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WO2021008956A1 - Method for producing a distributor structure - Google Patents

Method for producing a distributor structure Download PDF

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Publication number
WO2021008956A1
WO2021008956A1 PCT/EP2020/069205 EP2020069205W WO2021008956A1 WO 2021008956 A1 WO2021008956 A1 WO 2021008956A1 EP 2020069205 W EP2020069205 W EP 2020069205W WO 2021008956 A1 WO2021008956 A1 WO 2021008956A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
roller
material connection
separator
anode structure
welding
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/069205
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Franz Wetzl
Volker Henrichs
Friedrich Kneule
Arne Stephen FISCHER
Andreas Burghardt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2021008956A1 publication Critical patent/WO2021008956A1/en

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206Metals or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0254Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form corrugated or undulated
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • HELECTRICITY
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    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0271Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • HELECTRICITY
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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0297Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a
  • Distribution structure in particular a bipolar plate for a fuel cell, made up of several components arranged in a stack.
  • Fuel cells are electrochemical energy converters in which hydrogen (H2) and oxygen (O2) are converted into water (H2O), electrical energy and heat.
  • the unit of H2, air and coolant distributor with a separator plate in between is called a bipolar plate.
  • a stack of several bipolar plates with proton-conducting membranes and other layers such as electrode and catalyst layers in between forms a stack.
  • the reaction gases H2 and O2 in the air and the cooling liquid flow parallel to the membrane, while the electrical current flows perpendicular to the membrane from the anode to the cathode of the neighboring cell through the bipolar plate. The ohmic losses occurring within the
  • Bipolar plates are made by the electrical resistance of the material, which is carbon or metal, as well as by the contact resistances at the interfaces between the gas-carrying structures and the
  • the ohmic resistance losses within the fuel cell are to be minimized. This can be done, for example, in that contact surfaces are coated in order to, in the case of the superimposed, in
  • US Pat. No. 7,770,394 B2 relates to fuel cells bonded directly or provided with a continuous metallic bond.
  • Fuel cell module as well as certain integral joining processes such as electron beam welding, laser welding and ultrasonic welding and the like. Presentation of the invention
  • a method for producing a distributor structure, in particular a bipolar plate for a fuel cell, the following method steps being carried out according to the method: a) arranging, positioning and fixing at least one anode structure and at least one cathode structure in a stacked arrangement and b) creating a first cohesive one Connection to electrical
  • the solution proposed according to the invention provides a method which produces an electrical connection between the metallic cathode structure, separator and anode structure, with a very low electrical resistance being established. Furthermore, such electrical contact can be made in a very short cycle time, so that it can be used in series production.
  • the first material connection can be produced by means of roller seam welding or spot welding.
  • Laser welding can be generated as a seal between the anode structure and the separator.
  • roller seam welding to form the first material connection, a first roller on an upper side and a counterholder, for example a second roller or a welding table or plate, on a lower side of the stacked arrangement, is used to produce a first roller on an upper side and a counterholder, for example a second roller or a welding table or plate, on a lower side of the stacked arrangement, is used to produce a first roller on an upper side and a counterholder, for example a second roller or a welding table or plate, on a lower side of the stacked arrangement, is used to produce a first roller on an upper side and a counterholder, for example a second roller or a welding table or plate, on a lower side of the stacked arrangement, is used to produce a first roller on an upper side and a counterholder, for example a second roller or a welding table or plate, on a lower side of the stacked arrangement, is used to produce a first roller on an upper side and a counterholder, for example a second roller or a welding table or plate, on
  • the counterholder not only functions as an electrode, but also serves, for example, as a plate, for better Contact pressure distribution and for better distribution of the electrical flow.
  • the roller seam welding can be carried out using a sacrificial wire.
  • Roller seam welding can be generated or there can be several first
  • Cohesive connections are produced as cohesive point connections at the same time by means of spot welding. Simultaneous formation of several first material connections, d. H. electrical contact accelerates the cycle time.
  • a first roller runs on the top of the stacked arrangement in embossed channels of the anode structure, with a channel width of the embossed channels
  • Roll width exceeds the first roll. This allows the
  • a counter holder is provided on the underside, with a width that supports the cathode structure along at least one channel width of the embossed channels in the anode structure. A deformation of the cathode structure can thereby be effectively avoided, so that the electrical resistance is not adversely affected.
  • the distributor structure is formed from the anode structure, separator and cathode structure, the
  • Cathode structure can have a porosity> 80% and during the production of the first material connection, the electrical energy is concentrated below the first role, since there is a local welding of
  • Anode structure, separator and cathode structure results, with the cathode structure in particular remaining in the undeformed state.
  • either the stacked arrangement of anode structure, separator and cathode structure can be moved relative to the rollers serving as electrodes, or it can alternatively, the rollers serving as electrodes are moved relative to a stationary stacked arrangement, so that both kinematic variants would be possible in the method proposed according to the invention.
  • a material connection would lead to a shorter cycle time and thus to a higher throughput in series production.
  • the first integral connections that have already been made - designed as longitudinal seams between the components of the stacked arrangement - can hold the anode structure, the separator and the cathode structure in position for electrical contacting.
  • a separate clamping device can therefore be omitted when carrying out the method proposed according to the invention.
  • the channels in which the first material connection is produced are provided with either curved channel walls and / or widened attachment areas.
  • the method proposed according to the invention can also be used in designs without foamed cathode structures; structures made only from sheet metal could also be joined to one another.
  • the invention relates to the use of the method according to one of the claims for making electrical contact and for sealing the anode structure, separator and cathode structure of a distributor structure, in particular a bipolar plate for fuel cell stacks.
  • the method proposed according to the invention makes it possible to use the components of a distributor structure, in particular a bipolar plate, namely a cathode structure, a separator and an anode structure one operation of resistance welding, in particular over
  • Welding points are variable and can be adapted to the design of the distribution structure, a bipolar plate. Furthermore, with the method proposed according to the invention there is the possibility of producing a plurality of weld seams or weld points in parallel in order to achieve a short cycle time, in particular in series production. Also one
  • the cooling channels can optionally be sealed in
  • the stacked arrangement is arranged, for example, between an upper and a lower roller, the upper roller running in embossed channels of the anode structure. It is possible to reduce the wear and tear on the first roller on top by using a sacrificial wire.
  • the lower of the two rollers is at
  • Roller seam welding is designed to be wider than the upper one and, in particular, is wide enough that deformation of the cathode structure is excluded. Due to the cathode structure, in particular with a porosity of> 80%, the electrical energy is concentrated below the upper roller, whereby a local welding of all three components, namely the anode structure, the separator and the cathode structure, is carried out.
  • the total electrical resistance of a structure, especially a bipolar plate increases with the number of welds. A distance from weld seam to weld seam of approx. 10 mm is sufficient for the electrical
  • rollers are provided on the outer sides of the distributor structure in order to press the anode structure and the separator against one another along their length.
  • the sealing welds also help improve the electrical connection.
  • the material-locking seams described for the electrical contact or for sealing can be produced at the same time or can be produced one after the other. For example, first the material connection for sealing and then the electrical contacting of the cathode structure with the anode structure and the separator.
  • Seals are advantageously produced in the laser welding process, the first material connections, which were previously executed, for example, as roller weld seams or as weld points
  • Components of the stacked arrangement H. hold the cathode structure, separator and anode structure in place. Thermal distortion is thus prevented or at least reduced and a welding device is superfluous.
  • roller seam welding decreases the electrical resistance as the distance between the weld spots decreases.
  • the upper electrode can be kept small in order to be immersed in the channels of the anode structure, whereby the electrode lying below can be designed in such a way as to avoid deformation of the cathode structure.
  • the anode structure can be adapted in such a way that the positioning of the rollers serving as electrodes can be facilitated.
  • the channels can be made wider; in spot welding, the channels can be curved, for example, and attachment areas can be created that have a
  • the processes require less complex equipment than laser welding, for example.
  • the partners By pressing the partners to be joined together, there are lower demands on the tolerances in terms of shape and position.
  • the upper spot electrodes can be designed to be adjustable, if necessary also automatically adjustable. This enables easy adaptation to customer variants.
  • the force to be applied in the resistance welding process enables tolerance compensation, which is a great advantage over the use of the laser process. Furthermore, roller seam welding can be integrated into a transport direction without an additional cycle
  • Figure 1 is a schematic representation of the roller seam welding of
  • FIG. 2 top views of anode structures with exemplary locally modified channel structures to simplify the joining process
  • FIG. 3 a schematic representation of the material connections of the distributor structure
  • FIG. 4 shows a schematic representation of roller seam welding with sacrificial wire
  • Figure 5 cooling media channels with curved channel walls and widened attachment areas.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of the illustration according to FIG. 1 .
  • the distributor structure 10 shown schematically in FIG. 1 is, for example, a bipolar plate which is assembled from the following components by means of material-locking joining processes:
  • an anode structure 16 In a stacked arrangement 52, an anode structure 16, possibly a separator 18 and a cathode structure 20 are arranged and positioned relative to one another.
  • the anode structure 16 is, for example, an embossed sheet metal into which individual, open embossed channels 26 are let and coolant channels 22 running between these are implemented.
  • the separator 18 can, for example, be an essentially flat sheet metal or a plastic component.
  • the cathode structure 20 arranged at the bottom in the stacked arrangement 52 is, for example, a cathode foam layer, the porosity of which is> 80%.
  • Wire mesh can be used.
  • a first roller 30 dips into an embossed channel 26 running in the anode structure 16.
  • a counter holder 34 for example designed as a second roller.
