WO2024255939A1 - Verfahren zur herstellung eines halbbleches einer bipolarplatte, bipolarplatte und elektrochemische zelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines halbbleches einer bipolarplatte, bipolarplatte und elektrochemische zelle Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a half sheet of a bipolar plate.
  • the invention further relates to a bipolar plate and an electrochemical device with at least one such bipolar plate.
  • an electrochemical cell is in particular a fuel cell, an electrolysis cell or a redox flow cell.
  • a fuel cell stack consists of several fuel cells and usually contains two bipolar plates per cell.
  • the connection of several fuel cells to form a fuel cell stack serves, among other things, to increase the output voltage.
  • a first and a second bipolar plate which lie on top of each other and are separated by a membrane, form the actual electrochemical cell.
  • the anode is separated from the cathode by an MEA (Membrane Electrode Assembly).
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • a bipolar plate usually consists of two half-sheets that are bonded together, for example by welding.
  • distribution structures are often provided on the bipolar plate, which are designed as channels.
  • a first aspect of the present invention comprises a method for producing a half sheet of a bipolar plate.
  • the method comprises rolling a sheet metal strip as a method step, wherein at least one first region of the sheet metal strip is rolled to a uniform first sheet thickness and at least one second region of the sheet metal strip is rolled to a uniform second sheet thickness.
  • the first sheet thickness is greater than the second sheet thickness and the first region and the second region are each formed flat.
  • the at least one first and the at least one second region therefore have different sheet thicknesses and also different deformability.
  • a channel-shaped surface structure for guiding reactants and fluids, such as hydrogen and/or oxygen, is then introduced into the at least one first region with a high degree of process reliability, without cracks forming in the sheet metal.
  • a greater depth also drawing depth
  • Material can also be saved as a result; where a lower formability is required, such as in the at least one second region, the sheet metal or sheet metal strip can be thinned out further compared to places where a higher formability is required, such as in the at least one first region.
  • the step of rolling a sheet metal strip is carried out in such a way that the sheet metal strip is flat in at least one first region of the sheet metal strip and/or in at least one second region of the sheet metal strip and/or in at least one third region of the sheet metal strip and has a flat, mutually parallel surface when viewed in section through the sheet metal strip.
  • the surfaces of the sheet metal strip are and/or the at least one first region of the sheet metal strip and/or the at least one second region of the sheet metal strip and/or the at least one third region of the sheet metal strip is formed by rolling without a depression or without a valley or without a peak or without a projection.
  • the step of rolling along a conveying direction of the sheet metal strip can provide variable sheet thicknesses.
  • the at least one first region and the at least one second region of the sheet metal strip and/or at least one third region of the sheet metal strip can be rolled alternately along the conveying direction of the sheet metal strip in order to realize a first and a second sheet thickness for the at least one first region and the at least one second region, respectively.
  • the method presented can therefore reduce the manufacturing costs for a half-sheet of a bipolar plate.
  • the method presented can enable more complex forming geometries or more complex geometries for the at least one first region. In other words, in regions with little forming for the production of the half-sheet, such as in the at least one second region and/or in at least one third region of the sheet metal strip, the sheet thickness can be reduced to a minimum by the rolling step.
  • the sheet thickness is chosen to be higher during the rolling step than in the at least one second region and/or the at least one third region in order to enable complex forming geometries, such as B. for the channel-shaped surface structure, in which at least a first region can be realized.
  • the idea underlying the present invention is based on providing the sheet or sheet metal strip for the production of half sheets for bipolar plates with local thickness differences in advance.
  • the thicker the sheet metal strip is provided in at least one first region, the simpler and more cost-effective the forming is in order to introduce the channel-shaped surface structure into the at least one first region.
  • formability refers to a limit on the plastic deformation that a material or sheet metal strip can endure without cracking.
  • formability means the ability of a material or sheet metal strip to deform plastically before breaking.
  • a pair of rollers or a roller pairing can be used which roll the at least one first region and the at least one second region and/or at least one third region of the sheet metal strip.
  • at least one roller of the pair or the roller pairing can have at least one depression along its circumference. This depression serves to create or roll the at least one first region. Where the depression meets the sheet metal strip, more material of the rolled sheet metal strip can be accumulated. Thus, the at least one first region of the sheet metal strip can be rolled to a first sheet thickness. In contrast, where no depression is found, there is less material of the rolled sheet metal strip. Thus, the at least one second region of the sheet metal strip can be rolled to a smaller second sheet thickness.
  • the axial distance of a pair of rolls or a roll pairing can be changed during the rolling process step.
  • This is possible, for example, hydraulically and/or electromechanically.
  • at least one roll of the pair or roll pairing can be changed in its relative position to the other roll of the pair or roll pairing in order to roll to a first sheet thickness in at least a first region of the sheet metal strip and to roll to a second sheet thickness in at least a second region of the sheet metal strip.
  • the method comprises, as a further method step after rolling, introducing a channel-shaped surface structure into the at least one first region.
  • the channel-shaped surface structure serves to homogeneously distribute reactants and fluids in the electrochemical cell.
  • the channel-shaped surface structure can also be designed to guide a first reactant, a second reactant and/or a coolant from an inflow to an outflow.
  • an electrochemical cell with at least one bipolar plate can be optimally supplied so that the efficiency can be maximized.
  • introducing a channel-shaped surface structure into the at least one first region can be done by embossing, punching, hydroforming or rolling, e.g. before the cutting step.
  • the surface structure is embossed through the sheet so that both the top and the bottom of the sheet reflect the structure.
  • the method comprises, as a further method step, cutting the sheet metal strip to separate the half sheet from the sheet metal strip, wherein the half sheet has at least a first region and a second region. Cutting the sheet metal strip thus results in individual half sheets for producing bipolar plates that can be used in an electrochemical cell, such as a fuel cell or a fuel cell stack.
  • the cutting may comprise creating a fluid inflow or fluid outflow, in particular a coolant inflow and a coolant outflow and/or a hydrogen inflow and a hydrogen outflow and/or an oxygen inflow and an oxygen outflow.
  • the at least one first region and the at least one second region can be arranged alternately along a conveying direction of the sheet metal strip or at least partially next to one another in the conveying direction or partially next to one another or one behind the other in the conveying direction or partially behind one another in the conveying direction.
  • a first region can be followed by a second region in the conveying direction of the sheet metal strip, which can then be followed by a first region.
  • a second region can thus follow directly after a first region and/or vice versa.
  • a further region is arranged which spaced the first region and second region from one another.
  • the sheet metal strip can have at least one third region.
  • the sheet metal strip can also be rolled to a third sheet thickness in the at least one third region of the sheet metal strip.
  • the at least one third region of the sheet metal strip can be rolled to a third sheet thickness.
  • the at least one third region and the at least one second region can also at least partially delimit or at least partially border or at least partially limit or at least partially surround the at least one first region.
  • the at least one third region can, for example, be shaped in such a way that it can accommodate a seal.
  • the at least one third region can thus be rolled to a third sheet thickness in order to obtain or create a plane for a seal.
  • the at least one second region and the at least one third region can be of the same thickness.
  • the second sheet thickness and the third sheet thickness have the same value.
  • the second sheet thickness and the third sheet thickness can also have essentially the same value.
  • the expression “essentially the same value” can be understood in the present description to mean that the sheet thicknesses of the second region and the third region are to be regarded as equal if their sheet thicknesses differ from one another by at most +/- 5%. This means that with “essentially the same value”, the third sheet thickness is, for example, the second sheet thickness +/- 5% of the second sheet thickness.
  • the second sheet thickness and/or the third sheet thickness can have a value that is at least 20% lower than the first sheet thickness.
  • the first sheet thickness has a significantly higher value than the second and/or the third sheet thickness.
  • the method can further comprise the step of detecting a position of the channel-shaped surface structure in relation to the sheet metal strip, for example in relation to the dimensions of the sheet metal strip, by means of a sensor as a starting point for cutting the sheet metal strip.
  • a sensor as a starting point for cutting the sheet metal strip.
  • the method can comprise a further method step of selective or partial annealing of the sheet metal strip, wherein during annealing the at least the first region of the sheet metal strip is annealed in a targeted manner and/or by targeted supply of heat and/or by targeted supply of heat and the at least one second region and/or the at least one third region of the sheet metal strip is/are excluded or left out.
  • the at least one first region of the sheet metal strip and the at least one second region and/or third region of the sheet metal strip can be heat treated differently or in different ways.
  • more heat energy can be supplied to at least the first region of the sheet metal strip than to the at least one second region and/or third region of the sheet metal strip.
  • the additional heat energy can, for example, comprise a longer annealing time and/or a greater heat intensity.
  • the at least one first and the at least one second region and/or the at least one third region of the sheet metal strip have different deformability.
  • the heat treatment of the sheet metal strip can therefore be concentrated on the at least one first region, into which a channel-shaped surface structure for guiding fluids or reactants can then be introduced with a high degree of process reliability without cracks forming in the sheet metal.
  • the method presented can reduce the manufacturing costs of a bipolar plate.
  • the method presented can realize more complex forming geometries or more complex geometries for the at least one first region.
  • the supply of energy occurs predominantly in the at least one first region, while the supply of energy to the at least one second region and/or third region is less or does not occur.
  • a heat treatment duration with which the at least one second and/or third region is treated and/or a heat intensity acting on the at least one second region and/or third region is shorter in comparison to the annealing duration with which the at least one first region is annealed and/or less intense in comparison to the heat intensity acting on the at least one first region.
  • Annealing is generally used to reduce stresses in the material or in the sheet metal strip or in the at least one first region of the sheet metal strip, for example, and to increase the formability of the material or in the sheet metal strip or in the at least one first region.
