WO2023104239A1 - Bipolarplatte und verfahren zum prägen einer kanalstruktur - Google Patents

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WO2023104239A1
WO2023104239A1 PCT/DE2022/100876 DE2022100876W WO2023104239A1 WO 2023104239 A1 WO2023104239 A1 WO 2023104239A1 DE 2022100876 W DE2022100876 W DE 2022100876W WO 2023104239 A1 WO2023104239 A1 WO 2023104239A1
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WO
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flanks
wall thickness
forming
metal sheet
embossing
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PCT/DE2022/100876
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Sebastian Zwahr
Richard Baier
Andreas Popp
Torsten Keller
Harry Schmeiko
Doris SCHMIDGALL
Jan Kraemer
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D13/00—Corrugating sheet metal, rods or profiles; Bending sheet metal, rods or profiles into wave form
    • B21D13/02—Corrugating sheet metal, rods or profiles; Bending sheet metal, rods or profiles into wave form by pressing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
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    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys

Definitions

  • the invention relates to a method for embossing a duct structure comprising a plurality of duct sections running parallel in a flat metal sheet, forming a half metal sheet or metal sheet. Furthermore, the invention relates to a bipolar plate of an electrochemical cell, in particular a fuel cell, produced by means of such a method.
  • a method for forming a plate-shaped blank is known, for example, from DE 197 55 964 B4.
  • a product that can be produced by the known forming process has a wall part with a reduced thickness.
  • the blank from which the product is made is provided with weld lines extending in the direction of the blank in areas where the blank material flows during the forming process, which forming process results in a reduced wall thickness compared to the wall thickness of the blank extend material flow occurring during the forming process.
  • a forming method disclosed in DE 10 2008 031 421 A1 is designed for producing a pot-shaped metallic component from a flat material. This forming process combines deep drawing and spinning and is said to be particularly suitable for the production of very complex shaped components with eccentric sections and areas of low material thickness. In particular, it should be possible with the help of the forming process according to DE 10 2008 031 421 A1 to save on a weld seam.
  • DE 10 2019 103 606 A1 describes a forming process for producing a predetermined overpressure breaking point in a battery cover.
  • the material of the battery cover should flow into a forming depression, in which a stamping part of a forming tool zeugs the forming depression is approached in such a way that the remaining distance corresponds to a minimum wall thickness at the overpressure predetermined breaking point.
  • An upsetting tool is known from DE 10 2013 103 612 A1, which is provided for the production of highly dimensionally stable half-shells.
  • the side walls of a tool are shifted perpendicularly to the direction of movement of a punch.
  • a number of tool components perform adjustment movements in mutually orthogonal directions.
  • EP 2 292 343 A1 and DE 10 2007 013 017 B4 disclose various devices for electrohydraulic or electromagnetic sheet metal forming.
  • US 2016/158 821 A1 describes a press forming method with which a flat metal sheet is formed by press forming. A shear deformation step is performed in which material flows towards a curved section.
  • DE 10 2010 044 788 A1 discloses a forming tool and a method for producing a deep-drawn sheet metal component. In addition to the deep-drawing, a second production step is carried out, in particular in the form of extrusion.
  • DE 10 2017 124 724 A1 describes a method for the continuous production of a vehicle component from sheet metal.
  • the sheet metal is heated before the sheet metal is separated and/or formed.
  • the invention is based on the object of specifying sheet metal forming options that are more advanced than the prior art mentioned and allow wall thickness variations within the end product, with particular suitability for the production of channel structures of bipolar plates of electrochemical cells, in particular fuel cells.
  • the embossing method according to claim 1 is particularly suitable for producing at least one metal sheet or half-metal sheet for a bipolar plate according to claim 7.
  • the configurations and advantages of the invention explained below in connection with the device, i.e. the bipolar plate or a bipolar plate component, in particular in the form of a half sheet which is part of a bipolar plate, also apply mutatis mutandis to the embossing process, i.e. forming process, and vice versa.
  • the method for embossing a channel structure comprising a plurality of parallel channel sections in a flat metal sheet to form a half-metal sheet or metal sheet, in particular for a bipolar plate, comprises the following steps:
  • each channel section being formed with two mutually non-parallel flanks in such a way that material from embossed sections of the metal sheet located outside the flanks and remaining in the base plane and/or a plane parallel thereto during the entire forming process is shifted into the flanks becomes, each flank extending from the base plane to an adjacent parallel plane.
  • the invention is based on the idea that when sheet metal is deep-drawn, the two-dimensional structure of the starting product, i.e. initially flat sheet metal, is fundamentally retained, with the wall thickness of the sheet metal either remaining unchanged in various sheet metal sections or being reduced by the forming.
  • a reduction in wall thickness occurs during deep drawing, particularly in areas in which material is displaced from a base plane in which the sheet metal used as the starting product originally lies, in order to produce wall sections that are inclined relative to the base plane, in extreme cases wall sections that run perpendicular to the base plane .