  • the roller 30 and the counterholder 34 serve as electrodes during roller seam welding.
  • a roll width 32 of the first roll 30 is smaller than the channel width 28 of the embossed channels 26.
  • the counter holder 34 is designed with a width 36 that corresponds to the channel width 28 of the embossed channels 26 in the
  • Anode structure 16 exceeds.
  • the counter holder 34 is on the underside 14 of the stacked arrangement 52, the cathode structure 20 is supported over a larger area and in particular during the formation of the
  • the cathode structure 20 has a relatively large layer thickness 40.
  • the two elements 30, 34 produce a first material connection 62 (cf. illustration according to FIG. 3) running perpendicular to the plane of the drawing in the area of the embossed channel 26 during roller seam welding.
  • This serves the electrical contacting of the stacked arrangement 52 of anode structure 16, separator 18 and cathode structure 20.
  • the separator 18 and the cathode structure 20 comes.
  • the section between individual first cohesive connections 62 running next to one another (cf. illustration according to FIG. 3) is of the order of magnitude of 10 mm. This distance can vary, depending on the design of the distributor structure 10, which can in particular be a bipolar plate.
  • roller seam welding in Figure 1 an electrical contact between the cathode structure 20, the separator 18 and the anode structure 16 can be made with a very low electrical resistance in a very short cycle time, so that an application in series production is possible. It should be emphasized that the electrical contact in the context of the first material connection Connection 62, for example, as a longitudinal seam of the anode structure 16, des
  • Separator 18 and the cathode structure 20 takes place in a single work step. Due to the selected geometry of the elements 30, 34 serving as electrodes, it is ensured that the stainless steel foam, which is part of the cathode structure 20, is only slightly deformed by the integral joining process and essentially retains its original shape, so that a later impairment of a cell function of is excluded from the outset.
  • the number of first cohesive connections 62 or cohesive point connections 50 (cf. illustration according to FIG. 2) can be kept variable and adapted to the design of the distributor structure 10.
  • first cohesive connection 62 - be it produced as a longitudinal seam by roller seam welding, be it discrete cohesive point connections 50 - is manufactured in parallel by means of spot welding, short, short cycle times suitable for series production can advantageously be achieved.
  • seals can be implemented at sealing locations 24, even if not shown in the drawing. These can, for example, laterally seal the cooling medium channels 22 which are formed in the embossed anode structure 16.
  • the first roller 30 and the counter holder 34 further roles can be provided in addition to the electrical contacting be arranged on the outer sides of the distributor structure 10 evenly at the sealing locations 24 in order to seal the anode structure 16 on the one hand and the separator 18 on the other hand against one another along the longitudinal side.
  • the second material connections 64 see illustration according to FIG Figure 3, which are used for sealing, also only between separator 18 and
  • Anode structure 16 can be manufactured without including the cathode structure 20.
  • the second material connections 64 see illustration according to FIG. 3, also contribute to improving the electrical connection.
  • first material connection 62 which is used for electrical contacting
  • second material connection 64 which is used for sealing
  • first and second material connections 62, 64 when the electrodes are stationary, for example in the case of the first roller 30 and the counter holder 34 and moving workpiece, in this case the stacked arrangement 52, or alternatively, also the elements serving as electrodes, the first roller 30 and the counter holder 34, relative to the stationary workpiece, d. H. of the stacked assembly 52 to move. Both movement alternatives would be possible.
  • FIG. 2 shows views of the anode structure 16, viewed from the top 12 with examples of locally modified channel structures 42.
  • the anode structure 16 can be designed with a number of embossed channels 26 in a first channel width 44. Individual embossed channels 26 run between these, a second
  • Arrangement 52 arranged first roller 30 serving as an electrode.
  • anode structure 16 in such a way that it is initially provided with embossed channels 26, the channel width 28 corresponding to the first channel width 44.
  • Locally modified channel structures 42 can be formed in individual embossed channels 26 in such a way that they have small diamond-shaped flat areas 48 in which later - as an alternative to roller seam welding - individual discrete cohesive point connections 50 can be made by means of spot welding.
  • spot welding With regard to the first material connection, see illustration according to FIG. 3, Both roll seam welding and spot welding are thus available as manufacturing options.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of material connections 62, 64 on the distributor structure 10.
  • anode structure 16 comprises an active region 60 through which embossed channels 26 pass.
  • a first inlet / outlet area 66 or a second inlet / outlet area 68 adjoins the active area 60.
  • the individual geometries of the inlet and outlet areas 66, 68 are no longer shown in FIG.
  • first material connections 62 run as longitudinal seams in individual ones of the embossed channels 26 of the anode structure 16. They extend essentially in the vertical direction of the anode structure 16, while the second material connections 64, which essentially serve for sealing, run transversely thereto in the horizontal direction.
  • the first material connections 62 designed as longitudinal weld seams are produced by roller seam welding and are used for electrical contact within the active area 60 on the one hand and for sealing the cooling media channels 22 on the outside of the anode structure 16, as indicated in Figure 1 by the sealing location 24.
  • the second material connections 64 which are designed as transverse weld seams, and in an alternative, serve
  • welding processes for example the laser welding process are produced, the seal.
  • the seal can also through
  • First material connections 62 produced by roller seam welding hold the components anode structure 16, separator 18 and cathode structure 20 in position and prevent thermal distortion. As a result, a welding device to be kept separately is not required. As already mentioned, this can also be used as an alternative to seam welding
  • Material connections 62 which are produced by means of roller seam welding, during spot welding the electrical resistance decreases as the distance between the individual discrete material connection 50 from one another decreases. Even with spot welding, the electrode present on the upper side 12 should be small enough to dip into the embossed channels 26 of the anode structure 16, whereas the electrode located below should have a size such that a deformation of the cathode structure 20 on the lower side 14 of the stacked arrangement 52 according to the figure 1 is avoided.
  • Anode structure 16 can be adapted to such an extent that attachment of the electrodes, for example the first roller 30 and the counter holder 34, can be simplified.
  • each of the embossed channels 26, which is to be welded by roll seam, can be made with a somewhat larger width - for example the second channel width 46 - in order to enlarge a contact surface for the first roller 30 serving as an electrode.
  • Attachment areas 74 for the electrode, d. H. the first roller 30, allows the use of larger electrodes, whereby the wear of the electrodes can be reduced.
  • FIG. 4 shows that a sacrificial wire 70 is located below the first roller 30. This lies in one of the embossed channels 26 of the anode structure 16. If the cohesive joining of the
  • the cathode structure 20 is supported by the counter holder 34.
  • the counterholder 34 has the width 36 which exceeds the roll width 32 of the first roll 30, so that the cathode structure 20 is supported as a longitudinal seam in the area where the material connection 62 is produced.
  • the illustration according to FIG. 5 shows that there in the
  • the embossed channels 26 are each arranged, preferably embossed, in a widened attachment region 74 with respect to one another.
  • the embossed channels 26 in the design variant according to FIG. 5 are not limited by straight channel walls, but these are kept much more curved, see item 72.
  • the curved channel walls 72 shown in FIG have a convex or concave curvature to allow insertion
  • FIG. 5 essentially corresponds to the illustration according to FIG. 1, with the differences that in the embodiment variant according to FIG. 5 the anode structure 16 is widened between the individual cooling medium channels 22
  • Attachment areas 74 are indicated and the anode structure 16 is designed in such a way that the boundary walls of the embossed channels 26 are curved
  • Channel walls 72 are executed.
  • the cathode structure 20 is supported via the counter holder 34, the width 36 of which exceeds the roll width 32 of the first roll 30.

Landscapes

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for producing a distributor structure (10), in particular a bipolar plate for a fuel cell, comprising the following method steps: a) arranging, positioning and fixing at least one anode structure (16) and at least one cathode structure (20) in a stacked arrangement (52), and b) establishing contact between the components according to step a) in one step.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Verteilerstruktur Method for manufacturing a manifold structure
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer The invention relates to a method for producing a
Verteilerstruktur, insbesondere einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle aus mehreren in einer Stapelform angeordneten Komponenten. Distribution structure, in particular a bipolar plate for a fuel cell, made up of several components arranged in a stack.
Stand der Technik State of the art
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O) elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Die Einheit aus H2-, Luft- und -Kühlmittelverteiler mit einer dazwischen liegend angeordneten Separatorplatte wird als Bipolarplatte bezeichnet. Ein Stapel aus mehreren Bipolarplatten mit Protonen leitenden Membranen sowie weiteren Schichten wie Elektroden- und Katalysatorschichten dazwischen bildet einen Stack. Die Reaktionsgase H2 und O2 in der Luft sowie die Kühlflüssigkeit strömen parallel zur Membran, während der elektrische Strom senkrecht zur Membran von Anode zur Kathode benachbarter Zelle durch die Bipolarplatte fließt. Die auftretenden ohmschen Verluste innerhalb der Fuel cells are electrochemical energy converters in which hydrogen (H2) and oxygen (O2) are converted into water (H2O), electrical energy and heat. The unit of H2, air and coolant distributor with a separator plate in between is called a bipolar plate. A stack of several bipolar plates with proton-conducting membranes and other layers such as electrode and catalyst layers in between forms a stack. The reaction gases H2 and O2 in the air and the cooling liquid flow parallel to the membrane, while the electrical current flows perpendicular to the membrane from the anode to the cathode of the neighboring cell through the bipolar plate. The ohmic losses occurring within the
Bipolarplatte werden durch den elektrischen Widerstand des Materials, bei dem es sich um Kohlenstoff oder Metall handelt sowie durch die Kontaktwiderstände an den Grenzflächen zwischen den gasführenden Strukturen und dem Bipolar plates are made by the electrical resistance of the material, which is carbon or metal, as well as by the contact resistances at the interfaces between the gas-carrying structures and the
Separatorblech hervorgerufen. Um die elektrische Leistung im externen Caused separator plate. To the electrical power in the external
Stromkreis zu maximieren, sind die ohmschen Widerstandsverluste innerhalb der Brennstoffzelle zu minimieren. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass Kontaktflächen beschichtet werden, um bei den aufeinander gelegten, in To maximize the circuit, the ohmic resistance losses within the fuel cell are to be minimized. This can be done, for example, in that contact surfaces are coated in order to, in the case of the superimposed, in
Stapelform angeordneten Komponenten den Kontaktwiderstand zu verringern. Stacked components to reduce the contact resistance.
