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WO2023061524A1 - Bipolar plate of a fuel cell having geometric orientation features, and method for producing and detecting geometric features of a half-sheet of a bipolar plate - Google Patents

Bipolar plate of a fuel cell having geometric orientation features, and method for producing and detecting geometric features of a half-sheet of a bipolar plate Download PDF

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Publication number
WO2023061524A1
WO2023061524A1 PCT/DE2022/100682 DE2022100682W WO2023061524A1 WO 2023061524 A1 WO2023061524 A1 WO 2023061524A1 DE 2022100682 W DE2022100682 W DE 2022100682W WO 2023061524 A1 WO2023061524 A1 WO 2023061524A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bipolar plate
sheet
embossings
embossing
measuring ball
Prior art date
Application number
PCT/DE2022/100682
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sebastian Zwahr
Thomas Sponsel
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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 Schaeffler Technologies AG & Co. KG filed Critical Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Publication of WO2023061524A1 publication Critical patent/WO2023061524A1/en

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other

Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate which is intended for use in a fuel cell and has an embossed structure. Furthermore, the invention relates to a method for producing and detecting geometric features of a half-plate of a bipolar plate.
  • bipolar plates each separate a half-cell of a first fuel cell from a half-cell of an adjacent fuel cell, the fuel cells being electrically connected in series.
  • Bipolar plates can be produced from sheet metal in particular using forming processes.
  • DE 10 2014 202 775 A1 discloses a bipolar plate for a fuel cell, which has a profiled flow field and cutouts for the supply and removal of operating resources. Overall, the bipolar plate according to DE 10 2014 202 775 A1 is folded along a fold line.
  • DE 10 2005 006 467 A1 describes a method for forming a sheet metal blank using a deep-drawing press. In particular, it should be possible to produce body parts with it.
  • EP 3 278 892 B1 discloses a device for the mechanical processing of sheet metal, which includes a press bending machine, among other things.
  • the device according to EP 3 278 892 B1 also includes removable positioning means, each of which has a plurality of stop surfaces.
  • the invention is based on the object of achieving progress in the production of bipolar plates for fuel cells by forming, with the aim being to achieve a particularly favorable ratio between expenditure and geometric precision, in particular under the conditions of series production.
  • this object is achieved by a bipolar plate having the features of claim 1 .
  • the object is also achieved by a method for producing and detecting geometric features of a half-plate of a bipolar plate according to claim 7.
  • the configurations and advantages of the invention explained below in connection with the production and detection method also apply mutatis mutandis to the devices, i.e. the bipolar plate as well the half-sheets used to make the bipolar plate, and vice versa.
  • Each half sheet of the bipolar plate has an embossed structure including at least two reference embossings that can be used to detect the position of the bipolar plate, each of the reference embossings being designed for the three-point contact of a measuring ball.
  • This also applies analogously to cases in which the bipolar plate is not made up of two half-sheets lying on top of one another, but is formed by a single sheet.
  • the geometry of the bipolar plate can be precisely detected by touch, with other principles of detecting geometric features, in particular optical detection, being able to be dispensed with in a rational, robust and at the same time precise method.
  • the method according to the application for producing and detecting geometric features of a half sheet of a bipolar plate, alternatively a bipolar plate stamped in one layer from sheet metal generally comprises the following features:
  • an embossed structure of the half-plate or the complete bipolar plate wherein the embossed structure comprises two reference embossings that can be used to detect the position of the bipolar plate or at least of the half-plate, and wherein each of the reference embossments is designed for the three-point contact of a measuring sphere,
  • the second and the third step ie the production of the stop contours and the production of the embossed structure, can be carried out in any order, even simultaneously.
  • Other configurations of the stop contours for example contours designed as elevations and/or depressions, which can be used as stops, can also be considered in principle.
  • the bipolar plate having a plurality of stop contours is suitable for being precisely positioned in all spatial directions within a production facility.
  • the bipolar plate or the half-plate can be placed flat in some areas on a base.
  • a summation plane formed during the embossing can be used, which, for example, accounts for at least 25% of the plate plane.
  • the stop contours are used to align the bipolar plate or the half-plate in the other two spatial directions. If a rectangular, elongate basic shape of each individual half-plate and of the entire bipolar plate is assumed, then in an advantageous embodiment there are two stop contours on a long side and a single stop contour on a narrow side of the plate.
  • one of the reference embossings can, for example, specify the zero point of a Cartesian coordinate system or be used to calculate the zero point.
  • the distance between the two reference embossings for measurements and precise calculations. Assuming a bipolar plate with a rectangular, not square basic shape, the distance between the two reference embossings, for example in the longitudinal direction of the bipolar plate, is at least 20% and at most 95% of its length. At the same time, the distance between the two reference embossings in the transverse direction of the bipolar plate is, for example, at least 30% and at most 80% of its width.
  • the reference embossings can be located in particular in an active field or in a distributor field of the bipolar plate that is adjacent to the active field. If the reference embossings are arranged within the active field, the reference embossings are located in particular in the two outer quarters of the active field bordering on the distribution fields.
  • the bipolar plate is made up of two half sheets, similar reference embossings that do not necessarily lie directly on top of one another can be found in each half sheet are located. This also applies to embodiments with more than two reference embossings per half sheet.
  • the reference embossings can advantageously be used at the same time as flow-guiding elements, which in particular induce flow components perpendicular to the plane in which the bipolar plate lies.
  • each reference embossing has exactly three contact areas provided for contacting the measuring sphere at angular distances of at least 100° and at most 140° in a metrologically advantageous configuration, with the angle specifications relating to a plan view of the bipolar plate.