  • sections of the starting product that are outside of the inclined sections remain in the same position during the entire forming process, only the material that was originally in a surface section is available for forming the inclined sections. which corresponds to the perpendicular projection of the inclined section onto the base plane.
  • the embossing process according to the application efficiently counteracts this conflict of objectives between forming and fluidic aspects in that material flows to a significant extent in the plane in which the metal sheet lies, between areas of different inclination, in each case based on the base plane as the reference plane.
  • the embossing process is enriched with the features of impact extrusion.
  • the sections from which material flows into the flanks that is to say the embossing sections, remain in their original position overall during the embossing. A redrawing of whole sections in the flanks during the forming does not take place.
  • an embossing section can be located in the base plane.
  • embossed sections each of which represents a bottom of a channel section.
  • Material from at least one embossing section which is outside of the channel sections and lies in the base plane is preferably forced into at least one of the flanks adjacent thereto.
  • material from at least one embossing section in a plane parallel to the base plane which represents the bottom of a channel section located between two flanks and parallel to the base plane, is preferably relocated to one of the flanks adjacent thereto.
  • the channel section whose flanks are reinforced with material from the base plane and/or a plane parallel thereto, can in particular have a cross section with a trapezoidal basic shape.
  • flanks of the channel section are inclined relative to the base plane, for example by an angle of at least 45° and a maximum of 78°, with the same angle of inclination not necessarily being given for both flanks.
  • Embodiments with an overall or partially arcuate shape, for example an arcuate or elliptical shape, of the flanks can also be implemented.
  • a completely flat shape of the channel base formed between the flanks is not required. It is also possible to omit an extended channel base, in which case the channel can in particular describe a U-shape or a V-shape.
  • embossing of flat areas which is practiced to accumulate material in flank areas, results in a wall thickness in the embossed areas which is, for example, between 50% and 95%, in particular between 60% and 90%, of the original wall thickness of the sheet metal.
  • Embossing also has the advantage that even when using sheets with significant wall thickness fluctuations caused by quality fluctuations within one and the same sheet, an end product can be produced with comparatively narrow tolerances as far as wall thicknesses in different surface sections are concerned.
  • the embossing depth of the channel structure produced by sheet metal forming is, for example, twice and up to ten times the original wall thickness of the sheet metal. If all flat areas of the sheet metal are processed in the same way as embossing sections, a uniform wall thickness of the end product can theoretically be achieved. If, on the other hand, the forming process results in a wall thickness that varies from surface section to surface section, in which case the sections mentioned can have a linear shape in a plan view of the structured plate, i.e. the formed sheet metal, the minimum wall thickness of the Half sheet, for example, not less than 2/3 of the maximum wall thickness of the half sheet of the end product.
  • the minimum wall thickness of the sheet metal half can be given in particular in flat areas outside the flanks of the channel structure, namely in embossed areas.
  • the maximum wall thickness can also be in a flat area of the structured half-sheet, but alternatively also—as already explained—in the flank area of the half-sheet.
  • the forming process can be carried out on sheet metal that has already been coated or on uncoated sheet metal.
  • the sheet metal is in particular sheet steel.
  • the formed metal sheet provided with the channel structure can be used in particular for a bipolar plate in a fuel cell system or in an electrolysis system for producing hydrogen.
  • the bipolar plate can comprise at least one sheet metal stamped according to the invention.
  • the bipolar plate comprises two sheets stamped according to the invention, one for an anode side and one for a cathode side of the bipolar plate.
  • the two embossed half sheets are usually connected to one another by welding to form a bipolar plate.
  • Fig. 2 features of a tool for embossing the sheet or half-sheet
  • FIG. 4 shows a fuel cell system comprising a plurality of fuel cells.
  • FIG. 1 shows a half-sheet 2 identified by the reference number 2.
  • Two such half-sheets 2, 2' can be connected to one another, for example by welding, in order to form a bipolar plate 1 (cf. FIG. 3).
  • a bipolar plate 1 separates a half-cell of a first fuel cell from a half-cell of a further fuel cell.
  • the sheet metal half 2 has an embossed structure 3, which in the present case is a channel structure comprising a plurality of channel sections 5 running parallel, which lies in an active field of the subsequent fuel cell system 100.
  • Channels for fluids flowing through the fuel cell system 100 can be formed here between two half-sheets 2, 2' lying on top of one another and on the outer surfaces of the bipolar plate 1.
  • the fluids are coolants and operating materials of the fuel cell system 100.
  • a channel section 5, which is formed by the embossed structure 3, has a wall designated 4 overall.
  • the wall 4 consists of two flanks 7, 8 and a bottom 9 together.
  • Outside of the channel section 5 there is the flat main area of the half-plate 2, which is denoted by 6 and lies in a base plane BE.
  • the wall thickness of the planar main area 6 is denoted by d1, unless it is intentionally reduced, which will be discussed in more detail below.
  • the channel section 5 has a trapezoidal cross-sectional configuration, the angle of inclination of the flanks 7, 8 relative to the main region 6 and thus also relative to the base plane BE being indicated as a. Deviating from the exemplary embodiment outlined, the various flanks 7, 8 could also be inclined to different extents relative to the base plane BE.