US 7,770,394 B2 bezieht sich auf direkt geklebte oder mit einer kontinuierlichen metallischen Verklebung versehene Brennstoffzellen. US Pat. No. 7,770,394 B2 relates to fuel cells bonded directly or provided with a continuous metallic bond.
US 7,323,040 B2 bezieht sich auf eine spezielle Ausgestaltung eines US 7,323,040 B2 relates to a special embodiment of a
Brennstoffzellenmoduls sowie bestimmte stoffschlüssige Fügeverfahren wie beispielsweise das Elektronenstrahlschweißen, das Laserschweißen sowie das Ultraschallschweißen und dergleichen. Darstellung der Erfindung Fuel cell module as well as certain integral joining processes such as electron beam welding, laser welding and ultrasonic welding and the like. Presentation of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verteilerstruktur vorgeschlagen, insbesondere einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei verfahrensgemäß die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Anordnen, Positionieren und Fixieren mindestens einer Anodenstruktur und mindestens einer Kathodenstruktur in einer gestapelten Anordnung und b) Erstellen einer ersten stoffschlüssigen Verbindung zur elektrischen According to the invention, a method is proposed for producing a distributor structure, in particular a bipolar plate for a fuel cell, the following method steps being carried out according to the method: a) arranging, positioning and fixing at least one anode structure and at least one cathode structure in a stacked arrangement and b) creating a first cohesive one Connection to electrical
Kontaktierung zwischen den Komponenten gemäß Verfahrensschritt a) in einem Arbeitsgang. Contacting between the components according to process step a) in one operation.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird ein Verfahren bereitgestellt, welches eine elektrische Verbindung zwischen metallischen Kathodenstruktur, Separator und Anodenstruktur erzeugt, wobei sich ein sehr geringer elektrischer Widerstand einstellt. Des Weiteren kann eine derart elektrische Kontaktierung in sehr kurzer Taktzeit erfolgen, sodass sich eine Anwendung in der Serienfertigung ergibt. The solution proposed according to the invention provides a method which produces an electrical connection between the metallic cathode structure, separator and anode structure, with a very low electrical resistance being established. Furthermore, such electrical contact can be made in a very short cycle time, so that it can be used in series production.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann die erste stoffschlüssige Verbindung im Wege des Rollnahtschweißens oder des Punktschweißens erzeugt werden. In a further development of the method proposed according to the invention, the first material connection can be produced by means of roller seam welding or spot welding.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann eine zweite stoffschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten gemäß In a further development of the solution proposed according to the invention, a second material connection between the components according to FIG
Verfahrensschritt a) an mindestens einem Dichtungsort im Wege des Process step a) at at least one sealing location by way of
Laserverschweißens als Abdichtung zwischen der Anodenstruktur und dem Separator erzeugt werden. Laser welding can be generated as a seal between the anode structure and the separator.
Bei der ersten erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrensvariante, dem Rollnahtschweißen zur Ausbildung der ersten stoffschlüssigen Verbindung, erfolgt zwischen einer ersten Rolle an einer Oberseite und einem Gegenhalter, zum Beispiel einer zweiten Rolle oder einem Schweißtisch oder einer Platte, an einer Unterseite der gestapelten Anordnung, das Erzeugen einer In the first variant of the method proposed according to the invention, roller seam welding to form the first material connection, a first roller on an upper side and a counterholder, for example a second roller or a welding table or plate, on a lower side of the stacked arrangement, is used to produce a
nahstoffschlüssigen Naht in Linienform. Der Gegenhalter fungiert nicht nur als Elektrode, sondern dient, beispielsweise ausgeführt als Platte, zur besseren Anpressdruckverteilung und zur besseren Verteilung des elektrischen Flusses. Dabei kann das Rollnahtschweißen unter Verwendung eines Opferdrahtes durchgeführt werden. close-fitting seam in line shape. The counterholder not only functions as an electrode, but also serves, for example, as a plate, for better Contact pressure distribution and for better distribution of the electrical flow. The roller seam welding can be carried out using a sacrificial wire.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können mehrere erste stoffschlüssige Verbindungen in Linienform gleichzeitig im Wege des In the method proposed according to the invention, several first cohesive connections in line form can be carried out simultaneously by way of the
Rollnahtschweißens erzeugt werden oder es können mehrere erste Roller seam welding can be generated or there can be several first
stoffschlüssige Verbindungen als stoffschlüssige Punktverbindungen gleichzeitig im Wege des Punktschweißens erzeugt werden. Gleichzeitige Ausbildung mehrerer erster stoffschlüssiger Verbindungen, d. h. elektrische Kontaktierung beschleunigt die Taktzeit. Cohesive connections are produced as cohesive point connections at the same time by means of spot welding. Simultaneous formation of several first material connections, d. H. electrical contact accelerates the cycle time.
Beim Rollnahtschweißen, welches zum Erzeugen der ersten stoffschlüssigen Verbindung als elektrische Kontaktierung eingesetzt werden kann, läuft eine erste Rolle an der Oberseite der gestapelten Anordnung in geprägten Kanälen der Anodenstruktur, wobei eine Kanalbreite der geprägten Kanäle eine In roller seam welding, which can be used to create the first material connection as electrical contact, a first roller runs on the top of the stacked arrangement in embossed channels of the anode structure, with a channel width of the embossed channels
Rollenbreite der ersten Rolle übersteigt. Dadurch können die auf die Roll width exceeds the first roll. This allows the
Komponenten wirkenden Kräfte minimiert werden. Ferner kann ein störungsfreier Prozessablauf erreicht werden. Forces acting on components are minimized. Furthermore, a trouble-free process flow can be achieved.
Der ersten Rolle an der Oberseite gegenüberliegend ist ein Gegenhalter an der Unterseite vorgesehen, in einer Breite, welche die Kathodenstruktur entlang mindestens einer Kanalbreite der geprägten Kanäle in der Anodenstruktur abstützt. Dadurch lässt sich eine Verformung der Kathodenstruktur wirkungsvoll vermeiden, sodass der elektrische Widerstand nicht nachteilig beeinflusst wird. Opposite the first roller on the upper side, a counter holder is provided on the underside, with a width that supports the cathode structure along at least one channel width of the embossed channels in the anode structure. A deformation of the cathode structure can thereby be effectively avoided, so that the electrical resistance is not adversely affected.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die Verteilerstruktur aus Anodenstruktur, Separator und Kathodenstruktur gebildet, wobei die In the method proposed according to the invention, the distributor structure is formed from the anode structure, separator and cathode structure, the
Kathodenstruktur eine Porosität > 80 % aufweisen kann und bei der Herstellung der ersten stoffschlüssigen Verbindung die elektrische Energie unterhalb der ersten Rolle konzentriert wird, da sich eine lokale Verschweißung von Cathode structure can have a porosity> 80% and during the production of the first material connection, the electrical energy is concentrated below the first role, since there is a local welding of
Anodenstruktur, Separator und Kathodenstruktur ergibt, wobei insbesondere die Kathodenstruktur im unverformten Zustand verbleibt. Anode structure, separator and cathode structure results, with the cathode structure in particular remaining in the undeformed state.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann entweder die gestapelte Anordnung aus Anodenstruktur, Separator und Kathodenstruktur relativ zu den als Elektroden dienenden Rollen bewegt werden oder es kann alternativ die als Elektroden dienenden Rollen relativ zu einer stationären gestapelten Anordnung bewegt werden, sodass beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren beide kinematischen Varianten möglich wären. In the method proposed according to the invention, either the stacked arrangement of anode structure, separator and cathode structure can be moved relative to the rollers serving as electrodes, or it can alternatively, the rollers serving as electrodes are moved relative to a stationary stacked arrangement, so that both kinematic variants would be possible in the method proposed according to the invention.
Es besteht die Möglichkeit, die erste stoffschlüssige Verbindung zur elektrischen Kontaktierung und die zweite stoffschlüssige Verbindung zur Abdichtung entweder zeitgleich oder zeitlich nacheinander zu erzeugen. Eine zeitgleiche Erzeugung der ersten stoffschlüssigen Verbindung und der zweiten There is the possibility of producing the first material connection for electrical contacting and the second material connection for sealing either at the same time or one after the other. Simultaneous generation of the first material connection and the second
stoffschlüssigen Verbindung würde zu einer kürzeren Taktzeit und damit zu einem höheren Durchsatz bei der Serienfertigung führen. A material connection would lead to a shorter cycle time and thus to a higher throughput in series production.
