzeugunterteil mehrteiliges Werkzeugoberteil

Einzelteil des mehrteiligen Werkzeugoberteils

Öffnung für Luftzufuhr

Öffnung zum Schweißen

Schweißnaht

Fertigungsanlage

Schweißvorrichtung, Laser

Unterkonstruktion

Flanke

Andruckstempel

Gasstrom

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (5) zum Verschweißen von Halbblechen (2, 3) zu einer Bipolarplatte (1 ), umfassend mindestens drei Werkzeugteile (6, 7, 8), nämlich ein Werkzeugunterteil (6a) und ein mehrteiliges Werkzeugoberteil (6b), wobei zwischen das Werkzeugunterteil (6a) und das mehrteilige Werkzeugoberteil (6b) die miteinander zu verschweißenden Halbbleche (2, 3) einlegbar sind, wobei das mehrteilige Werkzeugoberteil (6b) mehrere Einzelteile (7, 8) umfasst, die nacheinander und lediglich alternativ oberhalb des Werkzeugunterteils (6a) anordenbar sind, wobei in jedem der Einzelteile (7, 8) des mehrteiligen Werkzeugoberteils (6a) sowohl mindestens eine erste Öffnung (9) zur Einleitung von Druckgas, durch welche die Halbbleche (2, 3) gegeneinander pressbar sind, als auch mindestens eine zweite Öffnung (10, 10') zum Einbringen von Fügeenergie bei einem Schweißvorgang zum Verschweißen der Halbbleche (2, 3) ausgebildet ist, wobei eine Form der zweiten Öffnungen (10, 10') in den Einzelteilen (7, 8) des mehrteiligen Werkzeugoberteils (6a) senkrecht zur Ebene der Halbbleche (2, 3) gesehen größtenteils komplementär zueinander und lediglich bereichsweise überlappend ausgebildet ist, derart dass unter Einsatz eines Einzelteils (7, 8) des mehrteiligen Werkzeugoberteils (6a) nur jeweils ein Teil einer insgesamt zu bildenden Verschweißung erzeugbar ist.

2. Vorrichtung (5) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Öffnungen (10, 10') eine sich in Richtung von dem Werkzeugunterteil (6a) weg aufweitende, V-förmige Querschnittsform aufweisen. .

3. Vorrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Werkzeugunterteil (6a) mehrere, gegeneinander austauschbare mehrteilige Werkzeugoberteile (6b) kombinierbar sind.

4. Vorrichtung (5) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit der zweiten Öffnungen (10, 10') in den Einzelteilen (7, 8) des mehrteiligen Werkzeugoberteils (6b) die Lage sämtlicher Schweißnähte (11 ) zur Verbindung dre Halbbleche (2, 3) vorgeben.

5. Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Einzelteil (7) und mindestens ein zweites Einzelteil (8) zusammen das mehrteilige Werkzeugoberteil (6a) ausbilden.

6. Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelteile (7, 8) des mehrteiligen Werkzeugoberteils (6b) auf ihrer dem Werkzeugunterteil (6a) zugewandten Seite mehrere erhabene Andruckstempel (16) aufweisen, die an die zweiten Öffnungen (10, 10') angrenzen.

7. Verfahren zum Verschweißen von Halbblechen (2, 3) zu einer Bipolarplatte (1 ) mittels einer Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Anordnung aus aufeinander liegenden Halbblechen (2, 3) miteinander verschweißt wird, indem die Halbbleche (2, 3) zwischen das Werkzeugunterteil (6a) und ein erstes Einzelteil (7) des mehrteiligen Werkzeugoberteils (6b) eingelegt werden, und durch die mindestens eine erste Öffnung (9) in dem ersten Einzelteil (7) Druckgas geleitet wird, mit welchem die Halbbleche (2, 3) gegeneinander gepresst werden, wobei zugleich durch mindestens eine, in dem ersten Einzelteil (7) befindliche zweite Öffnung (10) Fügeenergie zum Verschweißen der Halbbleche (2, 3) eingebracht und ein erster Teil an Schweißnähten (11 ) gebildet wird, wobei anschließend das erste Einzelteil (7) gegen mindestens ein zweites Einzelteil (8) des mehrteiligen Werkzeugoberteils (6b) getauscht wird, dass durch die mindestens eine erste Öffnung (9') in einem mindestens einen zweiten Einzelteil (8) Druckgas geleitet wird, mit welchem die Halbbleche (2, 3) gegeneinander gepresst werden, wobei zugleich durch mindestens eine, in dem zweiten Einzelteil (8) befindliche zweite Öffnung (10') Fügeenergie zum Verschweißen der Halbbleche (2, 3) eingebracht und ein weiterer Teil an Schweißnähten (11 ) gebildet wird .

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckstempel (16) am ersten Einzelteil (7) und an dem mindestens einen zweiten Einzelteil (8) die Halbbleche (2, 3) gegen das Werkzeugunterteil (6a) pressen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißen durch Laserschweißen erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißen durch Elektronenstrahlschweißen erfolgt.