  • the base 9 is here in an embossing plane PE parallel to the base plane BE.
  • the distance between the base plane BE and the embossing plane PE represents the embossing depth, denoted by PT, of the embossing structure 3.
  • a lower tool part of the forming tool 12 is denoted by 13 and an upper tool part by 14 .
  • the lower tool part 13 provides a tool plane WE on which the base plane BE of the sheet metal half 2 to be formed from the sheet metal 11 comes to rest.
  • the basic shape of the embossed structure 3 of the sheet metal half 2 is predetermined by the cross-sectional design of the tool parts 13, 14, which have tool contours 16, 17 for this purpose.
  • an embossing contour 15 of the tool upper part 14 can be seen, which is located directly next to the section in which the channel structure 3 is to be produced.
  • the embossed contour 15 ensures that a reduced wall thickness d2 is produced in the corresponding area of the sheet metal half 2, referred to as the embossed section 10, and material is thus displaced.
  • the reduced wall thickness d2 is the minimum wall thickness produced by forming.
  • the displacement of the material means that material flows in the transverse direction of the sheet metal half 2 and thus in particular into the flanks 7 , 8 .
  • a wall thickness d3 is achieved in the area of the flanks 7, 8, which is greater than an imaginary wall thickness produced without the embossing process.
  • PW designates the projected wall thickness of the flanks 7, 8, which relates to a projection onto the base plane BE.
  • an embossing also takes place in the area of the base 9, which means that material from the base 9, which here represents an embossed section, flows into the flanks 7, 8.
  • the wall thickness of the floor 9 is given as d4.
  • the material flow that takes place during forming, both from the main area 6 and from the base 9 into the flanks 7, 8, ensures that the cavity formed between the tool contours 16, 17 within the closed forming tool 12 is completely filled. Material flows not only in curved areas that connect to the flat areas, but also in the entire length of the flanks 7, 8 formed.
  • the initial wall thickness, denoted by d5, of the undeformed metal sheet 11 is in the range of 50 ⁇ m to 100 ⁇ m in the exemplary embodiment.
  • FIG. 3 shows a bipolar plate 1 comprising two half-sheets 2, 2′ made of stainless steel, which are formed by the method according to the invention and connected to one another by welding.
  • the bipolar plate 1 has an inflow area 30a for fluids with openings 40 and an outflow area 30b for the fluids with openings 40'.
  • a gas distributor structure 50 with channel structures 3 is arranged, which includes channel sections 5 (see FIG. 1).
  • FIG. 4 shows a fuel cell system 100 comprising a plurality of fuel cells 20 as an example of an electrochemical cell.
  • a fuel cell 20 comprises two bipolar plates 1, 1' with a polymer electrolyte membrane 70 or membrane-electrode unit (MEA) arranged between them, which is usually covered on both sides with a gas diffusion layer.
  • MEA membrane-electrode unit

Abstract

Das Prägen einer Kanalstruktur (3) umfassend eine Mehrzahl an parallel verlaufenden Kanalabschnitten (5) in einem ebenen Blech (11) unter Ausbildung eines Halbbleches (2, 2'), insbesondere für eine Bipolarplatte (1) einer elektrochemischen Zelle, geschieht in folgenden Schritten: - Bereitstellung des ebenen Bleches (11 ) mit einheitlicher Ausgangswandstärke (d5), - Einlegen des Bleches (11 ) in ein Umformwerkzeug (12), wobei eine durch das unverformte ebene Blech (11) gegebene Basisebene (BE) des Blechs (11) zur Auflage auf eine durch ein Werkzeugteil (13) des Umformwerkzeugs (12) gegebene Werkzeugebene (WE) vorgesehen ist, - Formung der Mehrzahl an Kanalabschnitten (5), wobei jeder Kanalabschnitt (5) mit zwei zueinander nicht parallelen Flanken (7, 8) gebildet wird derart, dass Material von außerhalb der Flanken (7, 8) befindlichen, während des gesamten Umform prozesses in der Basisebene (BE) und/oder einer hierzu parallelen Ebene verbleibenden Abprägeabschnitten (9, 10) des Bleches (11) in die Flanken (7, 8) verlagert wird, wobei eine jede Flanke (7, 8) sich von der Basisebene (BE) bis zu einer benachbarten parallelen Ebene erstreckt.

Description

Bipolarplatte und Verfahren zum Prägen einer Kanalstruktur
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prägen einer Kanalstruktur umfassend eine Mehrzahl an parallel verlaufenden Kanalabschnitten in einem ebenen Blech unter Ausbildung eines Halbbleches oder Bleches. Ferner betrifft die Erfindung eine mittels eines solchen Verfahrens hergestellte Bipolarplatte einer elektrochemischen Zelle, insbesondere Brennstoffzelle.