Bei der Herstellung der zweiten stoffschlüssigen Verbindung im Wege des Laserschweißens können bereits hergestellte erste stoffschlüssige Verbindungen - ausgebildet als Längsnähte zwischen den Komponenten der gestapelten Anordnung - zur elektrischen Kontaktierung die Anodenstruktur, den Separator und die Kathodenstruktur in Position halten. Eine separate Einspannvorrichtung kann bei der Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens mithin entfallen. When making the second integral connection by means of laser welding, the first integral connections that have already been made - designed as longitudinal seams between the components of the stacked arrangement - can hold the anode structure, the separator and the cathode structure in position for electrical contacting. A separate clamping device can therefore be omitted when carrying out the method proposed according to the invention.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung weist die gemäß In the solution proposed according to the invention, the according to
Verfahrensschritt a) gesetzte Anodenstruktur geprägte Kanäle auf. Die Kanäle, in denen die erste stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird, sind entweder mit kurvigen Kanalwänden und/oder verbreiterten Ansetzbereichen versehen. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren, kann auch bei Ausführungen ohne aufgeschäumte Kathodenstrukturen eingesetzt werden; es könnten auch lediglich aus Blech gefertigte Strukturen miteinander gefügt werden. Process step a) set anode structure on embossed channels. The channels in which the first material connection is produced are provided with either curved channel walls and / or widened attachment areas. The method proposed according to the invention can also be used in designs without foamed cathode structures; structures made only from sheet metal could also be joined to one another.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens gemäß einer der Ansprüche zur elektrischen Kontaktierung und zur Abdichtung von Anodenstruktur, Separator und Kathodenstruktur einer Verteilerstruktur, insbesondere einer Bipolarplatte für Brennstoffzellenstapel. In addition, the invention relates to the use of the method according to one of the claims for making electrical contact and for sealing the anode structure, separator and cathode structure of a distributor structure, in particular a bipolar plate for fuel cell stacks.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren besteht die Möglichkeit, die Komponenten einer Verteilerstruktur, insbesondere einer Bipolarplatte, nämlich einer Kathodenstruktur, einen Separator und eine Anodenstruktur in einem Arbeitsgang Widerstandsschweißen, insbesondere über The method proposed according to the invention makes it possible to use the components of a distributor structure, in particular a bipolar plate, namely a cathode structure, a separator and an anode structure one operation of resistance welding, in particular over
Rollnahtschweißen oder Punktschweißen stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Die Anzahl der erzeugten Schweißnähte beziehungsweise To join seam welding or spot welding with one another. The number of welds produced respectively
Schweißpunkte ist variabel und kann an das Design der Verteilerstruktur, einer Bipolarplatte angepasst werden. Des Weiteren besteht bei erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren die Möglichkeit, eine parallele Herstellung mehrerer Schweißnähte beziehungsweise Schweißpunkte durchzuführen, um eine geringe Taktzeit, insbesondere bei der Serienfertigung zu erreichen. Auch eine Welding points are variable and can be adapted to the design of the distribution structure, a bipolar plate. Furthermore, with the method proposed according to the invention there is the possibility of producing a plurality of weld seams or weld points in parallel in order to achieve a short cycle time, in particular in series production. Also one
Abdichtung der Kühlkanäle lässt sich gegebenenfalls im The cooling channels can optionally be sealed in
Rollnahtschweißverfahren realisieren. Realize roller seam welding processes.
Beim Rollnahtschweißen wird die gestapelte Anordnung beispielsweise zwischen einer oberen und einer unteren Rolle angeordnet, wobei die obere Rolle in geprägten Kanälen der Anodenstruktur läuft. Es besteht die Möglichkeit, den Verschleiß der oben liegenden ersten Rolle dadurch zu verringern, dass ein Opferdraht eingesetzt wird. Die untere der beiden Rollen ist bei In roller seam welding, the stacked arrangement is arranged, for example, between an upper and a lower roller, the upper roller running in embossed channels of the anode structure. It is possible to reduce the wear and tear on the first roller on top by using a sacrificial wire. The lower of the two rollers is at
Rollnahtschweißen breiter ausgelegt, als die obere und ist insbesondere breit genug, dass eine Verformung der Kathodenstruktur ausgeschlossen ist. Durch die Kathodenstruktur, insbesondere bei einer Porosität von > 80 % wird die elektrische Energie unterhalb der oberen Rolle konzentriert, wodurch eine lokale Verschweißung aller drei Komponenten, nämlich der Anodenstruktur, des Separators und der Kathodenstruktur durchgeführt werden. Der elektrische Gesamtwiderstand einer Struktur, insbesondere einer Bipolarplatte, steigt mit steigender Anzahl von Schweißnähten. Ein Abstand von Schweißnaht zu Schweißnaht von ca. 10 mm ist ausreichend für die elektrische Roller seam welding is designed to be wider than the upper one and, in particular, is wide enough that deformation of the cathode structure is excluded. Due to the cathode structure, in particular with a porosity of> 80%, the electrical energy is concentrated below the upper roller, whereby a local welding of all three components, namely the anode structure, the separator and the cathode structure, is carried out. The total electrical resistance of a structure, especially a bipolar plate, increases with the number of welds. A distance from weld seam to weld seam of approx. 10 mm is sufficient for the electrical
Leistungsfähigkeit. Efficiency.
Werden bei der elektrischen Kontaktierung über die erste stoffschlüssige Verbindung gleichzeitig stoffschlüssige Verbindungen zur Abdichtung der Kühlwasserkanäle gefertigt, sind parallel zu den erwähnten Rollen zur If, during the electrical contact via the first material connection, material connections for sealing the cooling water channels are simultaneously produced, these roles are parallel to the
Herstellung der elektrischen Kontaktierung weitere Rollen an den Außenseiten der Verteilerstruktur vorgesehen, um die Anodenstruktur und den Separator längsseitig gegeneinander anzudrücken. Establishing the electrical contact, further rollers are provided on the outer sides of the distributor structure in order to press the anode structure and the separator against one another along their length.
Die Abdichtungsschweißnähte tragen ebenfalls zur Verbesserung der elektrischen Verbindung bei. Die beschriebenen stoffschlüssigen Nähte der elektrischen Kontaktierung oder zur Abdichtung können zeitgleich erzeugt werden oder auch zeitlich nacheinander hergestellt werden. So zum Beispiel erst die stoffschlüssige Verbindung zur Abdichtung und danach die elektrische Kontaktierung der Kathodenstruktur mit der Anodenstruktur und dem Separator. The sealing welds also help improve the electrical connection. The material-locking seams described for the electrical contact or for sealing can be produced at the same time or can be produced one after the other. For example, first the material connection for sealing and then the electrical contacting of the cathode structure with the anode structure and the separator.
Wie bei der kinematischen Umkehr ist es möglich, die stoffschlüssigen As with the kinematic reversal, it is possible to use the cohesive
Verbindungen bei ruhenden Elektroden, d. h. Rollen und bewegter gestapelter Anordnung vorzunehmen oder aber alternativ auch die als Elektroden dienenden Rollen relativ zum runden Werkstück, d. h. der gestapelten Anordnung zu bewegen. Connections with resting electrodes, d. H. To undertake rollers and a moving stacked arrangement or alternatively also the rollers serving as electrodes relative to the round workpiece, d. H. to move the stacked arrangement.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt in dem Umstand, dass die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen, die der A particular advantage of the solution proposed according to the invention lies in the fact that the second material connections that the
Abdichtung dienen in vorteilhafter Weise im Laserschweißverfahren hergestellt werden, wobei die zuvor beispielsweise als Rollenschweißnähte oder als Schweißpunkte ausgeführten ersten stoffschlüssigen Verbindungen die Seals are advantageously produced in the laser welding process, the first material connections, which were previously executed, for example, as roller weld seams or as weld points
Komponenten der gestapelten Anordnung, d. h. die Kathodenstruktur, den Separator und die Anodenstruktur in Position halten. Damit wird ein thermischer Verzug verhindert oder zumindest reduziert und eine Schweißvorrichtung ist überflüssig. Components of the stacked arrangement; H. hold the cathode structure, separator and anode structure in place. Thermal distortion is thus prevented or at least reduced and a welding device is superfluous.
Anstelle des Rollnahtschweißens kann auch das Punktschweißen zum Einsatz kommen. Analog zu den stoffschlüssigen Verbindungen gemäß dem Spot welding can also be used instead of roll seam welding. Analogous to the cohesive connections according to
Rollnahtschweißen sinkt beim Erzeugen punktförmiger Schweißverbindungen der elektrische Widerstand mit sinkendem Abstand der Schweißpunkte zueinander ab. Auch beim Punktschweißen kann die obere Elektrode klein gehalten werden, um in die Kanäle der Anodenstruktur einzutauchen, wobei die unten liegende Elektrode derart gestaltet werden kann, um eine Verformung der Kathodenstruktur zu vermeiden. When creating spot welded joints, roller seam welding decreases the electrical resistance as the distance between the weld spots decreases. Even with spot welding, the upper electrode can be kept small in order to be immersed in the channels of the anode structure, whereby the electrode lying below can be designed in such a way as to avoid deformation of the cathode structure.