  • the sheet metal strip requires a higher formability in the at least one first region in order to introduce a surface structure than in the at least one second region and/or third region that is not to be formed or structured or in which no surface structure is to be introduced.
  • the at least one second region and/or third region can therefore have a lower degree of formability.
  • the idea underlying the present invention is that not all areas of the sheet metal strip have to have the same deformability.
  • the at least one second area and/or third area, which is to be formed little or not at all, can also be heat treated to a lesser extent, for example for a shorter time, or not at all. In this way, the energy required for annealing can be reduced, since the entire sheet metal strip no longer has to be heated, but only the at least one first area. This saves energy and costs.
  • the at least one first region of the sheet metal strip can be annealed with a first annealing time and/or with a first heat intensity and the at least one second and/or third region of the sheet metal strip can be annealed with a second heat treatment time and/or with a second heat intensity.
  • the first annealing time or the first heat intensity can be different from the second heat treatment time or the second heat intensity.
  • Each region can thus be heat treated according to a desired deformability, with a total of Energy can be saved.
  • the second heat treatment period can be shorter than the first annealing period.
  • the second heat treatment period or the second heat intensity can also be half or 45% or 40% of the first annealing period or the first heat intensity.
  • the second heat intensity can be less intense than the first heat intensity. This again shows that energy can be saved.
  • heat intensity or “intensity” can be understood as “irradiance” (also radiation flux density, outdated: radiation current density).
  • Heat intensity or “irradiance” can be the term for the total power of incoming electromagnetic energy that hits a surface (e.g. the at least one first area and/or the at least one second area and/or the at least one third area), based on the size of the area.
  • Selective annealing or local heat treatment can be carried out in a continuous furnace, for example. Annealing can locally improve the formability of the sheet metal strip.
  • the first and/or second heat treatment duration and/or the first and second heat intensity in sections of a continuous furnace can be controlled, for example, selectively by a control device, depending on the conveying speed and the position of the at least one first and the at least one second and/or third region.
  • the continuous furnace can have several heat units, such as radiators that convert electrical energy into heat, for example, and/or nozzles that generate heat using gas, for example.
  • the heat units can be arranged in a matrix or in a grid, for example above and/or at a distance from the sheet metal strip.
  • the control device can switch the heat units on and off according to the conveying speed and the position of the at least one first region and the at least one second region and/or third region and/or can regulate their duration and/or intensity with regard to the generation of heat.
  • the sheet metal strip is preferably made of stainless steel, which can be coated.
  • the sheet metal strip can be made of titanium or a titanium alloy. Alternatively, other metal alloys can also be used.
  • a second aspect of the present invention comprises a bipolar plate comprising two half-sheets which are materially connected to one another and produced according to the method according to the invention.
  • the bipolar plate has an electrochemically active region on each of the half-sheets, which corresponds to the at least one first region of the two half-sheets.
  • Each half-sheet also has at least two distributor regions, which correspond to the at least one second region, for supplying and discharging fluids, such as reaction gases and/or reactants and/or coolants.
  • the bipolar plate can also be designed in such a way that it has separate channels for fluids such as reaction gases and/or reactants and for a coolant.
  • connections for fluids such as reaction gases and/or for reactants and/or for the coolant, can be connected to the distribution areas.
  • the bipolar plate can comprise distribution structures for guiding fluids such as coolants, whereby in the case of a fuel cell the coolant is generally guided between two welded half sheets of a bipolar plate.
  • These distribution structures can be designed as channels, whereby the coolant can be conducted and a fuel cell stack is cooled.
  • the fuel e.g. hydrogen
  • the air/oxygen is distributed in particular.
  • the bipolar plate can have a channel-shaped surface structure, which can be designed as an open groove-like channel structure.
  • the bipolar plate can comprise distribution structures for guiding fluids such as coolants. These distribution structures can be designed as channels, whereby the coolant can be conducted and a fuel cell stack is cooled.
  • the fuel e.g. hydrogen
  • the fuel is distributed in particular on the anode side of a bipolar plate, and the air/oxygen is distributed in particular on the cathode side.
  • the bipolar plate can have two third regions.
  • the two third regions can be arranged on two opposite sides of the at least one first region, so that they delimit the at least one first region together with two second regions.
  • the third region can, for example, be shaped such that it can accommodate a seal.
  • the bipolar plate can be used, for example in vehicles, to convert hydrogen (H2) with oxygen (02) from the air to water.
  • the bipolar plate plays a central role in this. It can serve structurally as a carrier plate and form the two poles of the fuel cell - the anode plate that carries H2 and the cathode plate for the O2 supply.
  • the bipolar plate can fulfil various tasks, such as an even distribution of the fluids and reaction gases or reactants (H2 and 02), a supply of the gases to a catalyst layer, a removal of the resulting reaction water, a forwarding of the current resulting from the reaction and an efficient dissipation of the reaction heat.
  • the electrocatalytic conversion of hydrogen usually produces product water and - as already mentioned - heat. Both can be dissipated from a fuel cell via the bipolar plate.
  • a third aspect of the present invention comprises an electrochemical cell, in particular a fuel cell or an electrolysis cell, comprising at least one bipolar plate according to the invention.
  • the features of the method for producing a half-sheet of a bipolar plate and/or the features of the bipolar plate as mentioned under the second aspect can be used individually or in combination with one another in the electrochemical cell.
  • the features mentioned above under the first and/or second aspect of the invention can also be combined with further features under the third aspect of the invention.
  • This idea concerns - in simplified terms - a method for producing a half sheet of a bipolar plate by introducing targeted differences in thickness within a sheet used.
  • the sheet metal for the production of half sheets for bipolar plates can be specifically provided in advance with thickness differences, i.e. at least with a uniform first sheet thickness in at least one first area and with a uniform second sheet thickness in at least one second area.
  • the sheet thickness can be reduced.
  • the sheet thickness is selected to be higher in order to be able to realize the more complex forming geometries without cracks.
  • the material can also be thinned out to obtain a plane for the seal.
  • the bipolar plate according to the invention can be used in an electrochemical cell, such as a fuel cell, an electrolyzer or a redox flow battery.
  • Fig. 1 is a schematic flow diagram of a method for
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a part of a
  • Fig. 3 is a schematic plan view of a half-sheet
  • Fig. 4 is a three-dimensional view of a bipolar plate
  • Fig. 5 is a schematic view of an electrochemical cell.
  • Figure 1 shows a schematic flow diagram of a method for producing a half sheet 1 of a bipolar plate 1' (see Figure 4), wherein Figure 2 shows a schematic sectional view of a part of a sheet metal strip B after the method step V1.
  • Figures 1 and 2 are described together below.
  • Figure 1 shows that the method represents a continuous process, wherein a sheet metal strip B is conveyed along a conveying direction F.
  • Figure 1 shows that the method comprises, as a first method step, rolling V1 of a sheet metal strip B or a sheet metal panel.
  • the sheet metal strip is unwound from a sheet metal roll, also called a coil, before rolling V1.
  • At least one first region 2 of the sheet metal strip B is rolled to a uniform first sheet thickness d1 and at least one second region 3 of the sheet metal strip B is rolled to a uniform second sheet thickness d2.
  • flat regions are rolled in such a way that a top and bottom of the sheet metal strip run parallel in the respective region.
  • the first sheet thickness d1 is greater than the second sheet thickness d2.
  • the at least one first region 2 and the at least one second region 3 have different sheet thicknesses d1, d2 and also different deformability. This allows the at least a first region 2, a channel-shaped surface structure 5 for guiding fluids and reactants, such as hydrogen and/or oxygen, can be introduced easily and with a high level of process reliability without cracking occurring.
  • the rolling V1 thus provides different sheet thicknesses d1, d2 along the conveying direction F of the sheet metal strip B.
  • the at least one first region 2 and the at least one second region 3 are rolled alternately along the conveying direction F of the sheet metal strip B in order to realize a first sheet thickness d1 and a second sheet thickness d2 for the at least one first region 2 and the at least one second region 3, respectively.
  • the at least one first region 2 and the at least one second region 3 are arranged alternately along the conveying direction F of the sheet metal strip B or in sections one behind the other in the conveying direction.
  • a first region 2 is followed by a second region 3, which is then followed by a first region 2.
  • a second region 3 thus follows immediately after a first region 2 and vice versa.
  • the sheet metal strip B has at least one third region 4.
  • the at least one third region 4 of the sheet metal strip B is rolled to a third sheet thickness d3.
  • two third regions 4 and two second regions 3 delimit or surround a first region 2.
  • the at least one third region 4 or the two third regions 4 is/are further shaped in such a way that it can accommodate a seal.
  • the at least one third region 4 or the two third regions 4 is/are thus rolled to a third sheet thickness d3 in order to create a plane for a seal.
  • the second sheet thickness d2 and the third sheet thickness d3 have essentially the same value. This means that the sheet thicknesses d2, d3 of the second area 3 and the third area 4 are to be regarded as equal if they differ from each other in their sheet thicknesses by a maximum of +/- 5%. Furthermore, the second sheet thickness d2 and the third sheet thickness d3 have a lower value than the first sheet thickness d1. In other words, the first sheet thickness d1 has a higher value than the second and third sheet thicknesses d2, d3.
  • the method according to Figure 1 comprises, after rolling, as a further method step V2, introducing a channel-shaped surface structure 5 into the at least one first region 2.
  • the channel-shaped surface structure 5 serves to distribute fluids homogeneously. Strictly speaking, the channel-shaped surface structure 5 is designed to guide a first reactant, a second reactant and a coolant from an inflow to an outflow.
  • an electrochemical cell such as a fuel cell, comprising one or more bipolar plates 1', made from two materially bonded half-sheets 1, which were formed according to the method presented here, can be optimally supplied with reactants and/or coolant, so that the efficiency of the electrochemical cell can be maximized.