Ein Verfahren zum Umformen eines plattenförmigen Rohteils ist zum Beispiel aus der DE 197 55 964 B4 bekannt. Ein durch das bekannte Umformverfahren herstellbares Erzeugnis weist ein Wandteil mit reduzierter Dicke auf. Vor dem Umformen wird das Rohteil, aus welchem das Erzeugnis hergestellt wird, in Bereichen, in denen das Rohteilmaterial während des Umformvorgangs fließt, wobei der Umformvorgang zu einer reduzierten Wandstärke im Vergleich zur Wandstärke des Rohteils führt, mit Schweißbahnen versehen, die sich in Richtung des während des Umformvorgangs auftretenden Materialfließens erstrecken.
Ein in der DE 10 2008 031 421 A1 offenbartes Umformverfahren ist zur Herstellung eines topfförmigen metallischen Bauteils aus einem Flachmaterial konzipiert. Dieses Umformverfahren kombiniert Tiefziehen und Drücken und soll insbesondere zur Herstellung sehr komplex geformter Bauteile mit exzentrischen Abschnitten und Bereichen geringer Materialstärke geeignet sein. Insbesondere soll es mit Hilfe des Um- formverfahrens nach der DE 10 2008 031 421 A1 möglich sein, eine Schweißnaht einzusparen.
Die DE 10 2019 103 606 A1 beschreibt ein Umformverfahren zur Herstellung einer Überdrucksollbruchstelle in einem Batteriedeckel. Hierbei soll Material des Batteriedeckels in eine Umformvertiefung fließen, indem ein Stempelteil eines Umformwerk- zeugs der Umformvertiefung derart angenähert wird, dass die verbleibende Distanz einer minimalen Wandstärke an der Überdrucksollbruchstelle entspricht.
Aus der DE 10 2013 103 612 A1 ist ein Stauchwerkzeug bekannt, welches zur Herstellung von hochmaßhaltigen Halbschalen vorgesehen ist. Bei der Formung der Halbschalen werden Seitenwände eines Werkzeugs senkrecht zur Bewegungsrichtung eines Stempels verschoben. Somit vollziehen bei der Umformung mehrere Werkzeugkomponenten Stellbewegungen in zueinander orthogonalen Richtungen.
Verschiedene Umformverfahren, bei denen Blech unter Temperatureinwirkung umgeformt wird, sind zum Beispiel in den Dokumenten EP 3 485 992 B1 , EP 0 946 311 B1 und DE 195 29 429 C2 beschrieben.
Die Dokumente EP 2 292 343 A1 und DE 10 2007 013 017 B4 offenbaren verschiedene Vorrichtungen zur elektrohydraulischen beziehungsweise elektromagnetischen Blechumformung.
Die US 2016 / 158 821 A1 beschreibt ein Pressformverfahren, mit dem ein flaches Blech durch Pressformen umgeformt wird. Dabei wird ein Scherverformungsschritt durchgeführt, bei dem Material auf einen gekrümmten Abschnitt zu fließt.
Die DE 10 2010 044 788 A1 offenbart ein Umformwerkzeug und ein Verfahren zur Herstellung eines Tiefzieh-Blechbauteils. Es wird dabei zusätzlich zum Tiefziehen ein zweiter Fertigungsschritt, insbesondere in Form von Fließpressen, durchgeführt.
Die DE 10 2017 124 724 A1 beschreibt ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Fahrzeugbauteils aus einem Blech. Dazu wird das Blech erwärmt, bevor ein Trennen und/oder Umformen des Bleches erfolgt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte Möglichkeiten der Blechumformung, welche Wandstärkenvariationen innerhalb des Endproduktes zulassen, anzugeben, wobei eine besondere Eignung für die Herstellung von Kanalstrukturen von Bipolarplatten elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, gegeben sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein die Schritte nach Anspruch 1 umfassendes Verfahren zum Prägen einer Kanalstruktur. Das Prägeverfahren nach Anspruch 1 ist insbesondere zur Herstellung mindestens eines Bleches oder Halbbleches für eine Bipolarplatte nach Anspruch 7 geeignet. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Vorrichtung, das heißt der Bipolarplatte oder einer Bipolarplattenkomponente, insbesondere in Form eines Halbblechs, welches Teil einer Bipolarplatte ist, erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Prägeverfahren, das heißt Umformverfahren, und umgekehrt.
Das Verfahren zum Prägen einer Kanalstruktur umfassend eine Mehrzahl an parallel verlaufenden Kanalabschnitten in einem ebenen Blech unter Ausbildung eines Halbbleches oder Bleches, insbesondere für eine Bipolarplatte, umfasst folgende Schritte:
- Bereitstellung des ebenen Bleches mit einheitlicher Ausgangswandstärke,
- Einlegen des Bleches in ein Umformwerkzeug, wobei eine durch das unverformte ebene Blech gegebene Basisebene des Blechs zur Auflage auf eine durch ein Werkzeugteil des Umformwerkzeugs gegebene Werkzeugebene vorgesehen ist,
- Formung der Mehrzahl an Kanalabschnitten, wobei jeder Kanalabschnitt mit zwei zueinander nicht parallelen Flanken gebildet wird derart, dass Material von außerhalb der Flanken befindlichen, während des gesamten Umformprozesses in der Basisebene und/oder einer hierzu parallelen Ebene verbleibenden Abprägeabschnitten des Bleches in die Flanken verlagert wird, wobei eine jede Flanke sich von der Basisebene bis zu einer benachbarten parallelen Ebene erstreckt..