Hinsichtlich prozesstechnischer Vorteile beim Rollnaht- und With regard to procedural advantages in roll seam and
Punktschweißverfahren ist darauf hinzuweisen, dass die Anodenstruktur derart angepasst werden kann, dass ein Ansetzen der als Elektroden dienenden Rollen erleichtert werden kann. So können beispielsweise die Kanäle breiter ausgeführt werden; beim Punktschweißen können die Kanäle beispielsweise kurvig ausgeführt und es können Ansetzbereiche geschaffen werden, die eine It should be pointed out to spot welding processes that the anode structure can be adapted in such a way that the positioning of the rollers serving as electrodes can be facilitated. For example, the channels can be made wider; in spot welding, the channels can be curved, for example, and attachment areas can be created that have a
Prozesserleichterung bewirken. Die Verfahren erfordern weniger komplizierte Vorrichtungen als zum Beispiel das Laserschweißen. Durch das Zusammendrücken der miteinander zu fügenden Partner bestehen geringere Anforderungen an die Toleranzen hinsichtlich Form und Lage. Beim Punktschweißen können die oberen Punktelektroden verstellbar, gegebenenfalls auch automatisch verstellbar ausgeführt sein. Dies ermöglicht eine einfache Anpassung an Kundenvarianten. Cause process facilitation. The processes require less complex equipment than laser welding, for example. By pressing the partners to be joined together, there are lower demands on the tolerances in terms of shape and position. In the case of spot welding, the upper spot electrodes can be designed to be adjustable, if necessary also automatically adjustable. This enables easy adaptation to customer variants.
Durch die beim Widerstandsschweißverfahren aufzubringende Kraft wird ein Toleranzausgleich möglich, was gegenüber dem Einsatz des Laserverfahrens einen großen Vorteil darstellt. Des Weiteren kann das Rollnahtschweißen in eine Transportrichtung integriert werden, ohne dass eine zusätzliche Takt The force to be applied in the resistance welding process enables tolerance compensation, which is a great advantage over the use of the laser process. Furthermore, roller seam welding can be integrated into a transport direction without an additional cycle
beziehungsweise Prozesszeit entsteht. or process time arises.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung des Rollnahtschweißens der Figure 1 is a schematic representation of the roller seam welding of
Verteilerstruktur, Distribution structure,
Figur 2 Draufsichten auf Anodenstrukturen mit beispielhaft lokal modifizierten Kanalstrukturen zur Vereinfachung des Fügeprozesses, FIG. 2 top views of anode structures with exemplary locally modified channel structures to simplify the joining process,
Figur 3 eine schematische Darstellung der stoffschlüssigen Verbindungen der Verteilerstruktur, FIG. 3 a schematic representation of the material connections of the distributor structure,
Figur 4 eine schematische Darstellung des Rollnahtschweißens mit Opferdraht und FIG. 4 shows a schematic representation of roller seam welding with sacrificial wire and
Figur 5 Kühlmedien- Kanäle mit kurvigen Kanalwänden sowie verbreiterte Ansetzbereiche. Figure 5 cooling media channels with curved channel walls and widened attachment areas.
Ausführungsformen der Erfindung In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Embodiments of the invention In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist eine schematische Darstellung des The illustration according to FIG. 1 is a schematic illustration of the
Rollnahtschweißens einer Verteilerstruktur 10 zu entnehmen. To see roller seam welding of a manifold structure 10.
Bei der in Figur 1 schematisch dargestellten Verteilerstruktur 10 handelt es sich beispielsweise um eine Bipolarplatte, die aus den nachfolgenden Komponenten im Wege stoffschlüssiger Fügeverfahren zusammengesetzt wird: The distributor structure 10 shown schematically in FIG. 1 is, for example, a bipolar plate which is assembled from the following components by means of material-locking joining processes:
In gestapelter Anordnung 52 sind eine Anodenstruktur 16, gegebenenfalls ein Separator 18 und eine Kathodenstruktur 20 angeordnet und relativ zueinander positioniert. Bei der Anodenstruktur 16 handelt es sich beispielsweise um ein geprägtes Blech, in das einzelne offene geprägte Kanäle 26 eingelassen sind sowie zwischen diesen verlaufende Kühlmedien- Kanäle 22 ausgeführt sind. Beim Separator 18 kann es sich beispielsweise um ein im Wesentlichen eben ausgebildetes Blech oder um ein Kunststoffbauteil handeln. Bei der in der gestapelten Anordnung 52 unten liegend angeordneten Kathodenstruktur 20 handelt es sich zum Beispiel um eine Kathodenschaumschicht, deren Porosität > 80 % ist. Alternativ zur Schaumschicht könnte ein Streckgitter oder ein In a stacked arrangement 52, an anode structure 16, possibly a separator 18 and a cathode structure 20 are arranged and positioned relative to one another. The anode structure 16 is, for example, an embossed sheet metal into which individual, open embossed channels 26 are let and coolant channels 22 running between these are implemented. The separator 18 can, for example, be an essentially flat sheet metal or a plastic component. The cathode structure 20 arranged at the bottom in the stacked arrangement 52 is, for example, a cathode foam layer, the porosity of which is> 80%. As an alternative to the foam layer, an expanded metal mesh or a
Drahtgewebe eingesetzt werden. Wire mesh can be used.
In der Darstellung gemäß Figur 1 ist gezeigt, dass in einen in der Anodenstruktur 16 verlaufenden geprägten Kanal 26 eine erste Rolle 30 eintaucht. In the illustration according to FIG. 1 it is shown that a first roller 30 dips into an embossed channel 26 running in the anode structure 16.
Gegenüberliegend befindet sich an der Unterseite 14 der gestapelten Anordnung 52 gemäß der Ansicht in Figur 1 ein Gegenhalter 34, beispielsweise ausgeführt als zweite Rolle. Die Rolle 30 und der Gegenhalter 34 dienen in diesem Falle als Elektroden beim Rollnahtschweißen. Wie aus Figur 1 hervorgeht, ist eine Rollenbreite 32 der ersten Rolle 30 kleiner bemessen als die Kanalbreite 28 der geprägten Kanäle 26. Opposite is located on the underside 14 of the stacked arrangement 52 according to the view in Figure 1, a counter holder 34, for example designed as a second roller. In this case, the roller 30 and the counterholder 34 serve as electrodes during roller seam welding. As can be seen from FIG. 1, a roll width 32 of the first roll 30 is smaller than the channel width 28 of the embossed channels 26.
Im Gegensatz zur ersten Rolle 30 ist der Gegenhalter 34 in einer Breite 36 ausgeführt, die die Kanalbreite 28 der geprägten Kanäle 26 in der In contrast to the first roller 30, the counter holder 34 is designed with a width 36 that corresponds to the channel width 28 of the embossed channels 26 in the
Anodenstruktur 16 übersteigt. Durch den Gegenhalter 34 wird an der Unterseite 14 der gestapelten Anordnung 52 die Kathodenstruktur 20 über einen größeren Bereich abgestützt und insbesondere während der Ausbildung der Anode structure 16 exceeds. The counter holder 34 is on the underside 14 of the stacked arrangement 52, the cathode structure 20 is supported over a larger area and in particular during the formation of the
stoffschlüssigen ersten und zweiten Verbindung 62, 64 zwischen den beiden als Elektroden dienenden Elementen, der ersten Rolle 30 und dem Gegenhalter 34, über eine relativ große Breite abgestützt, sodass die Kathodenstruktur 20 der gestapelten Anordnung 52 unverformt bleibt. Im Vergleich zur Dicke eines gegebenenfalls eingesetzten Separators 18 weist die Kathodenstruktur 20 eine relativ große Schichtdicke 40 auf. cohesive first and second connection 62, 64 between the two elements serving as electrodes, the first roller 30 and the counter holder 34, supported over a relatively large width, so that the cathode structure 20 of the stacked arrangement 52 remains undeformed. Compared to the thickness of a separator 18 that may be used, the cathode structure 20 has a relatively large layer thickness 40.
Die erste Rolle 30 und ein als zweite Rolle ausgeführter Gegenhalter 34, die als Elektroden dienen, rotieren um in Figur 1 schematisch angedeutete The first roller 30 and a counter-holder 34 designed as a second roller, which serve as electrodes, rotate around those indicated schematically in FIG
Rotationsachsen 38. Axes of rotation 38.
Durch die beiden Elemente 30, 34 wird während des Rollnahtschweißens im Bereich des geprägten Kanales 26 eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende erste stoffschlüssige Verbindung 62 (vgl. Darstellung gemäß Figur 3) erzeugt. Diese dient der elektrischen Kontaktierung der gestapelten Anordnung 52 aus Anodenstruktur 16, Separator 18 und Kathodenstruktur 20. Um den Verschleiß der ersten Rolle 30 zu begrenzen, kann diese mit einem Opferdraht 70 betrieben werden, der während der Ausbildung der ersten stoffschlüssigen Verbindung 62 das Material für diese bildet. Durch die Kathodenstruktur 20 an der Unterseite 14 der gestapelten Anordnung 52 gemäß Figur 1 mit einer Porosität > 80 % wird die elektrische Energie unterhalb der ersten Rolle 30 konzentriert, wodurch es zu einer lokalen Verschweißung aller drei Komponenten, nämlich der The two elements 30, 34 produce a first material connection 62 (cf. illustration according to FIG. 3) running perpendicular to the plane of the drawing in the area of the embossed channel 26 during roller seam welding. This serves the electrical contacting of the stacked arrangement 52 of anode structure 16, separator 18 and cathode structure 20. To limit the wear of the first roller 30, it can be operated with a sacrificial wire 70, which during the formation of the first material connection 62 the material for this forms. Due to the cathode structure 20 on the underside 14 of the stacked arrangement 52 according to FIG. 1 with a porosity> 80%, the electrical energy is concentrated below the first roller 30, which leads to a local welding of all three components, namely the
Anodenstruktur 16, des Separators 18 und der Kathodenstruktur 20 kommt. In vorteilhafter Weise ist der Abschnitt zwischen einzelnen nebeneinander verlaufenden ersten stoffschlüssigen Verbindungen 62 (vgl. Darstellung gemäß Figur 3) in der Größenordnung von 10 mm. Dieser Abstand kann variieren, abhängig vom Design der Verteilerstruktur 10, bei der es sich insbesondere um eine Bipolarplatte handeln kann. Anode structure 16, the separator 18 and the cathode structure 20 comes. In an advantageous manner, the section between individual first cohesive connections 62 running next to one another (cf. illustration according to FIG. 3) is of the order of magnitude of 10 mm. This distance can vary, depending on the design of the distributor structure 10, which can in particular be a bipolar plate.