  • the introduction V2 of a channel-shaped surface structure 5 into the at least one first region 2 can be carried out by embossing, punching, hydroforming or rolling. Due to the typically low sheet thickness of the sheet metal strip of less than 1 mm, the channel structure is formed on the top and bottom of the sheet metal strip.
  • the method can comprise, as an optional step, detecting a position of the channel-shaped surface structure 5 in relation to the dimensions of the sheet metal strip B by means of a sensor as a starting point for cutting the sheet metal strip B. In this way, manufacturing tolerances that occur, for example, when introducing V2 of the channel-shaped surface structure 5 can be compensated.
  • a half sheet 1 is separated from the sheet metal strip B, wherein the half sheet 1 comprises at least a first and a second region 2, 3. Cutting the sheet metal strip B thus results in individual half sheets 1.
  • the cutting comprises creating a fluid inflow and a fluid outflow, in particular a coolant inflow 6 and a coolant outflow 7, a hydrogen inflow 8 and a hydrogen outflow 11, and an oxygen inflow 9 and an oxygen outflow 10.
  • the method presented can reduce the manufacturing costs of a half sheet 1 of a bipolar plate 1'.
  • the method presented can enable the realization of more complex forming geometries or more complex geometries in the first region 2.
  • the sheet thickness d2 can be reduced to a minimum by the rolling step V1.
  • the sheet thickness d1 is selected to be higher in the rolling step compared to the second regions 3 in order to be able to realize complex forming geometries, such as for a channel-shaped surface structure 5, in the first region 2 without cracks.
  • a selective annealing of the sheet metal strip B can be carried out as a further process step before the introduction of V2.
  • the at least one first region 2 of the sheet metal strip B can be annealed in a targeted manner or by the targeted supply of heat.
  • the at least one second region 3 and the at least one third region 4 of the sheet metal strip B can be excluded or left out. This allows different deformability capabilities to be generated in the regions 2, 3, 4.
  • the heat treatment of the sheet metal strip B can therefore be concentrated on the at least one first region 2, into which a channel-shaped surface structure 5 for guiding fluids can be introduced easily and with a high degree of process reliability.
  • the heat treatment of the entire sheet metal strip B can be dispensed with, which saves energy for heating. Consequently, the method presented can reduce the manufacturing costs of a half sheet 1 or a bipolar plate 1'. In addition, more complex forming geometries or more complex geometries in the at least one first region 2 can be realized using the method presented.
  • the at least one first region 2 can be annealed with a first annealing time or with a first heat intensity and the at least one second region 3 and third region 4 can be annealed with a second heat treatment time or with a second heat intensity
  • the first annealing time or the first heat intensity is different from the second heat treatment time or second heat intensity. This means that each area can be heat treated according to the desired formability, which can save energy overall.
  • the second heat treatment time is shorter than the first annealing time or the second heat intensity is less intense than the first heat intensity.
  • Selective annealing can be carried out in a continuous furnace. Annealing can locally improve the formability of sheet metal strip B.
  • the first annealing time and second heat treatment time or the first and second heat intensity in sections of the continuous furnace can be selectively controlled by a control device (not shown) depending on the conveying speed and the position of the at least one first region 2 and the at least one second region 3 and third region 4.
  • the continuous furnace can have several heat units, such as radiators that convert electrical energy into heat, for example, and/or nozzles that generate heat using gas, for example.
  • the heat units can be arranged in a matrix or in a grid.
  • the control device can switch the heat units on and off according to the conveying speed and the position of the at least one first region 2 and the at least one second region 3 and the at least one third region 4, or can regulate their duration and intensity with regard to the generation of heat.
  • Figure 2 shows a schematic sectional view of the sheet metal strip B after process step V1 with a cutting direction parallel to the conveying direction F.
  • the rolled sheet metal strip B comprises a first region 2 and two second regions 3.
  • the first region 2 has a first sheet thickness d1 and each second region 3 has a second sheet thickness d2.
  • the second sheet thickness d2 is less than the first sheet thickness d1.
  • Figure 3 shows a schematic plan view of the half-sheet 1 from Figure 1 .
  • the half sheet 1 has two third regions 4.
  • the third regions 4 have a third sheet thickness d3.
  • the third sheet thickness d3 is equal to the second sheet thickness d2.
  • the first region 2 is arranged centrally in relation to the half-sheet 1 and forms an electrochemically active region in an electrochemical cell.
  • two second regions 3 and two third regions 4 are arranged on opposite sides of the first region 2.
  • the channel-shaped surface structure 5 extends between the two second regions 3 and the two third regions 4.
  • Figure 3 shows that the half-sheet 1 has two third regions 4.
  • the two third regions 4 are arranged on two opposite sides of the first region 2, so that together with the two second regions 3 they delimit the first region 2.
  • the third regions 4 are shaped, for example, in such a way that they can each accommodate a seal.
  • the third regions 4 have a third sheet thickness d3, which here has the same value as the second sheet thickness d2.
  • Figure 3 shows fluid inflows and fluid outflows, here a coolant inflow 6, a coolant outflow 7, a hydrogen inflow 8, a hydrogen outflow 11, an oxygen inflow 9 and an oxygen outflow 10 in the two second regions 3.
  • a coolant inflow 6 a coolant outflow 7
  • a hydrogen inflow 8 a hydrogen outflow 11
  • an oxygen inflow 9 a hydrogen outflow 10 in the two second regions 3.
  • Other arrangements or combinations of the inflows and outflows are also conceivable.
  • the half-sheet 1 is designed in such a way that it has channels for reaction gases and/or for reactants and/or for a coolant.
  • the half-sheet 1 has a channel-shaped surface structure 5, which is designed as an open, groove-like channel structure.
  • a bipolar plate 1' see Figure 4
  • two half-sheets 1 are arranged one above the other and bonded together in such a way that coolant channels are formed through which flow can take place through the channel structures or through the channel-shaped surface structure 5 between the two half-sheets 1.
  • a bipolar plate 1' can perform various tasks, such as uniform distribution of the fluids in an electrochemical cell, supply of the fluids to a catalyst layer, removal of the resulting reaction water, transmission of the current resulting from the reaction and efficient removal of the reaction heat.
  • Figure 4 shows a three-dimensional schematic view of a bipolar plate 1' comprising two half-sheets 1 bonded together. The same reference numerals as in Figure 3 identify the same elements.
  • Figure 5 shows a schematic three-dimensional view of an electrochemical cell, in particular a fuel cell 20, comprising two bipolar plates 1' according to Figure 4 and a membrane electrode unit 13 arranged between the two bipolar plates 1'. By stacking further membrane electrode units 13 and bipolar plates 1', a fuel cell stack 100 comprising a plurality of fuel cells 20 is created.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbbleches (1) einer Bipolarplatte (1'), umfassend die Schritte: - Walzen (V1) eines Blechbandes (B), - wobei in wenigstens einem ersten Bereich (2) des Blechbandes (B) auf eine einheitliche erste Blechdicke (d1) gewalzt wird und in wenigstens einem zweiten Bereich (3) des Blechbandes (B) auf eine einheitliche zweite Blechdicke (d2) gewalzt wird, - wobei die erste Blechdicke (d1 ) größer als die zweite Blechdicke (d2) ausgebildet wird und der erste Bereich (2) und der zweite Bereich (3) jeweils eben ausgebildet werden, - Einbringen (V2) einer kanalförmigen Oberflächenstruktur (5) in den wenigstens einen ersten Bereich (2), - Schneiden des Blechbandes (B) zur Abtrennung des Halbbleches (1) von dem Blechband (B), wobei das Halbblech (1 ) zumindest einen ersten Bereich (2) und einen zweiten Bereich (3) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Bipolarplatte sowie eine elektrochemische Zelle.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Halbbleches einer Bipolarplatte, Bipolarplatte und elektrochemische Zelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbbleches einer Bipolarplatte. Ferner betrifft die Erfindung eine Bipolarplatte sowie eine elektrochemische mit mindestens einer derartigen Bipolarplatte.
Eine elektrochemische Zelle ist in diesem Zusammenhang insbesondere eine Brennstoffzelle, eine Elektrolysezelle oder eine Redox-Flusszelle.
Das Herzstück eines Brennstoffzellen-Stacks ist die Brennstoffzelle. Ein Brennstoffzel- len-Stack besteht aus mehreren Brennstoffzellen und enthält in der Regel zwei Bipolarplatten pro Zelle. Die Verbindung mehrerer Brennstoffzellen zu einem Brennstoff- zellen-Stack dient u.a. der Erhöhung der Ausgangsspannung.
Typischerweise bilden eine erste und eine zweite Bipolarplatte, die aufeinanderliegen und von einer Membran getrennt sind, die eigentliche elektrochemische Zelle. Die Anode wird dabei durch eine MEA (Membrane Electrode Assembly) von der Kathode getrennt. Eine Bipolarplatte besteht dabei in der Regel aus zwei Halbblechen, die stoffschlüssig, beispielsweise durch einen Schweißvorgang, miteinander verbunden sind.
Um die für den Betrieb einer elektrochemischen Zelle, wie einer Brennstoffzelle, notwendigen Reaktanden und Fluide gleichmäßig über den elektrochemisch aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Einheit zu verteilen, werden häufig Verteilungsstrukturen an der Bipolarplatte vorgesehen, welche als Kanäle ausgebildet sind.
Zur Herstellung von Bipolarplatten im großen Maßstab ist es bekannt, ein Blechband auf eine gewünschte Dicke zu walzen und dieses einer Wärmebehandlung zu unterziehen, um die Umformbarkeit sicherzustellen. Eine Wärmebehandlung ist jedoch für einen Großteil der Kosten bei der Herstellung von Bipolarplatten verantwortlich. Denn diese benötigt viel Energie in Form von Wärme.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbbleches einer Bipolarplatte anzugeben, welches die aufzuwendende Energie für die Herstellung einer Bipolarplatte im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Halbbleches einer Bipolarplatte.
