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.

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.

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.

Die DE 10 2005 006 467 A1 beschreibt ein Verfahren zum Umformen einer Blechplatine mit Hilfe einer Tiefziehpresse. Insbesondere sollen damit Karosserieteile produzierbar sein.

Ein weiteres Verfahren zum Umformen eines Metallbleches ist in der 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.

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.

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.

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.

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:

- Bereitstellung eines Halbblechs beziehungsweise einer einlagigen Bipolarplatte mit rechteckiger, nicht quadratischer Grundform,

- Herstellung von mehreren als Ausnehmungen ausgebildeten Anschlagkonturen an mindestens einer Längsseite und mindestens einer Schmalseite des Halbblechs beziehungsweise der gesamten Bipolarplatte,

- 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,

- Positionierung zumindest des Halbblechs auf einer Auflagefläche unter Nutzung der Anschlagkonturen,

- Kontrolle der Lage des Halbblechs durch taktile Erfassung der Position der Referenzprägungen,

- Erfassung weiterer geometrischer Strukturen des Halbblechs analog zur Kontrolle der Position der Referenzprägungen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 ein Detail einer Referenzprägung eines Halbblechs einer Bipolarplatte sowie eine in der Referenzprägung positionierte Messkugel,

Fig. 2 die Anordnung nach Figur 1 in einer Schnittdarstellung,

Fig. 3 die Bipolarplatte einschließlich zweier Referenzprägungen sowie Messkugeln in Draufsicht.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Bezuqszeichenliste

1 Bipolarplatte

2 Halbblech

3 Port, einlassseitig

4 Port, einlassseitig

5 Port, einlassseitig

6 Port, auslassseitig

7 Port, auslassseitig

8 Port, auslassseitig

9 Verteilerfeld

10 Verteilerfeld

11 Aktivfeld

12 Prägestruktur

13 längsseitige Anschlagkontur

14 schmalseitige Anschlagkontur

15 Vermessungsprägung

16 Anlagebereich der Referenzprägung

17 Anlagebereich der Referenzprägung

18 Anlagebereich der Referenzprägung

19 Boden der Vermessungsprägung

20 Kugel, Messkugel a Winkel ß Winkel

AB Abstand in Querrichtung

AL Abstand in Längsrichtung

B Breite

D Durchmesser

GE Grundebene

L Länge