Es ist festzuhalten, dass gemäß der schematischen Darstellung des It should be noted that according to the schematic representation of the
Rollnahtschweißens in Figur 1 eine elektrische Kontaktierung zwischen der Kathodenstruktur 20, dem Separator 18 und der Anodenstruktur 16 mit einem sehr geringen elektrischen Widerstand in sehr kurzer Taktzeit hergestellt werden kann, sodass eine Anwendung in der Serienfertigung möglich ist. Hervorzuheben ist, dass die elektrische Kontaktierung im Rahmen der ersten stoffschlüssigen Verbindung 62 beispielsweise als Längsnaht der Anodenstruktur 16, des Roller seam welding in Figure 1 an electrical contact between the cathode structure 20, the separator 18 and the anode structure 16 can be made with a very low electrical resistance in a very short cycle time, so that an application in series production is possible. It should be emphasized that the electrical contact in the context of the first material connection Connection 62, for example, as a longitudinal seam of the anode structure 16, des
Separators 18 und der Kathodenstruktur 20 in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgt. Dabei ist aufgrund der gewählten Geometrie der als Elektroden dienenden Elemente 30, 34 sichergestellt, dass der Edelstahlschaum, der Teil der Kathodenstruktur 20 ist, durch den stoffschlüssigen Fügevorgang nur unwesentlich verformt wird und im Wesentlichen seine ursprüngliche Form beibehält, sodass eine spätere Beeinträchtigung einer Zellfunktion von vornherein ausgeschlossen ist. Separator 18 and the cathode structure 20 takes place in a single work step. Due to the selected geometry of the elements 30, 34 serving as electrodes, it is ensured that the stainless steel foam, which is part of the cathode structure 20, is only slightly deformed by the integral joining process and essentially retains its original shape, so that a later impairment of a cell function of is excluded from the outset.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann die Anzahl von ersten stoffschlüssigen Verbindungen 62 beziehungsweise stoffschlüssigen Punktverbindungen 50 (vgl. Darstellung gemäß Figur 2) variabel gehalten und an das Design der Verteilerstruktur 10 angepasst werden. Es besteht die In the method proposed according to the invention, the number of first cohesive connections 62 or cohesive point connections 50 (cf. illustration according to FIG. 2) can be kept variable and adapted to the design of the distributor structure 10. There is the
Möglichkeit, gleichzeitige parallele Herstellung mehrerer erster stoffschlüssiger Verbindungen als elektrische Kontaktierung vorzunehmen, beziehungsweise diese auch im Rahmen des Punktschweißverfahrens als diskrete stoffschlüssige Punktverbindungen 50 auszubilden. Wird die erste stoffschlüssige Verbindung 62 - sei es als Längsnaht erzeugt durch das Rollnahtschweißen, seien es diskrete stoffschlüssige Punktverbindungen 50 - im Wege des Punktverschweißens parallel gefertigt, können in vorteilhafter Weise für die Serienfertigung geeignete kurze geringe Taktzeiten erreicht werden. Possibility of making a plurality of first cohesive connections at the same time in parallel as electrical contacting, or to design these as discrete cohesive point connections 50 within the scope of the spot welding process. If the first cohesive connection 62 - be it produced as a longitudinal seam by roller seam welding, be it discrete cohesive point connections 50 - is manufactured in parallel by means of spot welding, short, short cycle times suitable for series production can advantageously be achieved.
In Modifikation des in Figur 1 dargestellten Rollnahtschweißens zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung von Anodenstruktur 16, Separator 18 und Kathodenstruktur 20 können - wenn auch nicht zeichnerisch dargestellt - an Dichtungsorten 24 Abdichtungen realisiert werden. Diese können beispielsweise die Kühlmedien-Kanäle 22, die in der geprägten Anodenstruktur 16 ausgebildet sind, seitlich abdichten. Neben der elektrischen Kontaktierung kann auch gleichzeitig zur teilweisen oder vollständige Abdichtung der Kühlmedien-Kanäle 22 zwischen dem Separator 18 und der Anodenstruktur 16 in Parallelanordnung zu den dargestellten Elementen, der ersten Rolle 30 und dem Gegenhalter 34 vorgesehen werden, dass neben der elektrischen Kontaktierungen weitere Rollen an den Außenseiten der Verteilerstrukur 10 eben an den Dichtungsorten 24 angeordnet werden, um die Anodenstruktur 16 einerseits und den Separator 18 andererseits längsseitig gegeneinander abzudichten. Je nach Design der Verteilerstruktur 10, bei der es sich bevorzugt um eine Bipolarplatte handelt, können die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64, vgl. Darstellung gemäß Figur 3, die der Abdichtung dienen, auch nur zwischen Separator 18 und In a modification of the roll seam welding shown in FIG. 1 to produce the electrical contact between anode structure 16, separator 18 and cathode structure 20, seals can be implemented at sealing locations 24, even if not shown in the drawing. These can, for example, laterally seal the cooling medium channels 22 which are formed in the embossed anode structure 16. In addition to the electrical contacting, at the same time for partial or complete sealing of the cooling media channels 22 between the separator 18 and the anode structure 16 in a parallel arrangement to the illustrated elements, the first roller 30 and the counter holder 34, further roles can be provided in addition to the electrical contacting be arranged on the outer sides of the distributor structure 10 evenly at the sealing locations 24 in order to seal the anode structure 16 on the one hand and the separator 18 on the other hand against one another along the longitudinal side. Depending on the design of the distributor structure 10, which is preferably a bipolar plate, the second material connections 64, see illustration according to FIG Figure 3, which are used for sealing, also only between separator 18 and
Anodenstruktur 16 ohne Einschluss der Kathodenstruktur 20 gefertigt werden.Anode structure 16 can be manufactured without including the cathode structure 20.
Die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64, vgl. Darstellung gemäß Figur 3, tragen ebenfalls zur Verbesserung der elektrischen Verbindung bei. The second material connections 64, see illustration according to FIG. 3, also contribute to improving the electrical connection.
Die Ausbildung der erwähnten ersten stoffschlüssigen Verbindung 62, die der elektrischen Kontaktierung dient sowie der zweiten stoffschlüssigen Verbindung 64, die der Abdichtung dient, können entweder zeitgleich durchgeführt werden oder auch zeitlich nacheinander, d. h. sequentiell vorgenommen werden. The formation of the aforementioned first material connection 62, which is used for electrical contacting, and the second material connection 64, which is used for sealing, can either be carried out at the same time or also in chronological order, ie. H. can be done sequentially.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die ersten und die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 62, 64 bei ruhenden Elektroden, zum Beispiel im Falle der ersten Rolle 30 und des Gegenhalters 34 und bewegtem Werkstück, in diesem Falle der gestapelten Anordnung 52 vorzunehmen, oder aber alternativ, auch die als Elektroden dienenden Elemente, die erste Rolle 30 und den Gegenhalter 34, relativ zum ruhenden Werkstück, d. h. der gestapelten Anordnung 52 zu bewegen. Beide Bewegungsalternativen wären möglich. Furthermore, there is the possibility of making the first and second material connections 62, 64 when the electrodes are stationary, for example in the case of the first roller 30 and the counter holder 34 and moving workpiece, in this case the stacked arrangement 52, or alternatively, also the elements serving as electrodes, the first roller 30 and the counter holder 34, relative to the stationary workpiece, d. H. of the stacked assembly 52 to move. Both movement alternatives would be possible.
Figur 2 zeigt Ansichten der Anodenstruktur 16, von der Oberseite 12 hergesehen mit Beispielen lokal modifizierter Kanalstrukturen 42. Wie aus den Darstellungen gemäß Figur 2 hervorgeht, kann die Anodenstruktur 16 mit einer Anzahl von in einer ersten Kanalbreite 44 ausgeführten, geprägten Kanälen 26 ausgeführt sein. Zwischen diesen verlaufen einzelne geprägte Kanäle 26, die eine zweite FIG. 2 shows views of the anode structure 16, viewed from the top 12 with examples of locally modified channel structures 42. As can be seen from the representations according to FIG. 2, the anode structure 16 can be designed with a number of embossed channels 26 in a first channel width 44. Individual embossed channels 26 run between these, a second
Kanalbreite 46 aufweisen, die die erste Kanalbreite 44 übersteigt. Die geprägten Kanäle 26, die in der zweiten Kanalbreite 46 ausgebildet sind, dienen als Have channel width 46 which exceeds the first channel width 44. The coined channels 26 formed in the second channel width 46 serve as
Laufstrecke für die an der Oberseite 12 gemäß Figur 1 der gestapelten Running track for the stacked at the top 12 according to FIG
Anordnung 52 angeordnete, als Elektrode dienende erste Rolle 30. Arrangement 52 arranged first roller 30 serving as an electrode.