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass beim Tiefziehen von Blech die flächige Struktur des Ausgangsproduktes, das heißt zunächst ebenen Bleches, grundsätzlich erhalten bleibt, wobei die Wandstärke des Bleches in verschiedenen Blechabschnitten entweder unverändert bleibt oder durch die Umformung verringert wird.
Eine Verringerung der Wandstärke tritt beim Tiefziehen insbesondere in Bereichen auf, in welchen Material aus einer Basisebene, in welcher das als Ausgangsprodukt verwendete Blech ursprünglich liegt, herausverdrängt wird, um gegenüber der Basisebene schräg gestellte Wandungsabschnitte, im Extremfall senkrecht zur Basisebene verlaufende Wandungsabschnitte, zu erzeugen. Unter der Voraussetzung, dass Abschnitte des Ausgangsproduktes, welche sich außerhalb der schräg gestellten Abschnitte befinden, während des gesamten Umform prozesses in unveränderter Position verbleiben, steht für die Formung der schräg gestellten Abschnitte ausschließlich dasjenige Material zur Verfügung, welches sich ursprünglich in einem Flächenabschnitt befand, der der senkrechten Projektion des schräg gestellten Abschnitts auf die Basisebene entspricht.
Dies bedeutet, dass für die Umformung von beliebigen Werkstoffen mittels Tiefziehen umso weniger Material zur Verfügung stellt, je ausgeprägter die Schrägstellung der entsprechenden, aus der Basisebene herausragenden Abschnitte des Endproduktes ist. Zu bedenken ist hierbei auch, dass hohe Umformgrade, abhängig vom verwendeten Werkstoff, zu einer Kaltverfestigung führen können und die Neigung zum Reißen des Produktes erhöhen. Diesen Risiken kann in herkömmlichen Verfahren begegnet werden, indem steile Flanken von Prägestrukturen vermieden werden, wobei dies in Fällen, in denen die Prägestrukturen Kanäle für flüssige und/oder gasförmige Fluide begrenzen, Abstriche vom strömungstechnischen Optimum bedeuten kann. Diesem Zielkonflikt zwischen umformtechnischen und strömungstechnischen Aspekten begegnet das anmeldungsgemäße Prägeverfahren effizient dadurch, dass Material in nennenswertem Umfang in der Ebene, in der das Blech liegt, zwischen Bereichen unterschiedlicher Schrägstellung, jeweils bezogen auf die Basisebene als Referenzebene, fließt. Das Prägeverfahren ist damit gegenüber herkömmlichen Tiefziehverfahren um Merkmale des Fließpressens angereichert. Hierbei bleiben die Abschnitte, aus welchen Material in die Flanken fließt, das heißt die Abprägeabschnitte, während des Abprägens insgesamt in ihrer ursprünglichen Position. Ein Nachziehen ganzer Abschnitte in die Flanken während des Umformens findet somit nicht statt.
Insbesondere kann sich ein Abprägeabschnitt in der Basisebene befinden. Ebenso können Abprägeabschnitte existieren, welche jeweils einen Boden eines Kanalabschnitts darstellen. Material von mindestens einem Abprägeabschnitt, welcher sich außerhalb der Kanalabschnitte befindet und in der Basisebene liegt, wird bevorzugt in mindestens eine der dazu benachbarten Flanken gezwungen. Weiterhin wird Material von mindestens einem Abprägeabschnitt in einer zur Basisebene parallelen Ebene, welcher den zwischen zwei Flanken befindlichen, zur Basisebene parallelen Boden eines Kanalabschnitts darstellt, bevorzugt in eine der dazu benachbarten Flanken verlagert wird. Der Kanalabschnitt, dessen Flanken mit Material aus der Basisebene und/oder einer hierzu parallelen Ebene verstärkt wird, kann insbesondere einen Querschnitt mit einer trapezartigen Grundform aufweisen. Die Flanken des Kanalabschnitts sind gegenüber der Basisebene beispielsweise jeweils um einen Winkel von mindestens 45° und maximal 78° schräg gestellt, wobei nicht zwangsläufig bei beiden Flanken derselbe Schrägstellungswinkel gegeben ist. Auch Ausführungsformen mit insgesamt oder partiell bogenförmiger Gestalt, beispielsweise kreisbogenförmiger oder elliptischer Gestalt, der Flanken sind realisierbar. Ebenso ist keine komplett ebene Form des zwischen den Flanken gebildeten Kanalbodens erforderlich. Auch ein Entfall eines ausgedehnten Kanalbodens ist möglich, wobei der Kanal in diesem Fall insbesondere eine U-Form oder eine V-Form beschreiben kann. Durch die Umformung des ursprünglich ebenen Bleches kann sich dessen Wandstärke gemäß verschiedener möglicher Verfahrensvananten beispielsweise auf minimal 70% der Ausgangswandstärke reduzieren. Andere Werte, welche die Materialverteilung betreffen, ergeben sich, wenn stets die Projektion auf die Basisebene betrachtet wird. Unter dieser Betrachtung kann im Bereich der Flanken eine Materialanhäufung gegeben sein, welche als projizierte Wandstärke in Höhe von 105% bis 150% der Ausgangswandstärke ausdrückbar ist.