  • angular distances can assume values of at least 35° up to 165°, for example.
  • the diameter of the measuring ball which can be attributed to a ball probe of a type known per se, is, for example, 0.4 mm to 3 mm. If the measuring sphere contacts the three contact areas of the reference embossing, a bottom of the reference embossing remains at least slightly spaced from the measuring sphere in an advantageous embodiment, which avoids geometric overdetermination.
  • the reference embossings are also referred to as floating-in geometry and in particular enable a comparison of geometric features of the bipolar plate with target positions. This applies to both embossed and cut geometries of the bipolar plate and the individual half-sheets.
  • the half sheets of the bipolar plate can be connected to one another in any manner known per se, in particular by welding, it also being possible for the reference embossings to be formed from thin-walled sheet metal. In such a case in particular, a small embossing depth of the reference embossing is sufficient.
  • the sheet metal from which the half sheets are made can be an uncoated or coated sheet metal, in particular sheet steel, where the layering in the latter case can be applied either before or after the creation of the embossed structure including the reference embossing, i.e. floating geometry. Heat treatment of the half sheets is also possible.
  • FIG. 1 shows a detail of a reference embossing of a half sheet of a bipolar plate and a measuring sphere positioned in the reference embossing
  • FIG. 2 shows the arrangement according to FIG. 1 in a sectional view
  • FIG 3 shows the bipolar plate including two reference embossings and measuring balls in plan view.
  • a bipolar plate identified overall by the reference numeral 1 is composed of two half-sheets 2 in a manner known per se and is intended for use in a fuel cell system that is not shown in any more detail.
  • the bipolar plate 1 has three ports 3, 4, 5 on the input side and three ports 6, 7, 8 on the output side, the ports 4, 7 being provided for the passage of coolant and the ports 3, 5, 6, 8 for the passage of media.
  • a distribution panel 9, 10 In addition to the arrangement of the ports 3, 4, 5 on the input side and the arrangement of the ports 6, 7, 8 on the output side, there is a distribution panel 9, 10. Between the distribution panel 9 on the input side and the distribution panel 10 on the output side is the active panel, designated 11, of the bipolar plate 1 . 15, is shown. Otherwise, the active field 11 in particular has an embossed pattern (not shown), which influences the media flow through the fuel cells delimited by the bipolar plate 1 and at the same time increases the mechanical stability of the bipolar plate 1 .
  • the sheet metal 2 is positioned on a bearing surface, not shown, which represents a bearing reference.
  • a defined height setting which can be arbitrarily referred to as alignment in the y-direction, is given by the planar support of the half-sheet 2 on the support reference.
  • the base plane of the sheet metal 2, labeled GE, is in this case at a precisely defined altitude.
  • the basic plane GE could be defined in a different way, for example as a plane that is defined by the upper side of the sheet metal half 2 or by contours of the embossed structure 12 .
  • the positioning of the half-sheet 2 in the x and z directions must also be set.
  • the x-direction extends in the longitudinal direction and the z-direction in the transverse direction of the half-plate 2.
  • the length of the half-plate 2, i.e. the extension of the half-plate 2 in the x-direction is with L, the width of the half-plate 2, that is, the extension of the half-sheet 2 in the transverse direction, denoted by B.
  • stop contours 13 on the longitudinal side and one stop contour 14 on the narrow side are provided for the exact alignment of the sheet metal half 2 in the x-direction and in the z-direction.
  • the stop contours 13, 14 are designed as rectangular recesses and are intended to rest against counter-contours of a production plant, which are not shown.
  • the reference embossings 15 offer the possibility of precisely detecting the position of the half-sheet 2 and its individual structures. On the one hand, this can be carried out as a quality assurance measure and, on the other hand, serve to prepare and continuously monitor further production steps. Details of the reference embossings 15 can be seen in FIGS. Three contact areas 16, 17, 18 are formed by each reference embossing 15, which are provided for contacting a measuring ball 20.
  • the measuring ball 20, ie the ball of a measuring probe contacts the contact areas 16, 17, 18 of the reference embossing 15 in the top view (FIG. 1) at approximately uniform angular distances, which are indicated by a in FIG.
  • the distance between the two reference embossings 15 in the longitudinal direction of the bipolar plate 1 is given as AL, and the distance in the transverse direction is given as AB. Both reference embossings 15 are in the present case in the active field 11.
  • each contact area 16, 17, 18 is inclined by an angle ⁇ relative to the base plane GE.
  • the measuring ball 20, whose diameter is indicated by D, remains at a distance from the base of the reference stamping 15, which is labeled 19, when the reference stamping 15 is scanned, so that there is a three-point contact between the measuring ball 20 and the reference stamping 15.

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Abstract

The invention relates to an embossed structure (12) of a bipolar plate (1), which embossed structure has at least two reference embossments (15) that can be used to detect the position of the bipolar plate (1), wherein each of the reference embossments (15) are designed to contact a measuring sphere (20) at three points.

Description

BIPOLARPLATTE EINER BRENNSTOFFZELLE MIT GEOMETRISCHEN ORIENTIERUNGSMERKMALEN UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG UND DETEKTION GEOMETRISCHER MERKMALE EINES HALBBLECHS EINER BIPOLARPLATTE BIPOLAR PLATE OF A FUEL CELL WITH GEOMETRIC ORIENTATION FEATURES AND METHOD FOR MANUFACTURING AND DETECTING GEOMETRIC FEATURES OF A HALF-SHEET OF A BIPOLAR PLATE
Die Erfindung betrifft eine für die Verwendung in einer Brennstoffzelle vorgesehene Bipolarplatte, welche eine Prägestruktur aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung und Detektion geometrischer Merkmale eines Halbblechs einer Bipolarplatte. The invention relates to a bipolar plate which is intended for use in a fuel cell and has an embossed structure. Furthermore, the invention relates to a method for producing and detecting geometric features of a half-plate of a bipolar plate.