Das Verfahren umfasst als einen Verfahrensschritt ein Walzen eines Blechbandes, wobei in wenigstens einem ersten Bereich des Blechbandes auf eine einheitliche erste Blechdicke gewalzt wird und in wenigstens einem zweiten Bereich des Blechbandes auf eine einheitliche zweite Blechdicke gewalzt wird. Dabei ist die erste Blechdicke größer als die zweite Blechdicke ausgebildet wird und der erste Bereich und der zweite Bereich jeweils eben ausgebildet werden. Somit weisen der wenigstens eine erste und der wenigstens eine zweite Bereich voneinander verschiedene Blechdicken und auch verschiedene Formänderungsvermögen auf.
In den wenigstens einen ersten Bereich wird anschließend eine kanalförmige Oberflächenstruktur zum Führen von Reaktanden und Fluiden, wie z. B. Wasserstoff und/oder Sauerstoff, mit einer hohen Prozesssicherheit eingebracht, ohne dass eine Rissbildung im Blech erfolgen würde. Für den wenigstens einen ersten Bereich können somit eine höhere Tiefe (auch Ziehtiefe) bei einem Einbringen der kanalförmigen Oberflächenstruktur realisiert werden. Ferner kann dadurch Material eingespart werden; denn dort, wo ein geringeres Formänderungsvermögen benötigt wird, wie im wenigstens einen zweiten Bereich, kann das Blech bzw. Blechband im Vergleich zu Orten, wo ein höheres Formänderungsvermögen benötigt wird, wie im wenigstens einen ersten Bereich, weiter ausgedünnt werden.
Der Schritt des Walzens eines Blechbandes wirdderart gestaltet ausgeführt, dass das Blechband im wenigstens einen ersten Bereich des Blechbandes und/oder im wenigstens einen zweiten Bereich des Blechbandes und/oder in wenigstens einem dritten Bereich des Blechbandes eben ausgebildet ist und im Schnitt durch das Blechband gesehen ebene, zueinander parallele Oberfläche aufweist. D.h., dass die Oberflächen des Blechbandes und/oder des wenigstens einen ersten Bereichs des Blechbandes und/oder des wenigstens einen zweiten Bereichs des Blechbandes und/oder des wenigstens einen dritten Bereichs des Blechbandes durch das Walzen strukturlos, also eben ausgebildet werden. Insbesondere sind die Oberflächen des Blechbandes und/oder des wenigstens einen ersten Bereichs des Blechbandes und/oder des wenigstens einen zweiten Bereichs des Blechbandes und/oder des wenigstens einen dritten Bereichs des Blechbandes durch das Walzen ohne Vertiefung oder ohne Tal oder ohne Berg oder ohne Vorsprung ausgebildet.
Außerdem kann der Schritt des Walzens entlang einer Förderrichtung des Blechbandes variable Blechdicken bereitstellen. Dabei können der wenigstens eine erste Bereich und der wenigstens eine zweite Bereich des Blechbandes und/oder wenigstens ein dritter Bereich des Blechbandes entlang der Förderrichtung des Blechbandes abwechselnd gewalzt werden, um eine erste und eine zweite Blechdicke für den wenigstens einen ersten Bereich bzw. den wenigstens einen zweiten Bereich zu realisieren. D.h., es kann zuerst ein erster Bereich und danach ein zweiter Bereich gewalzt werden. Es ist aber auch möglich, beide Bereiche mit einer Walze bzw. in einem Walzvorgang herzustellen.
Vor diesem Hintergrund kann z. B. von einer Wärmebehandlung des gesamten Blechbandes, mit welchem das Formänderungsvermögen des gesamten Blechbandes, z. B. gleichmäßig, erhöhbar ist, abgesehen werden, wodurch Energie einsparbar ist. Im Ergebnis kann das vorgestellte Verfahren also die Herstellungskosten für ein Halbblech einer Bipolarplatte reduzieren. Darüber hinaus kann das vorgestellte Verfahren komplexere Umformgeometrien oder komplexere Geometrien für den wenigstens einen ersten Bereich ermöglichen. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann in Bereichen mit geringer Umformung für die Erstellung des Halbbleches, wie z. B. in dem wenigstens einen zweiten Bereich und/oder in wenigstens einem dritten Bereich des Blechbandes, die Blechdicke durch den Schritt des Walzens auf ein Minimum reduziert werden. Im wenigstens einen ersten Bereich, der in der elektrochemischen Zelle einem elektrochemisch aktiven Bereich entspricht, wird die Blechdicke beim Schritt des Walzens im Vergleich zum wenigstens einen zweiten Bereich und/oder zum wenigstens einem dritten Bereich höher gewählt, um komplexe Umformgeometrien, wie z. B. für die kanalförmige Oberflächenstruktur, in dem wenigstens einen ersten Bereich realisieren zu können.
Anders formuliert basiert die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee darin, das Blech bzw. das Blechband für die Herstellung von Halbblechen für Bipolarplatten vorab gezielt mit lokalen Dickenunterschiedenzu versehen. Je dünner das Blechband im wenigstens einen zweiten Bereich und/oder wenigstens einen dritten Bereich gewalzt wird, desto höher sind die technischen Vorteile, wie etwa dessen geringere thermische Masse und Gewicht. Andersherum gilt, je dicker das Blechband im wenigstens einen ersten Bereich bereitgestelllt wird, desto einfacher und kostengünstiger ist die Umformung, um die kanalförmige Oberflächenstruktur in den wenigstens einen ersten Bereich einzubringen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Formänderungsvermögen“ eine Begrenzung der plastischen Formänderung, die ein Werkstoff oder ein Blechband ohne Rissbildung ertragen kann. Anders ausgedrückt bedeutet Formänderungsvermögen die Fähigkeit eines Werkstoffes oder Blechbandes, sich vor dem Bruch plastisch zu verformen.
Außerdem kann beim Verfahrensschritt Walzen ein Paar Walzen oder eine Walzpaarung verwendet werden, welche den wenigstens einen ersten Bereich und den wenigstens einen zweiten Bereich und/oder wenigstens einen dritten Bereich des Blechbandes walzen. Hierbei kann wenigstens eine Walze des Paares oder der Walzpaarung entlang ihres Umfangs wenigstens eine Vertiefung aufweisen. Diese Vertiefung dient dazu, den wenigstens einen ersten Bereich zu erstellen bzw. zu walzen. Dort, wo die Vertiefung auf das Blechband trifft, kann ein Mehr an Material des gewalzten Blechbandes angehäuft werden. Somit ist also der wenigstens eine erste Bereich des Blechbandes auf eine erste Blechdicke walzbar. Hingegen liegt dort, wo keine Vertiefung anzutreffen ist, ein Weniger an Material des gewalzten Blechbandes vor. Somit ist also der wenigstens eine zweite Bereich des Blechbandes auf eine geringere zweite Blechdicke walzbar.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass beim Verfahrensschritt Walzen der Achsabstand eines Paares Walzen oder einer Walzpaarung verändert wird. Dies ist z. B. hydraulisch und/oder elektromechanisch möglich. Somit kann also wenigstens eine Walze des Paares oder der Walzpaarung in ihrer relativen Position zur weiteren Walze des Paares oder der Walzpaarung verändert werden, um in wenigstens einem ersten Bereich des Blechbandes auf eine erste Blechdicke zu walzen und in wenigstens einem zweiten Bereich des Blechbandes auf eine zweite Blechdicke zu walzen. Zudem weist das Verfahren nach dem Walzen als weiteren Verfahrensschritt ein Einbringen einer kanalförmigen Oberflächenstruktur in den wenigstens einen ersten Bereich auf. Die kanalförmige Oberflächenstruktur dient dem homogenen Verteilen von Reaktanden und Fluiden in der elektrochemischen Zelle. Auch kann die kanalförmige Oberflächenstruktur ausgebildet sein, einen ersten Reaktanden, einen zweiten Reaktanden und/oder ein Kühlmittel von einem Zufluss zu einem Abfluss zu führen. Auf diese Weise kann eine elektrochemische Zelle mit mindestens einer Bipolarplatte optimal versorgt werden, sodass der Wirkungsgrad maximierbar ist. Beispielsweise kann das Einbringen einer kanalförmigen Oberflächenstruktur in den wenigstens einen ersten Bereich durch Prägen, Stanzen, Hydroforming oder Walzen z. B. vor dem Schritt des Schneidens erfolgen. Dabei wird die Oberflächenstruktur durch das Blech durchgeprägt, so dass sowohl die Oberseite wie auch die Unterseite des Blechs die Struktur abbildet.
Des Weiteren umfasst das Verfahren als weiteren Verfahrensschritt ein Schneiden des Blechbandes zur Abtrennung des Halbbleches von dem Blechband, wobei das Halbblech zumindest einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist. Das Schneiden des Blechbandes bringt also im Ergebnis einzelne Halbbleche zur Herstellung von Bipolarplatten hervor, die in einer elektrochemischen Zelle, wie einer Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellen-Stack eingesetzt werden können.
Außerdem kann das Schneiden ein Erstellen eines Fluidzuflusses oder Fluidabflusses, insbesondere eines Kühlmittelzuflusses und eines Kühlmittelabflusses und/oder eines Wasserstoffzuflusses und eines Wasserstoffabflusses und/oder eines Sauerstoffzuflusses und eines Sauerstoffabflusses, umfassen.