In Fällen, in denen durch das Abprägen ebener Bereiche besonders viel Material verlagert wird, kann das Nachfließen von Material des ebenen, als Ausgangsprodukt verwendeten Bleches in die Flanken der Kanalstruktur sogar derart stark ausgeprägt sein, dass die maximale Wandstärke des Endproduktes nicht in einem ebenen Bereich, sondern im Bereich der Flanken zu finden ist.
Durch das Abprägen ebener Bereiche, welches zur Materialanhäufung in Flankenbereichen praktiziert wird, ergibt sich in den abgeprägten Bereichen eine Wandstärke, welche beispielsweise zwischen 50% und 95%, insbesondere zwischen 60% und 90%, der Ausgangswandstärke des Bleches liegt. Das Abprägen hat darüber hinaus den Vorteil, dass auch bei Verwendung von Blechen mit signifikanten, durch Qualitätsschwankungen bedingten Wandstärkeschwankungen innerhalb ein und desselben Bleches ein Endprodukt mit vergleichsweise engen Toleranzen, was Wandstärken in verschiedenen Flächenabschnitten betrifft, herstellbar ist.
Die Prägetiefe der durch Blechumformung hergestellten Kanalstruktur beträgt beispielsweise das Doppelte und bis Zehnfache der Ausgangswandstärke des Bleches. Werden sämtliche ebenen Bereiche des Bleches in gleicher Weise als Abprägeabschnitte bearbeitet, so ist theoretisch eine einheitliche Wandstärke des Endproduktes erzielbar. Ergibt sich dagegen durch den Umformvorgang eine von Flächenabschnitt zu Flächenabschnitt variierende Wandstärke, wobei die genannten Abschnitte in Draufsicht auf die strukturierte Platte, das heißt das umgeformte Blech, insbesondere eine linienförmige Gestalt haben können, so beträgt die minimale Wandstärke des Halbblechs beispielsweise nicht weniger als 2/3 der Maximalwandstärke des Halbblechs des Endproduktes. Hierbei kann die Minimalwandstärke des Halbblechs insbesondere in ebenen Bereichen außerhalb der Flanken der Kanalstruktur, nämlich in abgeprägten Bereichen, gegeben sein. Die Maximalwandstärke kann ebenfalls in einem ebenen Bereich des strukturierten Halbbleches, alternativ aber auch - wie bereits ausgeführt - im Flankenbereich des Halbblechs vorliegen.
Das Umformverfahren kann mit einem bereits beschichteten Blech ebenso wie mit einem unbeschichteten Blech durchgeführt werden. Bei dem Blech handelt es sich insbesondere um Stahlblech. Das umgeformte, mit der Kanalstruktur versehene Blech ist insbesondere für eine Bipolarplatte in einem Brennstoffzellensystem oder in einem Elektrolysesystem zur Wasserstoffherstellung verwendbar. Dabei kann die Bipolarplatte mindestens ein erfindungsgemäß geprägtes Blech umfassen. Insbesondere umfasst die Bipolarpatte jedoch zwei erfindungsgemäß geprägte Bleche, jeweils eines für eine Anodenseite und eines für eine Kathodenseite der Bipolarplatte. Die beiden geprägten Halbbleche werden üblicherweise durch Schweißen miteinander zu einer Bipolarplatte verbunden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, jeweils vereinfacht, teils auch in überhöhter Darstellung:
Fig. 1 eine Prägestruktur eines Bleches oder Halbbleches,
Fig. 2 Merkmale eines Werkzeugs zum Prägen des Bleches oder Halbbleches,
Fig. 3 eine Bipolarplatte, und
Fig. 4 ein Brennstoffzellensystem umfassend mehrere Brennstoffzellen.
Figur 1 zeigt ein mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnetes Halbblech 2. Zwei solche Halbbleche 2, 2' können beispielsweise durch Schweißung miteinander verbunden sein, um eine Bipolarplatte 1 auszubilden (vergleiche Figur 3). Innerhalb eines Brennstoffzellensystems 100 (vergleiche Figur 4) trennt eine Bipolarplatte 1 eine Halbzelle einer ersten Brennstoffzelle von einer Halbzelle einer weiteren Brennstoffzelle. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion einer Bipolarplatte 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Das Halbblech 2 weist eine Prägestruktur 3 auf, bei welcher es sich im vorliegenden Fall um eine Kanalstruktur umfassend eine Mehrzahl an parallel verlaufenden Kanalabschnitten 5 handelt, die in einem Aktivfeld des späteren Brennstoffzellensystems 100 liegt. Kanäle für das Brennstoffzellensystem 100 durchströmende Fluide können hierbei zwischen zwei aufeinander liegenden Halbblechen 2, 2' sowie an den äußeren Oberflächen der Bipolarplatte 1 gebildet sein. Bei den Fluiden handelt es sich um Kühlmittel sowie um Betriebsstoffe des Brennstoffzellensystems 100.