Alternativ besteht die Möglichkeit, die Anodenstruktur 16 so auszuführen, dass diese zunächst mit geprägten Kanälen 26 versehen wird, wobei die Kanalbreite 28 der ersten Kanalbreite 44 entspricht. In einzelnen geprägten Kanälen 26 können lokal modifizierte Kanalstrukturen 42 derart ausgebildet werden, dass diese kleine rautenförmige ebene Bereiche 48 aufweisen, in denen später - alternativ zum Rollnahtschweißen - im Wege des Punktschweißens einzelne diskrete stoffschlüssige Punktverbindungen 50 ausgeführt werden können. In Bezug auf die erste stoffschlüssige Verbindung, vgl. Darstellung gemäß Figur 3, stehen somit sowohl das Rollnahtschweißen wie das Punktschweißen als Fertigungsmöglichkeiten zur Verfügung. Alternatively, there is the possibility of designing the anode structure 16 in such a way that it is initially provided with embossed channels 26, the channel width 28 corresponding to the first channel width 44. Locally modified channel structures 42 can be formed in individual embossed channels 26 in such a way that they have small diamond-shaped flat areas 48 in which later - as an alternative to roller seam welding - individual discrete cohesive point connections 50 can be made by means of spot welding. With regard to the first material connection, see illustration according to FIG. 3, Both roll seam welding and spot welding are thus available as manufacturing options.
Figur 3 ist eine schematische Darstellung von stoffschlüssigen Verbindungen 62, 64 an der Verteilerstruktur 10 zu entnehmen. FIG. 3 shows a schematic representation of material connections 62, 64 on the distributor structure 10.
Aus der Draufsicht gemäß Figur 3 auf eine hier beispielhaft herausgegriffene Anodenstruktur 16 geht hervor, dass die Anodenstruktur 16 einerseits einen aktiven Bereich 60 umfasst, der von geprägten Kanälen 26 durchzogen ist. In den aktiven Bereich 60 schließt sich ein erster Einlass-/Auslassbereich 66 beziehungsweise ein zweiter Einlass-/Auslassbereich 68 an. Die einzelnen Geometrien der Ein- und Auslassbereiche 66, 68 sind in Figur 3 nicht mehr dargestellt. From the top view according to FIG. 3 of an anode structure 16 selected here by way of example, it can be seen that the anode structure 16 on the one hand comprises an active region 60 through which embossed channels 26 pass. A first inlet / outlet area 66 or a second inlet / outlet area 68 adjoins the active area 60. The individual geometries of the inlet and outlet areas 66, 68 are no longer shown in FIG.
Aus der Darstellung gemäß Figur 3 ergibt sich, dass in einzelnen der geprägten Kanäle 26 der Anodenstruktur 16 erste stoffschlüssige Verbindungen 62 als Längsnähte verlaufen. Sie erstrecken sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung der Anodenstruktur 16, während die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64, die im Wesentlichen der Abdichtung dienen, quer dazu in horizontaler Richtung verlaufen. Die als Längsschweißnähte ausgebildeten ersten stoffschlüssigen Verbindungen 62 werden mittels des Rollnahtschweißens hergestellt und dienen der elektrischen Kontaktierung innerhalb des aktiven Bereichs 60 einerseits und andererseits zur Abdichtung der Kühlmedien-Kanäle 22 an den Außenseiten der Anodenstruktur 16 wie in Figur 1 durch den Dichtungsort 24 angedeutet. Dem gegenüber dienen die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64, die als quer verlaufende Schweißnähte ausgebildet sind, und in einem alternativen The illustration according to FIG. 3 shows that first material connections 62 run as longitudinal seams in individual ones of the embossed channels 26 of the anode structure 16. They extend essentially in the vertical direction of the anode structure 16, while the second material connections 64, which essentially serve for sealing, run transversely thereto in the horizontal direction. The first material connections 62 designed as longitudinal weld seams are produced by roller seam welding and are used for electrical contact within the active area 60 on the one hand and for sealing the cooling media channels 22 on the outside of the anode structure 16, as indicated in Figure 1 by the sealing location 24. In contrast, the second material connections 64, which are designed as transverse weld seams, and in an alternative, serve
Schweißverfahren beispielsweise des Laserschweißverfahrens hergestellt werden, der Abdichtung. Alternativ kann die Abdichtung auch durch Welding processes for example the laser welding process are produced, the seal. Alternatively, the seal can also through
Rollnahtschweißen erzeugt werden. Seam welding are generated.
Werden die zweiten stoffschlüssigen Verbindungen 64 bevorzugt als If the second material connections 64 are preferred as
Querschweißnähte ausgeführt, so können zuvor im Wege des Cross welds carried out, so can previously by way of
Rollnahtschweißens hergestellte erste stoffschlüssige Verbindungen 62 die Komponenten Anodenstruktur 16, Separator 18 und Kathodenstruktur 20 in Position halten und einen thermischen Verzug verhindern. Dadurch ist eine separat vorzuhaltende Schweißvorrichtung nicht erforderlich. Alternativ zum Rollnahtschweißen kann, wie bereits erwähnt, auch das First material connections 62 produced by roller seam welding hold the components anode structure 16, separator 18 and cathode structure 20 in position and prevent thermal distortion. As a result, a welding device to be kept separately is not required. As already mentioned, this can also be used as an alternative to seam welding
Punktschweißen zum Einsatz kommen. Analog zur Anzahl der ersten Spot welding can be used. Analogous to the number of the first
stoffschlüssigen Verbindungen 62, die im Wege des Rollnahtschweißens hergestellt werden, sinkt beim Punktschweißen der elektrische Widerstand mit sinkendem Abstand der einzelnen diskreten stoffschlüssigen Punktverbindungen 50 zueinander. Auch beim Punktschweißen sollte die an der Oberseite 12 vorliegende Elektrode klein genug sein, um in die geprägten Kanäle 26 der Anodenstruktur 16 einzutauchen, wohingegen die unten liegende Elektrode eine Größe aufweisen sollte, sodass eine Verformung der Kathodenstruktur 20 an der Unterseite 14 der gestapelten Anordnung 52 gemäß der Figur 1 vermieden wird. Material connections 62, which are produced by means of roller seam welding, during spot welding the electrical resistance decreases as the distance between the individual discrete material connection 50 from one another decreases. Even with spot welding, the electrode present on the upper side 12 should be small enough to dip into the embossed channels 26 of the anode structure 16, whereas the electrode located below should have a size such that a deformation of the cathode structure 20 on the lower side 14 of the stacked arrangement 52 according to the figure 1 is avoided.
In vorteilhafter Weise können sowohl beim Rollnahtschweißen als auch beim Punktschweißen die Nahtstruktur, d. h. die geprägten Kanäle 26 in der Advantageously, both in roller seam welding and in spot welding, the seam structure, d. H. the embossed channels 26 in the
Anodenstruktur 16 soweit angepasst werden, dass ein Ansetzen der Elektroden, beispielsweise der ersten Rolle 30 und des Gegenhalters 34, vereinfacht werden kann. So kann zum Beispiel ein jeder der geprägten Kanäle 26, der per Rollnaht verschweißt werden soll, in einer etwas größeren Breite - beispielsweise der zweiten Kanalbreite 46 - ausgeführt werden, um eine Aufsetzfläche für die als Elektrode dienende erste Rolle 30 zu vergrößern. Die Verbreiterung von Anode structure 16 can be adapted to such an extent that attachment of the electrodes, for example the first roller 30 and the counter holder 34, can be simplified. For example, each of the embossed channels 26, which is to be welded by roll seam, can be made with a somewhat larger width - for example the second channel width 46 - in order to enlarge a contact surface for the first roller 30 serving as an electrode. The broadening of
Ansetzbereichen 74 für die Elektrode, d. h. die erste Rolle 30, ermöglicht den Einsatz größerer Elektroden, wodurch der Verschleiß der Elektroden verringert werden kann. Attachment areas 74 for the electrode, d. H. the first roller 30, allows the use of larger electrodes, whereby the wear of the electrodes can be reduced.
Der Darstellung gemäß Figur 4 ist zu entnehmen, dass sich unterhalb der ersten Rolle 30 ein Opferdraht 70 befindet. Dieser liegt in einem der geprägten Kanäle 26 der Anodenstruktur 16. Kommt es zum stoffschlüssigen Fügen der The illustration according to FIG. 4 shows that a sacrificial wire 70 is located below the first roller 30. This lies in one of the embossed channels 26 of the anode structure 16. If the cohesive joining of the
Anodenstruktur 16 mit der Kathodenstruktur 20 unter Zwischenschaltung des Separators 18, so wird im Bereich des Opferdrahts 70, sobald die erste Rolle 30 und der Gegenhalter 34 aneinander angestellt werden, der Opferdraht 70 aufgeschmolzen und die erste stoffschlüssige Verbindung 62 als Längsnaht erzeugt. Analog zur Darstellung gemäß Figur 1 ist die Kathodenstruktur 20 vom Gegenhalter 34 abgestützt. Der Gegenhalter 34 weist die Breite 36 auf, die die Rollenbreite 32 der ersten Rolle 30 übersteigt, sodass im Bereich der Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung 62 als Längsnaht die Kathodenstruktur 20 abgestützt ist. Der Darstellung gemäß Figur 5 ist zu entnehmen, dass dort in der Anode structure 16 with the cathode structure 20 with the interposition of the separator 18, the sacrificial wire 70 is melted in the area of the sacrificial wire 70 as soon as the first roller 30 and the counter holder 34 are placed against one another and the first material connection 62 is produced as a longitudinal seam. Analogously to the illustration according to FIG. 1, the cathode structure 20 is supported by the counter holder 34. The counterholder 34 has the width 36 which exceeds the roll width 32 of the first roll 30, so that the cathode structure 20 is supported as a longitudinal seam in the area where the material connection 62 is produced. The illustration according to FIG. 5 shows that there in the
Anodenstruktur 16 die geprägten Kanäle 26 jeweils in einem verbreiterten Ansetzbereich 74 in Bezug aufeinander angeordnet, bevorzugt eingeprägt sind. Im Unterschied zu den Ausführungsvarianten gemäß der Figuren 1 und 4 sind die geprägten Kanäle 26 in der Ausführungsvariante gemäß Figur 5 nicht von geraden Kanalwänden begrenzt, sondern diese sind viel mehr kurvig gehalten, vgl. Position 72. Die in Figur 5 dargestellten kurvigen Kanalwände 72 können eine konvexe oder konkave Krümmung aufweisen, um das Einsetzen Anode structure 16, the embossed channels 26 are each arranged, preferably embossed, in a widened attachment region 74 with respect to one another. In contrast to the design variants according to FIGS. 1 and 4, the embossed channels 26 in the design variant according to FIG. 5 are not limited by straight channel walls, but these are kept much more curved, see item 72. The curved channel walls 72 shown in FIG have a convex or concave curvature to allow insertion
beziehungsweise Einlaufen der ersten Rolle 30, die zum Rollnahtschweißen erforderlich ist, in den jeweiligen geprägten Kanal 26 zu erleichtern, indem die stoffschlüssige Verbindung 62 als Längsnaht erzeugt werden soll. or to facilitate the entry of the first roller 30, which is required for roller seam welding, into the respective embossed channel 26, in that the material connection 62 is to be produced as a longitudinal seam.