Des Weiteren können der wenigstens eine erste Bereich und der wenigstens eine zweite Bereich entlang einer Förderrichtung des Blechbandes abwechselnd oder in Förderrichtung zumindest abschnittsweise nebeneinander oder in Förderrichtung abschnittsweise nebeneinander oder hintereinander oder abschnittsweise hintereinander angeordnet sein. Dabei kann z. B. in Förderrichtung des Blechbandes auf einen ersten Bereich ein zweiter Bereich folgen, an welchen sich erneut ein erster Bereich anschließen kann. So kann ein zweiter Bereich unmittelbar auf einen ersten Bereich und/oder umgekehrt folgen. Es ist aber auch möglich, dass zwischen einem ersten und zweiten Bereich ein weiterer Bereich angeordnet ist, der den ersten Bereich und zweiten Bereich voneinander beabstandet.
Zudem kann das Blechband wenigstens einen dritten Bereich aufweisen. Auch kann das Blechband in dem wenigstens einem dritten Bereich des Blechbandes auf eine dritte Blechdicke gewalzt werden. Anders ausgedrückt, kann der wenigstens eine dritte Bereich des Blechbandes auf eine dritte Blechdicke gewalzt werden. Auch können der wenigstens eine dritte Bereich und der wenigstens eine zweite Bereich den wenigstens einen ersten Bereich zumindest teilweise begrenzen bzw. zumindest teilweise umranden bzw. zumindest teilweise eingrenzen bzw. zumindest teilweise umgeben. Der wenigstens eine dritte Bereich kann beispielsweise derart geformt sein, dass dieser eine Dichtung aufnehmen kann. Somit kann der wenigstens eine dritte Bereich auf eine dritte Blechdicke gewalzt werden, um eine Ebene für eine Dichtung zu erhalten bzw. zu schaffen.
Außerdem können der wenigstens eine zweite Bereich und der wenigstens eine dritte Bereich gleich dick ausgebildet sein. Dabei weisen die zweite Blechdicke und die dritte Blechdicke den gleichen Wert auf. Auch können die zweite Blechdicke und die dritte Blechdicke im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen. Der Ausdruck „im Wesentlichen den gleichen Wert“ kann in der vorliegenden Beschreibung so verstanden werden, dass die Blechdicken des zweiten Bereichs und dritten Bereichs dann als gleich anzusehen sind, wenn diese höchstens +/- 5 % in ihren Blechdicken voneinander abweichen. Das heißt bei „im Wesentlichen dem gleichen Wert“ beträgt die dritte Blechdicke zum Beispiel die zweite Blechdicke +/- 5 % der zweiten Blechdicke.
Ferner kann die zweite Blechdicke und/oder die dritte Blechdicke einen um mindestens 20 %geringeren Wert aufweisen als die erste Blechdicke. Anders ausgedrückt weist die erste Blechdicke einen deutlich höheren Wert auf als die zweite und/oder die dritte Blechdicke.
Optional kann das Verfahren ferner den Schritt eines Erfassens einer Lage der kanalförmigen Oberflächenstruktur in Bezug zu dem Blechband, beispielsweise in Bezug zu den Abmessungen des Blechbandes, mittels eines Sensors als Ausgangsbasis für das Schneiden des Blechbandes aufweisen. Somit können Fertigungstoleranzen, die beispielsweise beim Einbringen der kanalförmigen Oberflächenstruktur auftreten, kompensiert werden. Auf diese Weise kann das Schneiden an die Fertigungstoleranzen, beispielsweise an die Lage der kanalförmigen Oberflächenstruktur, angepasst werden.
Das Verfahren kann vor dem Einbringen einer kanalförmigen Oberflächenstruktur als weiteren Verfahrensschritt ein selektives oder partielles Weichglühen des Blechbandes umfassen, wobei beim Weichglühen der wenigstens der erste Bereich des Blechbandes gezielt und/oder durch zielgerichtetes Zuführen von Wärme und/oder durch gezieltes Zuführen von Wärme weichgeglüht wird und der wenigstens eine zweite Bereich und/oder der wenigstens eine dritte Bereich des Blechbandes davon ausgenommen oder ausgespart ist/wird . Alternativ oder zusätzlich können bei dem Verfahrensschritt des selektiven Weichglühens des Blechbandes der wenigstens eine erste Bereich des Blechbandes und der wenigstens eine zweite Bereich und/oder dritte Bereich des Blechbandes unterschiedlich oder verschieden wärmebehandelt werden. Anders formuliert kann bei dem Verfahrensschritt des selektiven Weichglühens des Blechbandes wenigstens dem ersten Bereich des Blechbandes mehr Wärmeenergie zugeführt werden als dem wenigstens einen zweiten Bereich und/oder dritten Bereich des Blechbandes. Das Mehr an Wärmeenergie kann z. B. eine längere Glühdauer und/oder eine größere Wärmeintensität umfassen. Im Ergebnis weisen der wenigstens eine erste und der wenigstens eine zweite Bereich und/oder der wenigstens eine dritte Bereich des Blechbandes voneinander verschiedene Formänderungsvermögen auf. Somit kann also die Wärmebehandlung des Blechbandes auf den wenigstens einen ersten Bereich konzentriert werden, in den eine kanalförmige Oberflächenstruktur zum Führen von Fluiden buw. Reaktanden dann mit einer hohen Prozesssicherheit einbringbar ist, ohne dass eine Rissbildung im Blech erfolgt. Somit kann von einer Wärmebehandlung des gesamten Blechbandes abgesehen werden, wodurch Energie zum Erwärmen eingespart werden kann. Folglich kann das vorgestellte Verfahren also die Herstellungskosten einer Bipolarplatte reduzieren. Darüber hinaus kann das vorgestellte Verfahren komplexere Umformgeometrien oder komplexere Geometrien für den wenigstens einen ersten Bereich realisieren.
Beim selektiven Weichglühen erfolgt das Zuführen von Energie überwiegend in den wenigstens einen ersten Bereich, wobei eine Zuführung von Energie in den wenigstens einen zweiten Bereich und/oder dritten Bereich geringer ausfällt bzw. unterbleibt. So ist eine Wärmebehandlungsdauer, mit der der wenigstens eine zweite und/oder dritte Bereich behandelt wird, und/oder eine Wärmeintensität, die auf den wenigstens einen zweiten Bereich und/oder dritten Bereich einwirkt, geringer im Vergleich zur Glühdauer, mit der der wenigstens eine erste Bereich weichgeglüht wird, und/oder weniger intensiv im Vergleich zur Wärmeintensität, die auf den wenigstens einen ersten Bereich einwirkt.
Das Weichglühen dient in der Regel dazu, z. B. Spannungen im Material bzw. im Blechband bzw. in dem wenigstens einen ersten Bereich des Blechbandes zu verringern und um das Formänderungsvermögen im Material bzw. im Blechband bzw. in dem wenigstens einen ersten Bereich zu steigern. So benötigt das Blechband in dem wenigstens einen ersten Bereich zum Einbringen einer Oberflächenstruktur ein höheres Formänderungsvermögen als im Vergleich zum wenigstens einem zweiten Bereich und/oder dritten Bereich, der keine Umformung oder Strukturierung erfahren soll oder in den keine Oberflächenstruktur eingebracht werden soll. Somit kann der wenigstens eine zweite Bereich und/oder dritte Bereich also ein geringeres Maß an Formänderungsvermögen aufweisen.
Anders formuliert basiert die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee darin, dass nicht alle Bereiche des Blechbandes das gleiche Formänderungsvermögen aufweisen müssen. Auch kann der wenigstens eine zweite Bereich und/oder dritte Bereich, der kaum oder überhaupt nicht umgeformt werden soll, geringfügiger, beispielsweise kürzer, oder überhaupt nicht wärmebehandelt werden. Auf diese Weise kann die benötigte Energie für das Weichglühen reduziert werden, da nicht mehr das gesamte Blechband erwärmt werden muss, sondern lediglich der wenigstens eine erste Bereich. Somit können Energie und Kosten eingespart werden.
Des Weiteren kann beim selektiven Weichglühen des Blechbandes der wenigstens eine erste Bereich des Blechbandes mit einer ersten Glühdauer und/oder mit einer ersten Wärmeintensität weichgeglüht und der wenigstens eine zweite und/oder dritte Bereich des Blechbandes mit einer zweiten Wärmebehandlungsdauer und/oder mit einer zweiten Wärmeintensität weichgeglüht werden. Dabei kann die erste Glühdauer bzw. die erste Wärmeintensität von der zweiten Wärmebehandlungsdauer bzw. zweiten Wärmeintensität verschieden sein. Somit kann jeder Bereich entsprechend eines gewünschten Formänderungsvermögens wärmebehandelt werden, wobei in Summe Energie eingespart werden kann. Beispielsweise kann die zweite Wärmebehandlungsdauer kürzer als die erste Glühdauer sein. Auch kann die zweite Wärmebehandlungsdauer bzw. die zweite Wärmeintensität die Hälfte oder 45 % oder 40 % der ersten Glühdauer bzw. der ersten Wärmeintensität betragen. Ferner kann die zweite Wärmeintensität weniger intensiv sein als die erste Wärmeintensität. Hierdurch wird erneut ersichtlich, dass Energie einsparbar ist.
Unter dem Begriff "Wärmeintensität“ bzw. „Intensität“ kann die „Bestrahlungsstärke“ (auch Strahlungsflussdichte, veraltet: Strahlungsstromdichte) verstanden werden. „Wärmeintensität“ bzw. „Bestrahlungsstärke“ kann der Begriff für die gesamte Leistung eingehender elektromagnetischer Energie sein, die auf eine Oberfläche (z. B. auf den wenigstens einen ersten Bereich und/oder auf den wenigstens einen zweiten Bereich und/oder auf den wenigstens einen dritten Bereich) trifft, bezogen auf die Größe der Fläche.