Ein Kanalabschnitt 5, welcher durch die Prägestruktur 3 gebildet ist, weist eine insgesamt mit 4 bezeichnete Wandung auf. Die Wandung 4 setzt sich aus zwei Flanken 7, 8 und einem Boden 9 zusammen. Außerhalb des Kanalabschnitts 5 befindet sich der mit 6 bezeichnete ebene Hauptbereich des Halbblechs 2, welcher in einer Basisebene BE liegt. Die Wandstärke des ebenen Hauptbereichs 6 ist, soweit sie nicht gezielt reduziert ist, worauf noch näher eingegangen werden wird, mit d1 bezeichnet.
Der Kanalabschnitt 5 weist eine trapezförmige Querschnittsgestaltung auf, wobei der Schrägstellungswinkel der Flanken 7, 8 gegenüber dem Hauptbereich 6 und damit auch gegenüber der Basisebene BE mit a angegeben ist. Abweichend vom skizzierten Ausführungsbeispiel könnten die verschiedenen Flanken 7, 8 auch verschieden stark gegenüber der Basisebene BE schräggestellt sein. In jedem Fall befindet sich der Boden 9 hier in einer zur Basisebene BE parallelen Prägeebene PE. Der Abstand zwischen der Basisebene BE und der Prägeebene PE stellt die mit PT bezeichnete Prägetiefe der Prägestruktur 3 dar. Bei der Formung der Prägestruktur 3 wird von einem unverformten ebenen Blech 11 ausgegangen, welches in ein Umformwerkzeug 12 eingelegt wird. Ein Werkzeugunterteil des Umformwerkzeugs 12 ist mit 13, ein Werkzeugoberteil mit 14 bezeichnet. Durch das Werkzeugunterteil 13 ist eine Werkzeugebene WE gegeben, auf welcher die Basisebene BE des aus dem Blech 11 zu formenden Halbblechs 2 zur Auflage kommt. Die Grundform der Prägestruktur 3 des Halbblechs 2 ist durch die Querschnittsgestaltung der Werkzeugteile 13, 14 vorgegeben, welche zu diesem Zweck Werkzeugkonturen 16, 17 aufweisen.
Ferner ist im in Fig. 2 dargestellten Beispiel eine Abprägekontur 15 des Werkzeugoberteils 14 erkennbar, welche sich unmittelbar neben dem Abschnitt befindet, in dem die Kanalstruktur 3 erzeugt werden soll. Die Abprägekontur 15 sorgt dafür, dass in dem entsprechenden, als Abprägeabschnitt 10 bezeichneten Bereich des Halbblechs 2 eine reduzierte Wandstärke d2 erzeugt wird und damit Material verdrängt wird. Bei der reduzierten Wandstärke d2 handelt es sich um die durch Umformung erzeugte Minimalwandstärke. Die Verdrängung des Materials bedeutet hierbei, dass Material in Querrichtung des Halbblechs 2 und damit insbesondere in die Flanken 7, 8 fließt. Damit wird im Bereich der Flanken 7, 8 eine Wandstärke d3 erzielt, welche größer als eine gedachte, ohne den Abprägevorgang entstehende Wandstärke ist. Mit PW ist die projizierte Wandstärke der Flanken 7, 8 bezeichnet, die sich auf eine Projektion auf die Basisebene BE bezieht.
Zusätzlich findet im vorliegenden Fall auch im Bereich des Bodens 9 ein Abprägen statt, was bedeutet, dass Material vom Boden 9, der hierbei einen Abprägeabschnitt darstellt, in die Flanken 7, 8 fließt. Die Wandstärke des Bodens 9 ist mit d4 angegeben. Der beim Umformen stattfindende Materialfluss sowohl vom Hauptbereich 6 als auch vom Boden 9 in die Flanken 7, 8 sorgt für eine vollständige Ausfüllung des zwischen den Werkzeugkonturen 16, 17 innerhalb des geschlossenen Umformwerkzeugs 12 gebildeten Hohlraums. Dabei fließt Material nicht nur in gebogene Bereiche, die sich an die ebenen Bereiche anschließen, sondern auch in die gesamte Länge der gebildeten Flanken 7, 8. Die mit d5 bezeichnete Ausgangswandstärke des unverformten Bleches 11 liegt im Ausführungsbeispiel im Bereich von 50 pm bis 100 pm.
Figur 3 zeigt eine Bipolarplatte 1 umfassend zwei Halbbleche 2, 2' aus Edelstahl, wel- ehe durch das erfindungsgemäße Verfahren gebildet und durch Schweißen miteinander verbunden sind. Die Bipolarplatte 1 weist einen Einströmbereich 30a für Fluide mit Öffnungen 40 und einen Ausströmbereich 30b für die Fluide mit Öffnungen 40' auf.