Innerhalb eines Brennstoffzellensystems sind mehrere Brennstoffzellen in vielen Fällen zu einem Brennstoffzellenstapel, der üblicherweise auch als Stack bezeichnet wird, zusammengeschaltet. Hierbei trennen Bipolarplatten jeweils eine Halbzelle einer ersten Brennstoffzelle von einer Halbzelle einer benachbarten Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind. Bipolarplatten sind insbesondere unter Nutzung umformender Verfahren aus Blech herstellbar. Within a fuel cell system, a number of fuel cells are in many cases connected together to form a fuel cell stack, which is usually also referred to as a stack. In this case, bipolar plates each separate a half-cell of a first fuel cell from a half-cell of an adjacent fuel cell, the fuel cells being electrically connected in series. Bipolar plates can be produced from sheet metal in particular using forming processes.
Die DE 10 2014 202 775 A1 offenbart eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, welche ein profiliertes Flussfeld und Aussparungen zur Betriebsmittelzufuhr und -abfuhr aufweist. Insgesamt ist die Bipolarplatte nach der DE 10 2014 202 775 A1 entlang einer Faltlinie zusammengefaltet. DE 10 2014 202 775 A1 discloses a bipolar plate for a fuel cell, which has a profiled flow field and cutouts for the supply and removal of operating resources. Overall, the bipolar plate according to DE 10 2014 202 775 A1 is folded along a fold line.
Die DE 10 2005 006 467 A1 beschreibt ein Verfahren zum Umformen einer Blechplatine mit Hilfe einer Tiefziehpresse. Insbesondere sollen damit Karosserieteile produzierbar sein. DE 10 2005 006 467 A1 describes a method for forming a sheet metal blank using a deep-drawing press. In particular, it should be possible to produce body parts with it.
Ein weiteres Verfahren zum Umformen eines Metallbleches ist in der DE 100 63 287Another method for forming a sheet metal is in DE 100 63 287
A1 bekannt. Die Umformung erfolgt in diesem Fall mit Hilfe einer Streckziehform, wobei auch Druckluft zum Einsatz kommt. Die EP 3 278 892 B1 offenbart ein Gerät für die mechanische Bearbeitung von Blechen, welche unter anderem eine Pressbiegemaschine umfasst. Weiter umfasst die Vorrichtung nach der EP 3 278 892 B1 abnehmbare Positionierungsmittel, welche jeweils mehrere Anschlagflächen aufweisen. A1 known. In this case, the forming takes place with the help of a stretch-forming mold, whereby compressed air is also used. EP 3 278 892 B1 discloses a device for the mechanical processing of sheet metal, which includes a press bending machine, among other things. The device according to EP 3 278 892 B1 also includes removable positioning means, each of which has a plurality of stop surfaces.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte bei der umformtechnischen Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen zu erzielen, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Aufwand und geometrischer Präzision, insbesondere unter Bedingungen der Serienfertigung, angestrebt wird. The invention is based on the object of achieving progress in the production of bipolar plates for fuel cells by forming, with the aim being to achieve a particularly favorable ratio between expenditure and geometric precision, in particular under the conditions of series production.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung und Detektion geometrischer Merkmale eines Halbblechs einer Bipolarplatte gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungs- und Detektionsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt die Bipolarplatte sowie die für die Herstellung der Bipolarplatte verwendeten Halbbleche, und umgekehrt. According to the invention, this object is achieved by a bipolar plate having the features of claim 1 . The object is also achieved by a method for producing and detecting geometric features of a half-plate of a bipolar plate according to claim 7. The configurations and advantages of the invention explained below in connection with the production and detection method also apply mutatis mutandis to the devices, i.e. the bipolar plate as well the half-sheets used to make the bipolar plate, and vice versa.
Jedes Halbblech der Bipolarplatte weist eine Prägestruktur einschließlich mindestens zweier zur Detektion der Lage der Bipolarplatte nutzbarer Referenzprägungen auf, wobei jede der Referenzprägungen zur Dreipunktanlage einer Messkugel ausgebildet ist. Dies gilt in analoger Weise auch für Fälle, in denen die Bipolarplatte nicht aus zwei aufeinander liegenden Halbblechen aufgebaut, sondern durch ein einziges Blech gebildet ist. Each half sheet of the bipolar plate has an embossed structure including at least two reference embossings that can be used to detect the position of the bipolar plate, each of the reference embossings being designed for the three-point contact of a measuring ball. This also applies analogously to cases in which the bipolar plate is not made up of two half-sheets lying on top of one another, but is formed by a single sheet.