Das selektive Weichglühen bzw. eine lokale Wärmebehandlung kann zum Beispiel in einem Durchlaufofen erfolgen. Durch das Weichglühen kann die Umformbarkeit des Blechbandes lokal verbessert werden.
Des Weiteren kann beim selektiven Weichglühen durch eine Steuereinrichtung die erste und/oder die zweite Wärmebehandlungsdauer und/oder die erste und zweite Wärmeintensität in Sektionen eines Durchlaufofens in Abhängigkeit von der Fördergeschwindigkeit und der Position des wenigstens einen ersten und des wenigstens einen zweiten und/oder dritten Bereichs z. B. selektiv gesteuert werden. Dazu kann der Durchlaufofen mehrere Wärmeeinheiten, wie z. B. Strahler, die z. B. elektrische Energie in Wärme wandeln, und/oder Düsen, die z. B. mittels Gas Wärme erzeugen, aufweisen. Die Wärmeeinheiten können in einer Matrix oder in einem Raster, z. B. oberhalb und/oder beabstandet zum Blechband, angeordnet sein. Die Steuereinrichtung kann die Wärmeeinheiten entsprechend der Fördergeschwindigkeit und der Position des wenigstens einen ersten Bereichs und des wenigstens einen zweiten Bereichs und/oder dritten Bereichs an- und ausschalten und/oder kann diese in ihrer Dauer und/oder Intensität hinsichtlich der Erzeugung von Wärme regeln. Bevorzugt ist das Blechband aus dem Werkstoff Edelstahl gebildet, welcher beschichtet sein kann. Alternativ kann das Blechband aus dem Werkstoff Titan oder einer Titanlegierung gebildet sein. Alternativ sind auch andere Metalllegierungen einsetzbar.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Bipolarplatte umfassend zwei miteinander stoffschlüssig verbundene, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Halbbleche.
Die oben unter dem ersten Aspekt der Erfindung genannten Merkmale betreffend das Verfahren können auch hier unter dem zweiten Aspekt der Erfindung mit weiteren Merkmalen kombiniert werden.
Die Bipolarplatte weist auf jedem der Halbbleche einen elektrochemisch aktiven Bereich auf, welcher dem wenigstens einen ersten Bereich der beiden Halbbleche entspricht. Auf jedem Halbblech befinden sich weiterhin insbesondere mindestens zwei Verteilerbereiche, welche dem wenigstens einen zweiten Bereich entsprechen, zur Zu- und Ableitung von Fluiden, wie Reaktionsgasen und/oder Reaktanden und/oder Kühlmittel. Ferner kann die Bipolarplatte derart ausgebildet sein, dass diese separate Kanäle für Fluide wie Reaktionsgase und/oder Reaktanden und für ein Kühlmittel aufweist.
Zudem können Anschlüsse für Fluide, wie Reaktionsgase und/oder für Reaktanden und/oder für das Kühlmittel, mit den Verteilerbereichen verbunden sein.
Beispielsweise kann die Bipolarplatte Verteilerstrukturen zum Führen von Fluiden, wie Kühlmittel, umfassen, wobei das Kühlmittel im Fall einer Brennstoffzelle in der Regel zwischen zwei miteinander verschweißen Halbblechen einer Bipolarplatte geführt wird. Diese Verteilerstrukturen können als Kanäle ausgebildet sein, wodurch das Kühlmittel leitbar ist und eine Kühlung eines Brennstoffzellenstapels erfolgt. Auf der Anodenseite einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle erfolgt insbesondere die Verteilung des Brennstoffes (z. B. Wasserstoffes) und auf der Kathodenseite erfolgt insbesondere die Verteilung von Luft/Sauerstoff.
Die Bipolarplatte kann eine kanalförmige Oberflächenstruktur aufweisen, wobei diese als offene rinnenartige Kanalstruktur ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann die Bipolarplatte Verteilerstrukturen zum Führen von Fluiden, wie Kühlmittel, umfassen. Diese Verteilerstrukturen können als Kanäle ausgebildet sein, wodurch das Kühlmittel leitbar ist und eine Kühlung eines Brennstoffzellenstapels erfolgt. Auf der Anodenseite einer Bipolarplatte erfolgt insbesondere die Verteilung des Brennstoffes (z. B. Wasserstoffes) und auf der Kathodenseite erfolgt insbesondere die Verteilung von Luft/Sauerstoff.
Darüber hinaus kann die Bipolarplatte zwei dritte Bereiche aufweisen. Die zwei dritten Bereiche können an zwei gegenüberliegenden Seiten des wenigstens einen ersten Bereichs angeordnet sein, sodass diese zusammen mit zwei zweiten Bereichen den wenigstens einen ersten Bereich begrenzen. Der dritte Bereich kann beispielsweise derart geformt sein, dass er eine Dichtung aufnehmen kann.
Generell kann für die Bipolarplatte festgehalten werden, dass mit dieser, z. B. in Fahrzeugen, Wasserstoff (H2) mit Sauerstoff (02) aus der Luft zu Wasser umgesetzt werden kann. Die Bipolarplatte spielt dabei die zentrale Rolle. Sie kann strukturell als Trägerplatte dienen und die beiden Pole der Brennstoffzelle bilden - die H2 führende Anodenplatte und die Kathodenplatte für die O2-Zuführung.
Dabei kann die Bipolarplatte diverse Aufgaben erfüllen, wie eine gleichmäßige Verteilung der Fluide und Reaktionsgase bzw. Reaktanden (H2 und 02), eine Zuleitung der Gase zu einer Katalysatorschicht, einen Abtransport des anfallenden Reaktionswassers, eine Weiterleitung des aus der Reaktion resultierenden Stroms und ein effizientes Abführen der Reaktionswärme.
Bei der elektrokatalytischen Umwandlung des Wasserstoffs entsteht in der Regel Produktwasser und - wie schon erwähnt - fällt Wärme an. Beides kann über die Bipolarplatte aus einer Brennstoffzelle abgeleitet werden.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle, umfassend wenigstens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Merkmale des Verfahrens zur Herstellung eines Halbbleches einer Bipolarplatte und/oder die Merkmale der Bipolarplatte, wie sie unter dem zweiten Aspekt erwähnt werden, einzeln oder miteinander kombinierbar bei der elektrochemischen Zelle Anwendung finden können. Anders ausgedrückt, die oben unter dem ersten und/oder zweiten Aspekt der Erfindung genannten Merkmale können auch hier unter dem dritten Aspekt der Erfindung mit weiteren Merkmalen kombiniert werden.
Nachfolgend wird der oben dargestellte Erfindungsgedanke nochmals und ergänzend mit anderen Worten ausgedrückt.
Dieser Gedanke betrifft - vereinfacht dargestellt - ein Verfahren zur Herstellung eines Halbbleches einer Bipolarplatte unter Einbringung gezielter Dickenunterschiede innerhalb eines verwendeten Blechs.
Umso dünner das Ausgangsmaterial, beispielsweise ein Blechband, für ein Halbblech einer Bipolarplatte, desto geringer die Kosten und desto höher die technischen Vorteile (wie z. B. hinsichtlich thermischer Masse, etc.). Umso dicker das Ausgangsmaterial, desto einfacher und kostengünstiger gestaltet sich eine Umformung des Blechs.
Das Blech für die Fertigung von Halbblechen für Bipolarplatten kann gezielt vorab mit Dickenunterschieden, also zumindest mit einer einheitlichen ersten Blechdicke im wenigstens einen ersten Bereich und mit einer einheitlichen zweiten Blechdicke im wen- digstens einen zweiten Bereich, versehen werden.
In Bereichen, die einer geringen Umformung (z. B. in wenigstens einem zweiten und/oder dritten Bereich des Blechbandes) unterworfen werden sollen, kann die Blechdicke reduziert werden. In einem Bereich, der eine komplexe Kanalstruktur bzw. für eine kanalförmige Oberflächenstruktur (hier in dem wenigstens einen ersten Bereich des Blechbandes) erhalten soll, wird die Blechdicke höher gewählt, um die komplexeren Umformgeometrien rissfrei realisieren zu können.
Entlang einer Dichtung, beispielsweise in wenigstens einem dritten Bereich des Blechbandes, kann das Material ebenfalls ausgedünnt werden, um eine Ebene für die Dichtung zu erhalten.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte kann in einer elektrochemischen Zelle, wie beispielsweise in einer Brennstoffzelle, einem Elektrolyseur oder einer Redox-Flow-Bat- terie, zur Anwendung kommen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen schematisch: Fig. 1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur
Herstellung eines Halbbleches einer Bipolarplatte;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht auf einen Teil eines
Blechbandes nach Verfahrensschritt V1 ;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf ein Halbblech;
Fig. 4 eine dreidimensionale Ansicht einer Bipolarplatte; und
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer elektrochemischen Zelle.
In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Gegenstände verwendet.
Figur 1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbbleches 1 einer Bipolarplatte 1 ' (vergleiche Figur 4), wobei Figur 2 eine schematische Schnittansicht auf einen Teil eines Blechbandes B nach dem Verfahrensschritt V1 zeigt. Der Einfachheit und Kürze halber werden nachstehend die Figuren 1 und 2 gemeinsam beschrieben.
So zeigt Figur 1 , dass das Verfahren beispielsweise einen kontinuierlichen Prozess darstellt, wobei ein Blechband B entlang einer Förderrichtung F gefördert wird.
Ferner zeigt Figur 1 , dass das Verfahren als einen ersten Verfahrensschritt ein Walzen V1 eines Blechbandes B bzw. einer Blechtafel aufweist. Beispielhaft wird das Blechband vor dem Walzen V1 von einer Blechrolle, auch Coil genannt, abgewickelt.