Figur 5 entspricht im Wesentlichen der Darstellung gemäß Figur 1, mit den Unterschieden, dass in der Ausführungsvariante gemäß Figur 5 zwischen den einzelnen Kühlmedien-Kanälen 22 der Anodenstruktur 16 verbreiterte FIG. 5 essentially corresponds to the illustration according to FIG. 1, with the differences that in the embodiment variant according to FIG. 5 the anode structure 16 is widened between the individual cooling medium channels 22
Ansetzbereiche 74 angedeutet sind und die Anodenstruktur 16 derart ausgebildet ist, dass die Begrenzungswände der geprägten Kanäle 26 als kurvige Attachment areas 74 are indicated and the anode structure 16 is designed in such a way that the boundary walls of the embossed channels 26 are curved
Kanalwände 72 ausgeführt sind. Auch in der Ausführungsvariante gemäß Figur 5 wird die Kathodenstruktur 20 über den Gegenhalter 34 abgestützt, dessen Breite 36 die Rollenbreite 32 der ersten Rolle 30 übersteigt. Channel walls 72 are executed. In the embodiment variant according to FIG. 5, too, the cathode structure 20 is supported via the counter holder 34, the width 36 of which exceeds the roll width 32 of the first roll 30.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible that are within the scope of expert knowledge.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Herstellung einer Verteilerstruktur (10), insbesondere einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit nachfolgenden 1. A method for producing a distributor structure (10), in particular a bipolar plate for a fuel cell with the following
Verfahrensschritten: a) Anordnen, Positionieren und Fixieren mindestens einer Process steps: a) Arranging, positioning and fixing at least one
Anodenstruktur (16) und mindestens einer Kathodenstruktur (20) in einer gestapelten Anordnung (52), b) Herstellen einer ersten stoffschlüssigen Verbindung (62) zur elektrischen Kontaktierung zwischen den Komponenten gemäß Verfahrensschritt a) in einem Arbeitsgang. Anode structure (16) and at least one cathode structure (20) in a stacked arrangement (52), b) production of a first material connection (62) for electrical contacting between the components according to method step a) in one operation.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste stoffschlüssige Verbindung (62) im Wege des Rollnahtschweißens oder durch Punktschweißen erzeugt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the first material connection (62) is produced by roll seam welding or by spot welding.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der gestapelten Anordnung (52) gemäß Verfahrensschritt a) mindestens ein Separator (18) vorgesehen wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that at least one separator (18) is provided in the stacked arrangement (52) according to method step a).
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine 4. The method according to claim 1, characterized in that a
zweite stoffschlüssige Verbindung (64) zwischen den Komponenten gemäß Verfahrensschritt a) an einem Dichtungsort (24) im Wege des Laserschweißens als Abdichtung zwischen der Anodenstruktur (16) und dem Separator (18) erzeugt wird. second material connection (64) between the components according to method step a) at a sealing location (24) by means of laser welding as a seal between the anode structure (16) and the separator (18).
5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das 5. The method according to claim 2, characterized in that the
Rollnahtschweißen zwischen einer ersten Rolle (30) an einer Oberseite (12) und einem Gegenhalter (34) - ausgeführt als Rolle, als Platte oder als Tisch - an einer Unterseite (14) einer gestapelten Anordnung (52) erfolgt. Roller seam welding between a first roller (30) on an upper side (12) and a counter holder (34) - designed as a roller, as a plate or as a table - is carried out on an underside (14) of a stacked arrangement (52).
6. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das 6. The method according to claim 2, characterized in that the
Rollnahtschweißen unter Verwendung eines Opferdrahtes (70) durchgeführt wird. Roller seam welding is performed using a sacrificial wire (70).
7. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste stoffschlüssige Verbindungen (62) in Linienform gleichzeitig im Wege des Rollnahtschweißens erzeugt werden, oder mehrere erste stoffschlüssige Verbindungen (62) als stoffschlüssige 7. The method according to claim 2, characterized in that a plurality of first cohesive connections (62) are produced in line form simultaneously by means of roller seam welding, or a plurality of first cohesive connections (62) as cohesive ones
Punktverbindungen (50) gleichzeitig im Wege des Punktschweißens erzeugt werden. Point connections (50) are produced simultaneously by way of spot welding.
8. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rolle (30) in geprägten Kanälen (26) läuft, deren Kanalbreite (28) eine Rollenbreite (32) der ersten Rolle (30) übersteigt. 8. The method according to claim 5, characterized in that the first roller (30) runs in embossed channels (26), the channel width (28) of which exceeds a roller width (32) of the first roller (30).
9. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der 9. The method according to claim 5, characterized in that the
Gegenhalter (34) eine Breite (36) aufweist, die die Kathodenstruktur (20) über mindestens eine Kanalbreite (28) der geprägten Kanäle (26) in der Anodenstruktur (16) abstützt. Counterholder (34) has a width (36) which supports the cathode structure (20) over at least one channel width (28) of the embossed channels (26) in the anode structure (16).
10. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kathodenstruktur (20) eine Porosität > 80 % aufweist und bei der Herstellung der ersten stoffschlüssigen Verbindung (62) elektrische Energie unterhalb der ersten Rolle (30) konzentriert wird und eine lokale Verschweißung von Anodenstruktur (16), Separator (18) und 10. The method according to claim 2, characterized in that the first cathode structure (20) has a porosity> 80% and during the production of the first material connection (62) electrical energy is concentrated below the first roller (30) and a local weld of Anode structure (16), separator (18) and
Kathodenstruktur (20) in unverformtem Zustand erzeugt. Cathode structure (20) produced in the undeformed state.
11. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 11. The method according to claim 1, characterized in that the
gestapelte Anordnung (52) aus Anodenstruktur (16), Separator (18) und Kathodenstruktur (20) relativ zu den als Elektrode dienenden Elementen (30, 34) bewegt wird, oder diese relativ zu einer stationären gestapelten Anordnung (52) bewegt werden. stacked arrangement (52) of anode structure (16), separator (18) and cathode structure (20) is moved relative to the elements (30, 34) serving as electrodes, or these are moved relative to a stationary stacked arrangement (52).
12. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 7, dadurch 12. The method according to claim 1 or claim 7, characterized
gekennzeichnet, die erste stoffschlüssige Verbindung (62) zur elektrischen Kontaktierung und die zweite stoffschlüssige Verbindung (64) zur Abdichtung zeitgleich oder zeitlich nacheinander erzeugt werden. characterized in that the first material connection (62) for electrical contacting and the second material connection (64) for sealing are produced simultaneously or one after the other.
13. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der zweiten stoffschlüssigen Verbindung (64) im Wege des Laserschweißens, bereits hergestellte erste stoffschlüssige 13. The method according to claim 4, characterized in that during the production of the second material connection (64) by means of laser welding, the first material connection already produced
Verbindungen (62) zur elektrischen Kontaktierung die Anodenstruktur (16), den Separator (18) und die Kathodenstruktur (20) in Position halten. Connections (62) for making electrical contact hold the anode structure (16), the separator (18) and the cathode structure (20) in position.
14. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 14. The method according to claim 1, characterized in that the
gemäß Verfahrensschritt a) eingesetzte Anodenstruktur (16) geprägte Kanäle (26) aufweist und die geprägten Kanäle (26), in denen die erste stoffschlüssige Verbindung (62) erzeugt wird, eine zweite Kanalbreite (46) und/oder kurvige Kanalwände (72) und/oder verbreiterte anode structure (16) used according to method step a) has embossed channels (26) and the embossed channels (26), in which the first material connection (62) is produced, a second channel width (46) and / or curved channel walls (72) and / or widened
Ansetzbereiche (74) aufweisen. Have attachment areas (74).
15. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zur elektrischen Kontaktierung und Abdichtung von Anodenstruktur (16), Separator (18) und Kathodenstruktur (20) einer Verteilerstruktur (10), insbesondere einer Bipolarplatte, eines Brennstoffzellenstapels. 15. Use of the method according to one of the preceding claims for electrical contacting and sealing of the anode structure (16), separator (18) and cathode structure (20) of a distributor structure (10), in particular a bipolar plate, of a fuel cell stack.
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