Dank der Referenzprägungen kann die Geometrie der Bipolarplatte taktil exakt erfasst werden, wobei in rationeller, robuster und zugleich präziser Verfahrensführung von sonstigen Prinzipien der Erfassung geometrischer Merkmale, insbesondere von einer optischen Erfassung, abgesehen werden kann. Das anmeldungsgemäße Verfahren zur Herstellung und Detektion geometrischer Merkmale eines Halbblechs einer Bipolarplatte, alternativ einer einlagig aus Blech geprägten Bipolarplatte, umfasst allgemein folgende Merkmale: Thanks to the reference embossings, the geometry of the bipolar plate can be precisely detected by touch, with other principles of detecting geometric features, in particular optical detection, being able to be dispensed with in a rational, robust and at the same time precise method. The method according to the application for producing and detecting geometric features of a half sheet of a bipolar plate, alternatively a bipolar plate stamped in one layer from sheet metal, generally comprises the following features:
- Bereitstellung eines Halbblechs beziehungsweise einer einlagigen Bipolarplatte mit rechteckiger, nicht quadratischer Grundform, - Provision of a half sheet or a single-layer bipolar plate with a rectangular, not square basic shape,
- Herstellung von mehreren als Ausnehmungen ausgebildeten Anschlagkonturen an mindestens einer Längsseite und mindestens einer Schmalseite des Halbblechs beziehungsweise der gesamten Bipolarplatte, - Production of several stop contours designed as recesses on at least one longitudinal side and at least one narrow side of the half-plate or the entire bipolar plate,
- Erzeugung einer Prägestruktur des Halbblechs beziehungsweise der kompletten Bipolarplatte, wobei die Prägestruktur zwei zur Detektion der Lage der Bipolarplatte oder zumindest des Halbblechs nutzbare Referenzprägungen umfasst, und wobei jede der Referenzprägungen zur Dreipunktanlage einer Messkugel ausgebildet ist, - Creation of an embossed structure of the half-plate or the complete bipolar plate, wherein the embossed structure comprises two reference embossings that can be used to detect the position of the bipolar plate or at least of the half-plate, and wherein each of the reference embossments is designed for the three-point contact of a measuring sphere,
- Positionierung zumindest des Halbblechs auf einer Auflagefläche unter Nutzung der Anschlagkonturen, - Positioning at least the half sheet on a support surface using the stop contours,
- Kontrolle der Lage des Halbblechs durch taktile Erfassung der Position der Referenzprägungen, - control of the position of the half sheet by tactile detection of the position of the reference embossing,
- Erfassung weiterer geometrischer Strukturen des Halbblechs analog zur Kontrolle der Position der Referenzprägungen. - Detection of other geometric structures of the half-sheet analogous to checking the position of the reference embossing.
Der zweite und der dritte Schritt, das heißt die Herstellung der Anschlagkonturen und die Erzeugung der Prägestruktur, können hierbei in beliebiger Reihenfolge, auch simultan, durchgeführt werden. Ebenso kommen andere Gestaltungen der Anschlagkonturen, beispielsweise als Erhebungen und/oder Vertiefungen gestaltete Konturen, welche als Anschläge nutzbar sind, prinzipiell in Betracht. The second and the third step, ie the production of the stop contours and the production of the embossed structure, can be carried out in any order, even simultaneously. Other configurations of the stop contours, for example contours designed as elevations and/or depressions, which can be used as stops, can also be considered in principle.
In allen Fällen ist die mehrere Anschlagkonturen aufweisende Bipolarplatte dazu geeignet, in allen Raumrichtungen innerhalb einer Fertigungseinrichtung genau positioniert zu werden. Hierbei ist eine durch die Bipolarplatte beziehungsweise ein einzel- nes Halbblech gegebene Grundebene für eine Positionierung in einer ersten Richtung, typischerweise in vertikaler Richtung, nutzbar. Insbesondere kann eine in Teilbereichen plane Auflage der Bipolarplatte beziehungsweise des Halbblechs auf einer Unterlage gegeben sein. Zur Höhenausrichtung der Bipolarplatte oder eines einzelnen Halbblechs kann hierbei eine im Rahmen der Prägung gebildete Summenebene genutzt werden, welche zum Beispiel einen Anteil von mindestens 25% der Plattenebene einnimmt. In all cases, the bipolar plate having a plurality of stop contours is suitable for being precisely positioned in all spatial directions within a production facility. Here, a through the bipolar plate or a single nes half sheet given ground plane for positioning in a first direction, typically in the vertical direction, usable. In particular, the bipolar plate or the half-plate can be placed flat in some areas on a base. In order to align the height of the bipolar plate or an individual half-plate, a summation plane formed during the embossing can be used, which, for example, accounts for at least 25% of the plate plane.
Zur Ausrichtung der Bipolarplatte oder des Halbblechs in den beiden anderen Raumrichtungen werden die Anschlagkonturen genutzt. Wird von einer rechteckigen, länglichen Grundform jedes einzelnen Halbblechs sowie der gesamten Bipolarplatte ausgegangen, so befinden sich in vorteilhafter Ausgestaltung zwei Anschlagkonturen an einer Längsseite und eine einzige Anschlagkontur an einer Schmalseite der Platte. The stop contours are used to align the bipolar plate or the half-plate in the other two spatial directions. If a rectangular, elongate basic shape of each individual half-plate and of the entire bipolar plate is assumed, then in an advantageous embodiment there are two stop contours on a long side and a single stop contour on a narrow side of the plate.