Dabei wird in wenigstens einem ersten Bereich 2 des Blechbandes B auf eine gleichmäßige erste Blechdicke d1 gewalzt und in wenigstens einem zweiten Bereich 3 des Blechbandes B auf eine gleichmäßige zweite Blechdicke d2 gewalzt. Dabei werden jeweils ebene Bereiche derart, dass eine Oberseite und Unterseite des Blechbandes im heweiligen Bereich parallel verlaufen. Gemäß Figur 2 ist die erste Blechdicke d1 größer als die zweite Blechdicke d2. Somit weisen der wenigstens eine erste Bereich 2 und der wenigstens eine zweite Bereich 3 voneinander verschiedene Blechdicken d1 , d2 und auch verschiedene Formänderungsvermögen auf. Dadurch kann in den wenigstens einen ersten Bereich 2 eine kanalförmige Oberflächenstruktur 5 zum Führen von Fluiden und Reaktanden, wie z. B. Wasserstoff und/oder Sauerstoff, einfach und mit einer hohen Prozesssicherheit eingebracht werden, ohne dass eine Rissbil- dung stattfindet.
Das Walzen V1 stellt also entlang der Förderrichtung F des Blechbandes B unterschiedliche Blechdicken d1 , d2 bereit. Dabei werden der wenigstens eine erste Bereich 2 und der wenigstens eine zweite Bereich 3 entlang der Förderrichtung F des Blechbandes B abwechselnd gewalzt, um eine erste Blechdicke d1 und eine zweite Blechdicke d2 für den wenigstens einen ersten Bereich 2 bzw. den wenigstens einen zweiten Bereich 3 zu realisieren. D.h., es kann zuerst ein erster Bereich 2 und danach ein zweiter Bereich 3 gewalzt werden. Es ist aber auch möglich, beide Bereiche 2, 3 mit einer Walze bzw. in einem Walzvorgang herzustellen.
Wie Figur 1 ferner zeigt, sind der wenigstens eine erste Bereich 2 und der wenigstens eine zweite Bereich 3 entlang der Förderrichtung F des Blechbandes B abwechselnd oder in Förderrichtung abschnittsweise hintereinander angeordnet. Dabei folgt also z. B. in Förderrichtung F des Blechbandes B auf einen ersten Bereich 2 ein zweiter Bereich 3, an welchen sich erneut ein erster Bereich 2 anschließt. So folgt ein zweiter Bereich 3 unmittelbar auf einen ersten Bereich 2 und umgekehrt.
Unter Bezugnahme auf das Halbblech 1 in Figur 3 wird ersichtlich, dass das Blechband B wenigstens einen dritten Bereich 4 aufweist. Dabei wird der wenigstens eine dritte Bereich 4 des Blechbandes B auf eine dritte Blechdicke d3 gewalzt. Konkret begrenzen bzw. umranden zwei dritte Bereiche 4 und zwei zweite Bereich 3 einen ersten Bereich 2. Der wenigstens eine dritte Bereich 4 bzw. die zwei dritten Bereiche 4 ist/sind ferner derart geformt, dass dieser eine Dichtung aufnehmen kann. Somit ist der wenigstens eine dritte Bereich 4 bzw. die zwei dritten Bereiche 4 auf eine dritte Blechdicke d3 gewalzt, um eine Ebene für eine Dichtung zu schaffen.
Die zweite Blechdicke d2 und die dritte Blechdicke d3 weisen im Wesentlichen den gleichen Wert auf. D.h., dass die Blechdicken d2, d3 des zweiten Bereichs 3 und des dritten Bereichs 4 dann als gleich anzusehen sind, wenn diese höchstens +/- 5 % in ihren Blechdicken voneinander abweichen. Des Weiteren weisen die zweite Blechdicke d2 und die dritte Blechdicke d3 einen geringeren Wert auf als die erste Blechdicke d1 . Anders ausgedrückt hat die erste Blechdicke d1 einen höheren Wert als die zweite und die dritte Blechdicke d2, d3.
Zudem weist das Verfahren gemäß Figur 1 nach dem Walzen als weiteren Verfahrensschritt V2 ein Einbringen einer kanalförmigen Oberflächenstruktur 5 in den wenigstens einen ersten Bereich 2 auf. Die kanalförmige Oberflächenstruktur 5 dient dem homogenen Verteilen von Fluiden. Genau genommen ist die kanalförmige Oberflächenstruktur 5 ausgebildet, einen ersten Reaktanden, einen zweiten Reaktanden und ein Kühlmittel von einem Zufluss zu einem Abfluss zu führen. Auf diese Weise kann eine elektrochemische Zelle, wie eine Brennstoffzelle, umfassend eine oder mehrere Bipolarplatten 1 ', hergestellt aus zwei stoffschlüssige miteinander verbundenen Halbblechen 1 , die gemäß dem hier vorgestellten Verfahren gebildet wurden, optimal mit Reaktanden und/oder Kühlmittel versorgt werden, sodass der Wirkungsgrad der elektrochemischen Zelle maximierbar ist. Beispielsweise kann das Einbringen V2 einer kanalförmigen Oberflächenstruktur 5 in den wenigstens einen ersten Bereich 2 durch Prägen, Stanzen, Hydroforming oder Walzen erfolgen. Aufgrund der üblicherweise geringen Blechdicke des Blechbandes von kleiner 1 mm wird die Kanalstruktur auf der Oberseite und Unterseite des Blechbandes ausgebildet.
Das Verfahren kann als optionalen Schritt ein Erfassen einer Lage der kanalförmigen Oberflächenstruktur 5 in Bezug zu den Abmessungen des Blechbandes B mittels eines Sensors als Ausgangsbasis für das Schneiden des Blechbandes B aufweisen. Somit können Fertigungstoleranzen, die beispielsweise beim Einbringen V2 der kanalförmigen Oberflächenstruktur 5 auftreten, kompensiert werden.
Beim Schneiden wird ein Halbblech 1 von dem Blechband B abgetrennt, wobei das Halbblech 1 zumindest einen ersten und einen zweiten Bereich 2, 3 umfasst. Das Schneiden des Blechbandes B bringt also im Ergebnis einzelne Halbbleche 1 hervor.
Darüber hinaus umfasst das Schneiden ein Erstellen eines Fluidzuflusses und Fluidabflusses, insbesondere eines Kühlmittelzuflusses 6 und Kühlmittelabflusses 7, eines Wasserstoffzuflusses 8 und Wasserstoffabflusses 11 sowie eines Sauerstoffzuflusses 9 und Sauerstoffabflusses 10. Im Ergebnis kann das vorgestellte Verfahren die Herstellungskosten eines Halbbleches 1 einer Bipolarplatte 1 ' reduzieren. Darüber hinaus kann das vorgestellte Verfahren eine Realisierung komplexerer Umformgeometrien oder komplexerer Geometrien im ersten Bereich 2 ermöglichen. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann in Bereichen, in denen eine geringe Umformung vorgenommen wird, wie z. B. in den zweiten Bereichen 3, die Blechdicke d2 durch den Schritt des Walzens V1 auf ein Minimum reduziert. Im ersten Bereich 2 wird die Blechdicke d1 beim Schritt des Walzens im Vergleich zu den zweiten Bereichen 3 höher gewählt, um komplexe Umformgeometrien, wie z. B. für eine kanalförmige Oberflächenstruktur 5, in dem ersten Bereich 2 rissfrei realisieren zu können.
Optional kann vor dem Einbringen V2 als weiterer Verfahrensschritt ein selektives Weichglühen des Blechbandes B durchgeführt werden.
Bei dem selektiven Weichglühen kann der wenigstens eine erste Bereich 2 des Blechbandes B gezielt oder durch gezieltes Zuführen von Wärme weichgeglüht werden. Der wenigstens eine zweite Bereich 3 und der wenigstens eine dritte Bereich 4 des Blechbandes B können davon ausgenommen oder ausgespart werden. Dadurch können in den Bereichen 2, 3, 4 voneinander verschiedene Formänderungsvermögen erzeugt werden. Somit kann also die Wärmebehandlung des Blechbandes B auf den wenigstens einen ersten Bereich 2 konzentriert werden, in den eine kanalförmige Oberflächenstruktur 5 zum Führen von Fluiden einfach und mit einer hohen Prozesssicherheit einbringbar ist.
In der Folge kann von der Wärmebehandlung des gesamten Blechbandes B abgesehen werden, wodurch Energie zum Erwärmen eingespart werden kann. Folglich kann das vorgestellte Verfahren also die Herstellungskosten eines Halbbleches 1 einer einer Bipolarplatte 1 ' reduzieren. Darüber hinaus können durch das vorgestellte Verfahren komplexere Umformgeometrien oder komplexere Geometrien in dem wenigstens einen ersten Bereich 2 realisiert werden.
Konkret kann beim selektiven Weichglühen des Blechbandes B der wenigstens eine erste Bereich 2 mit einer ersten Glühdauer oder mit einer ersten Wärmeintensität weichgeglüht und der wenigstens eine zweite Bereich 3 und dritte Bereich 4 mit einer zweiten Wärmebehandlungsdauer oder mit einer zweiten Wärmeintensität beaufschlagt. Die erste Glühdauer bzw. die erste Wärmeintensität ist von der zweiten Wärmebehandlungsdauer bzw. zweiten Wärmeintensität verschieden. Somit kann jeder Bereich entsprechend eines gewünschten Formänderungsvermögens wärmebehandelt werden, wobei in Summe Energie eingespart werden kann. Hierbei ist die zweite Wärmebehandlungsdauer kürzer als die erste Glühdauer bzw. ist die zweite Wärmeintensität weniger intensiv als die erste Wärmeintensität.