Dazwischen ist eine Gasverteilerstruktur 50 mit Kanalstrukturen 3 angeordnet, die Kanalabschnitte 5 (vergleiche Figur 1 ) umfasst.
Figur 4 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 umfassend mehrere Brennstoffzellen 20 als Beispiel für eine elektrochemische Zelle. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 3 kennzeichnen gleiche Elemente. Eine Brennstoffzelle 20 umfasst zwei Bipolarplatten 1 , 1 'm it einer dazwischen angeordneten Polymerelektrolytmembrane 70 beziehungs- weise Membran-Elektrodeneinheit (MEA), die beidseitig meist mit je einer Gasdiffusionslage bedeckt ist.
Bezuqszeichenliste
1 , r Bipolarplatte
2, 2' Halbblech
3 Prägestruktur, Kanalstruktur
4 Wandung
5 Kanalabschnitt
6 Ebener Hauptbereich
7 Flanke
8 Flanke
9 Boden
10 Abprägeabschnitt
11 unverformtes Blech
12 Umformwerkzeug
13 Werkzeugunterteil
14 Werkzeugoberteil
15 Abprägekontur
16 Werkzeugkontur des Werkzeugoberteils
17 Werkzeugkontur des Werkzeugunterteils
20 Brennstoffzelle
30a Einströmbereich
30b Auslassbereich
40, 40' Öffnung
50 Gasverteilerstruktur
70 Polymerelektrolytmembrane
100 Brennstoffzellensystem a Winkel
BE Basisebene d1 , d2, d3, d4, d5 Wandstärke
PE Prägeebene PT Prägetiefe
PW projizierte Wandstärke
WE Werkzeugebene

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Prägen einer Kanalstruktur (3) umfassend eine Mehrzahl an parallel verlaufenden Kanalabschnitten (5) in einem ebenen Blech (11 ) unter Ausbildung eines Halbbleches (2, 2'), mit folgenden Schritten:
- Bereitstellung des ebenen Bleches (11 ) mit einheitlicher Ausgangswandstärke (d5),
- Einlegen des Bleches (11 ) in ein Umformwerkzeug (12), wobei eine durch das unverformte ebene Blech (11 ) gegebene Basisebene (BE) des Blechs (11 ) zur Auflage auf eine durch ein Werkzeugteil (13) des Umformwerkzeugs (12) gegebene Werkzeugebene (WE) vorgesehen ist,
- Formung der Mehrzahl an Kanalabschnitten (5), wobei jeder Kanalabschnitt (5) mit zwei zueinander nicht parallelen Flanken (7, 8) gebildet wird derart, dass Material von außerhalb der Flanken (7, 8) befindlichen, während des gesamten Umform prozesses in der Basisebene (BE) und/oder einer hierzu parallelen Ebene verbleibenden Abprägeabschnitten (9, 10) des Bleches
(11 ) in die Flanken (7, 8) verlagert wird, wobei eine jede Flanke (7, 8) sich von der Basisebene (BE) bis zu einer benachbarten parallelen Ebene erstreckt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Material von mindestens einem Abprägeabschnitt (10), welcher sich außerhalb der Kanalabschnitte (5) befindet und in der Basisebene (BE) liegt, in mindestens eine der dazu benachbarten Flanken (7, 8) gezwungen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Material von mindestens einem Abprägeabschnitt (9) in einer zur Basisebene (BE) parallelen Ebene, welcher den zwischen zwei Flanken (7, 8) befindlichen, zur Basisebene (BE) parallelen Boden eines Kanalabschnitts (5) darstellt, in eine der dazu benachbarten Flanken (7, 8) verlagert wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Umformung die Wandstärke (d3) der Flanken (7, 8) auf nicht weniger als 70% der Ausgangswandstärke (d5) reduziert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch das erzwungene Nachfließen von Material in die Flanken (7, 8) die projizierte, in Normalrichtung der Basisebene (BE) zu messende Wandstärke (PW) der Flanken (7, 8) auf mindestens 105% und höchstens 150% der Ausgangswandstärke (d5) erhöht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prägetiefe (PT) der Kanalstruktur (5) mindestens das Doppelte und höchstens das Zehnfache der Ausgangswandstärke (d5) des Bleches (11 ) betragend gewählt wird.
7. Bipolarplatte (1 , 1 ') einer elektrochemischen Zelle, aufweisend mindestens ein Halbblech (2, 2') mit einer im Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellten Kanalstruktur (3) für ein die elektrochemische Zelle durchströmendes Medium.
8. Bipolarplatte (1 , 1 ') nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbblech (2, 2') eine Minimalwandstärke (d2) aufweist, welche nicht weniger als 2/3 einer Maximalwandstärke des Halbblechs (2, 2') beträgt.
9. Bipolarplatte (1 , 1 ') nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimalwandstärke (d2) außerhalb der Flanken (7, 8) der Kanalstruktur (5) gegeben ist.
10. Bipolarplatte (1 , 1 ') nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalwandstärke (d3) im Bereich der Flanken (7, 8) der Kanalstruktur (5) gegeben ist.
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