Nach der mit Hilfe der Anschlagkonturen vorgenommenen Positionierung des Halbblechs oder der gesamten Bipolarplatte kann beispielsweise eine der Referenzprägungen den Nullpunkt eines kartesischen Koordinatensystems vorgeben oder zur Nullpunktberechnung genutzt werden. Zwischen den einzelnen Referenzprägungen ist ein für Messungen und genaue Berechnungen ausreichender Abstand gegeben. Geht man von einer Bipolarplatte mit rechteckiger, nicht quadratischer Grundform aus, so beträgt der Abstand zwischen den beiden Referenzprägungen beispielsweise in Längsrichtung der Bipolarplatte mindestens 20% und höchstens 95% deren Länge. Zugleich beträgt der Abstand zwischen den beiden Referenzprägungen in Querrichtung der Bipolarplatte zum Beispiel mindestens 30% und höchstens 80% deren Breite. Die Referenzprägungen können sich hierbei insbesondere in einem Aktivfeld oder einem an das Aktivfeld angrenzenden Verteilerfeld der Bipolarplatte befinden. Im Fall der Anordnung der Referenzprägungen innerhalb des Aktivfeldes befinden sich die Referenzprägungen insbesondere in den beiden äußeren, an die Verteilerfelder grenzenden Vierteln des Aktivfeldes. After the half sheet or the entire bipolar plate has been positioned using the stop contours, one of the reference embossings can, for example, specify the zero point of a Cartesian coordinate system or be used to calculate the zero point. There is sufficient distance between the individual reference embossings for measurements and precise calculations. Assuming a bipolar plate with a rectangular, not square basic shape, the distance between the two reference embossings, for example in the longitudinal direction of the bipolar plate, is at least 20% and at most 95% of its length. At the same time, the distance between the two reference embossings in the transverse direction of the bipolar plate is, for example, at least 30% and at most 80% of its width. In this case, the reference embossings can be located in particular in an active field or in a distributor field of the bipolar plate that is adjacent to the active field. If the reference embossings are arranged within the active field, the reference embossings are located in particular in the two outer quarters of the active field bordering on the distribution fields.
Ist die Bipolarplatte aus zwei Halbblechen aufgebaut, so können sich gleichartige, nicht notwendigerweise direkt übereinander liegende Referenzprägungen in jedem Halbblech befinden. Dies gilt auch für Ausführungsformen mit mehr als zwei Referenzprägungen pro Halbblech. In vorteilhafter Weise können die Referenzprägungen beim Betrieb der Brennstoffzelle zugleich als strömungsleitende Elemente, welche insbesondere Strömungskomponenten senkrecht zur Ebene, in welcher die Bipolarplatte liegt, induzieren, genutzt werden. If the bipolar plate is made up of two half sheets, similar reference embossings that do not necessarily lie directly on top of one another can be found in each half sheet are located. This also applies to embodiments with more than two reference embossings per half sheet. During operation of the fuel cell, the reference embossings can advantageously be used at the same time as flow-guiding elements, which in particular induce flow components perpendicular to the plane in which the bipolar plate lies.
Unabhängig von der Anzahl der Referenzprägungen pro Halbblech oder Bipolarplatte weist jede Referenzprägung in messtechnisch vorteilhafter Ausgestaltung genau drei zur Kontaktierung der Messkugel in Winkelabständen von jeweils mindestens 100° und höchstens 140° vorgesehene Anlagebereiche auf, wobei sich die Winkelangaben auf eine Draufsicht auf die Bipolarplatte beziehen. Insbesondere sind gleiche Winkelabstände, das heißt 120°-Abstände, zwischen den Anlagepunkten der Messkugel an der Referenzprägungen gegeben. Unabhängig davon, ob eine gleiche oder eine ungleiche Winkelteilung gegeben ist, können Winkelabstände beispielsweise Werte von minimal 35° bis zu 165° annehmen. Irrespective of the number of reference embossings per half sheet or bipolar plate, each reference embossing has exactly three contact areas provided for contacting the measuring sphere at angular distances of at least 100° and at most 140° in a metrologically advantageous configuration, with the angle specifications relating to a plan view of the bipolar plate. In particular, there are equal angular distances, ie 120° distances, between the contact points of the measuring ball on the reference embossing. Irrespective of whether there is an equal or an unequal angular division, angular distances can assume values of at least 35° up to 165°, for example.
Der Durchmesser der Messkugel, welche einem Kugeltaster an sich bekannter Bauart zuzurechnen sein kann, beträgt beispielsweise 0,4 mm bis 3 mm. Kontaktiert die Messkugel die drei Anlagebereiche der Referenzprägung, so bleibt ein Boden der Referenzprägung in vorteilhafter Ausgestaltung, welche eine geometrische Überbestimmung vermeidet, von der Messkugel zumindest geringfügig beabstandet. Die Referenzprägungen werden auch als Einschwimmgeometrie bezeichnet und ermöglichen insbesondere einen Vergleich geometrischer Merkmale der Bipolarplatte mit Sollpositionen. Dies gilt sowohl für geprägte als auch für geschnittene Geometrien der Bipolarplatte sowie der einzelnen Halbbleche. The diameter of the measuring ball, which can be attributed to a ball probe of a type known per se, is, for example, 0.4 mm to 3 mm. If the measuring sphere contacts the three contact areas of the reference embossing, a bottom of the reference embossing remains at least slightly spaced from the measuring sphere in an advantageous embodiment, which avoids geometric overdetermination. The reference embossings are also referred to as floating-in geometry and in particular enable a comparison of geometric features of the bipolar plate with target positions. This applies to both embossed and cut geometries of the bipolar plate and the individual half-sheets.