Das selektive Weichglühen kann dabei in einem Durchlaufofen erfolgen. Durch das Weichglühen kann die Umformbarkeit des Blechbandes B lokal verbessert werden.
Ferner kann beim selektiven Weichglühen durch eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) die erste Glühdauer und zweite Wärmebehandlungsdauer oder die erste und zweite Wärmeintensität in Sektionen des Durchlaufofens in Abhängigkeit von der Fördergeschwindigkeit und der Position des wenigstens einen ersten Bereichs 2 und des wenigstens einen zweiten Bereichs 3 und dritten Bereichs 4 selektiv gesteuert werden. Dazu kann der Durchlaufofen mehrere Wärmeeinheiten, wie z. B. Strahler, die z. B. elektrische Energie in Wärme wandeln, und/oder Düsen, die z. B. mittels Gas Wärme erzeugen, aufweisen. Die Wärmeeinheiten können in einer Matrix oder in einem Raster angeordnet sein. Die Steuereinrichtung kann die Wärmeeinheiten entsprechend der Fördergeschwindigkeit und der Position des wenigstens einen ersten Bereichs 2 und des wenigstens einen zweiten Bereichs 3 und des wenigstens einen dritten Bereichs 4 anschalten und ausschalten oder kann diese in ihrer Dauer und Intensität hinsichtlich der Erzeugung von Wärme regeln.
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht des Blechbandes B nach dem Verfahrensschritt V1 mit einer Schnittrichtung parallel zur Förderrichtung F.
Das gewalzte Blechband B umfasst einen ersten Bereich 2 und zwei zweite Bereiche 3. Der erste Bereich 2 weist eine erste Blechdicke d1 und jeder zweite Bereich 3 eine zweite Blechdicke d2 auf. Wie in Figur 2 angedeutet ist, ist die zweite Blechdicke d2 geringer als die erste Blechdicke d1 .
Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Halbblech 1 aus Figur 1 .
So ist zu erkennen, dass das Halbblech 1 zwei dritte Bereiche 4 aufweist. Die dritten Bereiche 4 weisen eine dritte Blechdicke d3 auf. Die dritte Blechdicke d3 ist gleich der zweiten Blechdicke d2. Der erste Bereich 2 ist hier zentral in Bezug zu dem Halbblech 1 angeordnet und bildet einen, in einer elektrochemischen Zelle elektrochemisch aktiven Bereich aus. Dabei sind beispielhaft zwei zweite Bereiche 3 sowie zwei dritte Bereiche 4 jeweils an gegenüberliegenden Seiten des ersten Bereichs 2 angeordnet. Die kanalförmige Oberflächenstruktur 5 erstreckt sich zwischen den zwei zweiten Bereichen 3 und den zwei dritten Bereichen 4.
Anders geschildert zeigt Figur 3, dass das Halbblech 1 zwei dritte Bereiche 4 aufweist. Die zwei dritten Bereiche 4 sind an zwei gegenüberliegenden Seiten des ersten Bereichs 2 angeordnet, sodass sie zusammen mit den zwei zweiten Bereichen 3 den ersten Bereich 2 begrenzen. Die dritten Bereiche 4 sind beispielsweise derart geformt, dass diese je eine Dichtung aufnehmen können. Die dritten Bereiche 4 weisen eine dritte Blechdicke d3 auf, welche hier den gleichen Wert hat wie die zweite Blechdicke d2.
Darüber hinaus sind in Figur 3 Fluidzuflüsse und Fluidabflüsse, hier ein Kühlmittelzufluss 6, ein Kühlmittelabfluss 7, ein Wasserstoffzufluss 8, ein Wasserstoffabfluss 11 , ein Sauerstoffzufluss 9 und ein Sauerstoffabfluss 10 in den zwei zweiten Bereichen 3 dargestellt. Andere Anordnungen oder Kombinationen der Zu- bzw. Abflüsse sind ebenfalls denkbar.
So ist das Halbblech 1 also derart ausgebildet, dass dieses Kanäle für Reaktionsgase und/oder für Reaktanden und/oder für ein Kühlmittel aufweist.
Wie schon erläutert, weist das Halbblech 1 eine kanalförmige Oberflächenstruktur 5 auf, wobei diese als offene rinnenartige Kanalstruktur ausgebildet ist. Zur Ausbildung einer Bipolarplatte 1 ' (vergleiche Figur 4) werden zwei Halbbleche 1 derart übereinander angeordnet und stoffschlüssig miteinander verbunden, dass durch die Kanalstrukturen bzw. durch die kanalförmige Oberflächenstruktur 5 zwischen den beiden Halbblechen 1 durchströmbare Kühlmittelkanäle ausgeformt werden.
Allgemein festgehalten kann eine Bipolarplatte 1 ' diverse Aufgaben erfüllen, wie z. B. eine gleichmäßige Verteilung der Fluide in einer elektrochemischen Zelle, eine Zuleitung der Fluide zu einer Katalysatorschicht, einen Abtransport des anfallenden Reaktionswassers, eine Weiterleitung des aus der Reaktion resultierenden Stroms und ein effizientes Abführen der Reaktionswärme. Figur 4 zeigt eine dreidimensionale schematische Ansicht einer Bipolarplatte 1 ' umfassend zwei miteinander stoffschlüssig verbundene Halbbleche 1. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 3 kennzeichnen gleiche Elemente. Figur 5 zeigt eine schematische dreidimensionale Ansicht einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer Brennstoffzelle 20, umfassend zwei Bipolarplatten 1 ' gemäß Figur 4 und eine zwischen den beiden Bipolarplatten 1 ' angeordnete Membran-Elekt- roden-Einheit 13. Durch Aufstapeln weiterer Membran-Elektroden-Einheiten 13 und Bipolarplatten 1 ' entsteht ein Brennstoffzellen-Stack 100 umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellen 20.
Bezuqszeichenliste
1 Halbblech r Bipolarplatte
2 erster Bereich
3 zweiter Bereich
4 dritter Bereich
5 kanalförmige Oberflächenstruktur
6 Kühlmittelzufluss
7 Kühlmittelabfluss
8 Wasserstoffzufluss
9 Sauerstoffzufluss
10 Sauerstoffabfluss
11 Wasserstoffabfluss
13 Membran-Elektroden-Einheit
20 Brennstoffzelle
100 Brennstoffzellen-Stack d1 erste Blechdicke d2 zweite Blechdicke d3 dritte Blechdicke
V1 Walzen
V2 Einbringen einer kanalförmigen Oberflächenstruktur

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Halbbleches (1 ) einer Bipolarplatte (1 '), umfassend die Schritte:
- Walzen (V1 ) eines Blechbandes (B),
- wobei in wenigstens einem ersten Bereich (2) des Blechbandes (B) auf eine einheitliche erste Blechdicke (d1 ) gewalzt wird und in wenigstens einem zweiten Bereich (3) des Blechbandes (B) auf eine einheitliche zweite Blechdicke (d2) gewalzt wird,
- wobei die erste Blechdicke (d1 ) größer als die zweite Blechdicke (d2) ausgebildet wird und der erste Bereich (2) und der zweite Bereich (3) jeweils eben ausgebildet werden,
- Einbringen (V2) einer kanalförmigen Oberflächenstruktur (5) in den wenigstens einen ersten Bereich (2),
- Schneiden des Blechbandes (B) zur Abtrennung des Halbbleches (1 ) von dem Blechband (B), wobei das Halbblech (1 ) zumindest einen ersten Bereich (2) und einen zweiten Bereich (3) aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
- wobei der wenigstens eine erste Bereich (2) und der wenigstens eine zweite Bereich (3) entlang einer Förderrichtung (F) des Blechbandes (B) abwechselnd oder abschnittsweise hintereinander angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
- wobei die zweite Blechdicke (d2) einen um mindestens 20 % geringeren Wert aufweist als die erste Blechdicke (d1 ).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei das Blechband (B) wenigstens einen dritten Bereich (4) aufweist,
- wobei das Blechband (B) in dem wenigstens einem dritten Bereich (4) des Blechbandes (B) auf eine dritte Blechdicke (d3) gewalzt wird, und wobei der wenigstens eine dritte Bereich (4) und der wenigstens eine zweite Bereich (3) den wenigstens einen ersten Bereich (2) zumindest teilweise begrenzen.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
- wobei die zweite Blechdicke (d2) und die dritte Blechdicke (d3) im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei das Einbringen (V2) der kanalförmigen Oberflächenstruktur (5) in den wenigstens einen ersten Bereich (2) durch Prägen, Stanzen, Hydroforming oder Walzen erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei das Schneiden ein Erstellen eines Fluidzuflusses und eines Fluidabflusses, insbesondere eines Kühlmittelzuflusses (6) und eines Kühlmittelabflusses (7) und/oder eines Wasserstoffzuflusses (8) und eines Wasserstoffabflusses (11 ) und/oder eines Sauerstoffzuflusses (9) und eines Sauerstoffabflusses (10), umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei das Verfahren vor dem Einbringen (V2) der kanalförmigen Oberflächenstruktur (5) als weiteren Verfahrensschritt ein selektives Weichglühen des Blechbandes (B) aufweist, bei dem der wenigstens eine erste Bereich (2) des Blechbandes (B) gezielt weichgeglüht wird und wenigstens der zweite Bereich (3) des Blechbandes (B) vom gezielten Weichglühen ausgenommen ist, sodass der wenigstens eine erste (2) und der wenigstens eine zweite Bereich (3) voneinander verschiedene Formänderungsvermögen aufweisen.
9. Bipolarplatte (1 '), umfassend zwei miteinander stoffschlüssig verbundene Halbbleche (1 ), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
10. Elektrochemische Zelle, insbesondere Brennstoffzelle (20), mit wenigstens einer Bipolarplatte (1 ') nach Anspruch 9.
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