Die Halbbleche der Bipolarplatte können in beliebiger an sich bekannter Weise, insbesondere durch Verschweißung, miteinander verbunden sein, wobei die Referenzprägungen auch aus dünnwandigem Blech gebildet sein können. Insbesondere in einem solchen Fall ist eine geringe Prägetiefe der Referenzprägungen ausreichend. Bei dem Blech, aus welchem die Halbbleche gefertigt sind, kann es sich um ein unbeschichtetes oder ein beschichtetes Blech, insbesondere Stahlblech, handeln, wobei die Be- schichtung im letztgenannten Fall entweder vor oder nach der Erzeugung der Prägestruktur einschließlich der Referenzprägungen, das heißt Einschwimmgeometrie, aufgebracht werden kann. Ebenso ist eine Wärmebehandlung der Halbbleche möglich. The half sheets of the bipolar plate can be connected to one another in any manner known per se, in particular by welding, it also being possible for the reference embossings to be formed from thin-walled sheet metal. In such a case in particular, a small embossing depth of the reference embossing is sufficient. The sheet metal from which the half sheets are made can be an uncoated or coated sheet metal, in particular sheet steel, where the layering in the latter case can be applied either before or after the creation of the embossed structure including the reference embossing, i.e. floating geometry. Heat treatment of the half sheets is also possible.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen: An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. Show in it:
Fig. 1 ein Detail einer Referenzprägung eines Halbblechs einer Bipolarplatte sowie eine in der Referenzprägung positionierte Messkugel, 1 shows a detail of a reference embossing of a half sheet of a bipolar plate and a measuring sphere positioned in the reference embossing,
Fig. 2 die Anordnung nach Figur 1 in einer Schnittdarstellung, 2 shows the arrangement according to FIG. 1 in a sectional view,
Fig. 3 die Bipolarplatte einschließlich zweier Referenzprägungen sowie Messkugeln in Draufsicht. 3 shows the bipolar plate including two reference embossings and measuring balls in plan view.
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Bipolarplatte ist in an sich bekannter Weise aus zwei Halbblechen 2 zusammengesetzt und zur Verwendung in einem nicht weiter dargestellten Brennstoffzellensystem vorgesehen. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Bipolarplatte 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen. A bipolar plate identified overall by the reference numeral 1 is composed of two half-sheets 2 in a manner known per se and is intended for use in a fuel cell system that is not shown in any more detail. With regard to the basic function of the bipolar plate 1, reference is made to the prior art cited at the outset.
Die Bipolarplatte 1 weist drei eingangsseitige Ports 3, 4, 5 und drei ausgangsseitige Ports 6, 7, 8 auf, wobei die Ports 4, 7 zur Durchleitung von Kühlmittel und die Ports 3, 5, 6, 8 zur Mediendurchleitung vorgesehen sind. Neben der eingangsseitigen Anordnung der Ports 3, 4, 5 und der ausgangsseitigen Anordnung der Ports 6, 7, 8 befindet sich jeweils ein Verteilerfeld 9, 10. Zwischen dem eingangsseitigen Verteilerfeld 9 und dem ausgangsseitigen Verteilerfeld 10 liegt das mit 11 bezeichnete Aktivfeld der Bipolarplatte 1. Die Bipolarplatte 1 weist eine insgesamt mit 12 bezeichnete Prägestruktur auf, welche in den Figuren nur ansatzweise, nämlich im Bereich zweier Referenzprä- gungen 15, dargestellt ist. Im Übrigen weist insbesondere das Aktivfeld 11 ein nicht dargestelltes Prägemuster auf, welches die Medienströmung durch die von der Bipolarplatte 1 begrenzten Brennstoffzellen beeinflusst und zugleich die mechanische Stabilität der Bipolarplatte 1 erhöht. The bipolar plate 1 has three ports 3, 4, 5 on the input side and three ports 6, 7, 8 on the output side, the ports 4, 7 being provided for the passage of coolant and the ports 3, 5, 6, 8 for the passage of media. In addition to the arrangement of the ports 3, 4, 5 on the input side and the arrangement of the ports 6, 7, 8 on the output side, there is a distribution panel 9, 10. Between the distribution panel 9 on the input side and the distribution panel 10 on the output side is the active panel, designated 11, of the bipolar plate 1 . 15, is shown. Otherwise, the active field 11 in particular has an embossed pattern (not shown), which influences the media flow through the fuel cells delimited by the bipolar plate 1 and at the same time increases the mechanical stability of the bipolar plate 1 .
Im Rahmen der Herstellung der Bipolarplatte 1 wird das Halbblech 2 auf einer nicht dargestellten Auflagefläche, welche eine Auflagereferenz darstellt, positioniert. In einem rechtwinkligen Koordinatensystem ist durch die plane Auflage des Halbblechs 2 auf der Auflagereferenz eine definierte Höheneinstellung, welche willkürlich als Ausrichtung in y-Richtung bezeichnet werden kann, gegeben. Die mit GE bezeichnete Grundebene des Halbblechs 2 befindet sich hierbei in exakt definierter Höhenlage. As part of the production of the bipolar plate 1, the sheet metal 2 is positioned on a bearing surface, not shown, which represents a bearing reference. In a right-angled coordinate system, a defined height setting, which can be arbitrarily referred to as alignment in the y-direction, is given by the planar support of the half-sheet 2 on the support reference. The base plane of the sheet metal 2, labeled GE, is in this case at a precisely defined altitude.
Ebenso könnte die Grundebene GE auf andere Weise definiert werden, beispielsweise als Ebene, die durch die Oberseite des Halbblechs 2 oder durch Konturen der Prägestruktur 12 gegeben ist. In jedem Fall ist zusätzlich zur Höhenlage des Halbblechs 2 auch die Positionierung des Halbblechs 2 in x- und z-Richtung einzustellen. Im vorliegenden Fall erstreckt sich die x-Richtung in Längsrichtung und die z-Richtung in Querrichtung des Halbblechs 2. Die Länge des Halbblechs 2, das heißt die Erstreckung des Halbblechs 2 in x-Richtung, ist mit L, die Breite des Halbblechs 2, das heißt die Erstreckung des Halbblechs 2 in Querrichtung, mit B bezeichnet. Zur exakten Ausrichtung des Halbblechs 2 in x-Richtung und in z-Richtung sind zwei längsseitige Anschlagkonturen 13 und eine schmalseitige Anschlagkontur 14 vorgesehen. Die Anschlagkonturen 13, 14 sind im vorliegenden Fall als rechteckige Ausnehmungen ausgebildet und zur Anlage an nicht dargestellten Gegenkonturen einer Fertigungsanlage vorgesehen. Likewise, the basic plane GE could be defined in a different way, for example as a plane that is defined by the upper side of the sheet metal half 2 or by contours of the embossed structure 12 . In any case, in addition to the vertical position of the half-sheet 2, the positioning of the half-sheet 2 in the x and z directions must also be set. In the present case, the x-direction extends in the longitudinal direction and the z-direction in the transverse direction of the half-plate 2. The length of the half-plate 2, i.e. the extension of the half-plate 2 in the x-direction, is with L, the width of the half-plate 2, that is, the extension of the half-sheet 2 in the transverse direction, denoted by B. Two stop contours 13 on the longitudinal side and one stop contour 14 on the narrow side are provided for the exact alignment of the sheet metal half 2 in the x-direction and in the z-direction. In the present case, the stop contours 13, 14 are designed as rectangular recesses and are intended to rest against counter-contours of a production plant, which are not shown.
Nachdem das Halbblech 2 in der beschriebenen Weise in der Fertigungsanlage positioniert wurde, bieten die Referenzprägungen 15 die Möglichkeit, die Lage des Halbblechs 2 und dessen einzelne Strukturen exakt zu detektieren. Dies kann zum einen als Qualitätssicherungsmaßnahme durchgeführt werden und zum anderen der Vorbereitung und laufenden Überwachung weiterer Produktionsschritte dienen. Details der Referenzprägungen 15 gehen aus den Figuren 1 und 2 hervor. Durch jede Referenzprägung 15 sind drei Anlagebereiche 16, 17, 18 ausgebildet, die zur Anlage einer Messkugel 20 vorgesehen sind. Die Messkugel 20, das heißt Kugel eines Messtasters, kontaktiert die Anlagebereiche 16, 17, 18 der Referenzprägung 15 in der Draufsicht (Figur 1 ) in etwa gleichmäßigen Winkelabständen, welche in Figur 1 mit a angegeben sind. Der Abstand zwischen den beiden Referenzprägungen 15 in Längsrichtung der Bipolarplatte 1 ist mit AL, der Abstand in Querrichtung mit AB angegeben. Beide Referenzprägungen 15 befinden sich im vorliegenden Fall im Aktivfeld 11. After the half-sheet 2 has been positioned in the production plant in the manner described, the reference embossings 15 offer the possibility of precisely detecting the position of the half-sheet 2 and its individual structures. On the one hand, this can be carried out as a quality assurance measure and, on the other hand, serve to prepare and continuously monitor further production steps. Details of the reference embossings 15 can be seen in FIGS. Three contact areas 16, 17, 18 are formed by each reference embossing 15, which are provided for contacting a measuring ball 20. The measuring ball 20, ie the ball of a measuring probe, contacts the contact areas 16, 17, 18 of the reference embossing 15 in the top view (FIG. 1) at approximately uniform angular distances, which are indicated by a in FIG. The distance between the two reference embossings 15 in the longitudinal direction of the bipolar plate 1 is given as AL, and the distance in the transverse direction is given as AB. Both reference embossings 15 are in the present case in the active field 11.
Jeder Anlagebereich 16, 17, 18 ist, wie aus Figur 2 hervorgeht, gegenüber der Grundebene GE um einen Winkel ß schräggestellt. Die Messkugel 20, deren Durchmesser mit D angegeben ist, bleibt bei der Abtastung der Referenzprägung 15 von dem mit 19 bezeichneten Boden der Referenzprägung 15 beabstandet, sodass ein Dreipunktkon- takt zwischen der Messkugel 20 und der Referenzprägung 15 gegeben ist. As can be seen from FIG. 2, each contact area 16, 17, 18 is inclined by an angle β relative to the base plane GE. The measuring ball 20, whose diameter is indicated by D, remains at a distance from the base of the reference stamping 15, which is labeled 19, when the reference stamping 15 is scanned, so that there is a three-point contact between the measuring ball 20 and the reference stamping 15.
Bezuqszeichenliste Reference character list
1 Bipolarplatte 1 bipolar plate
2 Halbblech 2 half sheet
3 Port, einlassseitig 3 port, inlet side
4 Port, einlassseitig 4 port, inlet side
5 Port, einlassseitig 5 port, inlet side
6 Port, auslassseitig 6 port, outlet side
7 Port, auslassseitig 7 port, outlet side
8 Port, auslassseitig 8 port, outlet side
9 Verteilerfeld 9 patch panel
10 Verteilerfeld 10 patch panel
11 Aktivfeld 11 active field
12 Prägestruktur 12 embossing structure
13 längsseitige Anschlagkontur 13 stop contour on the long side
14 schmalseitige Anschlagkontur 14 stop contour on the narrow side
15 Vermessungsprägung 15 survey embossing
16 Anlagebereich der Referenzprägung 16 Contact area of the reference embossing
17 Anlagebereich der Referenzprägung 17 Contact area of the reference embossing
18 Anlagebereich der Referenzprägung 18 Contact area of the reference embossing
19 Boden der Vermessungsprägung 19 base of survey embossing
20 Kugel, Messkugel a Winkel ß Winkel 20 ball, measuring ball a angle ß angle
AB Abstand in Querrichtung AB distance in transverse direction
AL Abstand in Längsrichtung AL Longitudinal distance
B Breite B width
D Durchmesser D diameter
GE Grundebene GE Ground Plane
L Länge L length

Claims

Patentansprüche Bipolarplatte (1 ), mit einer Prägestruktur (12), welche mindestens zwei zur Detektion der Lage der Bipolarplatte (1 ) nutzbare Referenzprägungen (15) aufweist, wobei jede der Referenzprägungen (15) zur Dreipunktanlage einer Messkugel (20) ausgebildet ist. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jede Referenzprägung (15) drei zur Kontaktierung der Messkugel (20) in Winkelabständen (a) von jeweils mindestens 35° und höchstens 165° vorgesehene Anlagebereiche (16, 17, 18) aufweist, wobei sich die Winkelangaben auf eine Draufsicht auf die Bipolarplatte (1 ) beziehen. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Referenzprägung (15) einen durch die Messkugel (20) nicht kontaktierbaren Boden (19) aufweist. Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine rechteckige, nicht quadratische Grundform aufweist, wobei der Abstand (AL) zwischen den beiden Referenzprägungen (15) in Längsrichtung der Bipolarplatte (1) mindestens 20% und höchstens 95% deren Länge (L) und der Abstand (AB) zwischen den beiden Referenzprägungen (15) in Querrichtung der Bipolarplatte (1 ) mindestens 30% und höchstens 80% deren Breite (B) beträgt. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Referenzprägungen (15) in einem Aktivfeld (11 ) oder einem an das Aktivfeld (11 ) angrenzenden Verteilerfeld (9, 10) der Bipolarplatte (1 ) befinden. Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus zwei Halbblechen (2) aufgebaut ist, wobei sich Referenzprägungen (15) in jedem Halbblech (2) befinden. Verfahren zur Herstellung und Detektion geometrischer Merkmale eines Halbblechs (2) einer Bipolarplatte (1 ), mit folgenden Schritten: - Bereitstellung eines Halbblechs (2) mit rechteckiger, nicht quadratischer Grundform, The bipolar plate (1) has an embossed structure (12) which has at least two reference embossings (15) that can be used to detect the position of the bipolar plate (1), each of the reference embossings (15) being designed for the three-point contact of a measuring ball (20). Bipolar plate (1) according to Claim 1, characterized in that each reference embossing (15) has three contact areas (16, 17, 18) provided for contacting the measuring ball (20) at angular distances (a) of at least 35° and at most 165°, wherein the angle information relates to a plan view of the bipolar plate (1). Bipolar plate (1) according to Claim 2, characterized in that each reference embossing (15) has a base (19) which cannot be contacted by the measuring ball (20). Bipolar plate (1) according to one of Claims 1 to 3, characterized in that it has a rectangular, non-square basic shape, the distance (AL) between the two reference embossings (15) in the longitudinal direction of the bipolar plate (1) being at least 20% and at most 95% its length (L) and the distance (AB) between the two reference embossings (15) in the transverse direction of the bipolar plate (1) is at least 30% and at most 80% of its width (B). Bipolar plate (1) according to claim 4, characterized in that the reference embossings (15) are located in an active field (11) or in a distribution field (9, 10) of the bipolar plate (1) adjoining the active field (11). Bipolar plate (1) according to one of Claims 1 to 5, characterized in that it is constructed from two half-sheets (2), reference stampings (15) being located in each half-sheet (2). Method for producing and detecting geometric features of a half-sheet (2) of a bipolar plate (1), with the following steps: - Provision of a half sheet (2) with a rectangular, non-square basic shape,
- Herstellung von mehreren als Ausnehmungen ausgebildeten Anschlagkonturen (13, 14) an mindestens einer Längsseite und mindestens einer Schmalseite des Halbblechs (2), - Production of a plurality of stop contours (13, 14) designed as recesses on at least one longitudinal side and at least one narrow side of the sheet metal half (2),
- Erzeugung einer Prägestruktur (12) des Halbblechs (2), welche zwei zur Detektion der Lage des Halbblechs (2) nutzbare Referenzprägungen (15) umfasst, wobei jede der Referenzprägungen (15) zur Dreipunktanlage einer Messkugel (20) ausgebildet ist, - Production of an embossed structure (12) of the half-sheet (2), which comprises two reference embossings (15) that can be used to detect the position of the half-sheet (2), each of the reference embossings (15) being designed for the three-point contact of a measuring ball (20),
- Positionierung des Halbblechs (2) auf einer Auflagefläche unter Nutzung der Anschlagkonturen (13, 14), - Positioning of the half sheet (2) on a support surface using the stop contours (13, 14),
- Kontrolle der Lage des Halbblechs (2) durch taktile Erfassung der Position der Referenzprägungen (15), - Control of the position of the half sheet (2) by tactile detection of the position of the reference embossing (15),
- Erfassung weiterer geometrischer Strukturen des Halbblechs (2) analog zur Kontrolle der Position der Referenzprägungen (15). Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Anschlagkonturen (13) an einer Längsseite und eine einzige Anschlagkontur (14) an einer Schmalseite des Halbblechs (2) erzeugt werden. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermessung des Halbblechs (2) rein taktil erfolgt. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die taktile Vermessung des Halbblechs (2) mit einer Messkugel (20) erfolgt, deren Durchmesser (D) mindestens 0,4 mm und höchstens 3 mm beträgt. - Detection of other geometric structures of the half-sheet (2) analogous to checking the position of the reference embossing (15). Method according to Claim 7, characterized in that exactly two stop contours (13) are produced on a longitudinal side and a single stop contour (14) on a narrow side of the sheet metal half (2). Method according to Claim 7 or 8, characterized in that the measurement of the sheet metal (2) is carried out purely by touch. Method according to Claim 9, characterized in that the tactile measurement of the sheet metal (2) is carried out with a measuring ball (20) whose diameter (D) is at least 0.4 mm and at most 3 mm.
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