CN115133057A - 具有定位开口的双极板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电化学系统的双极板，包括彼此连接的第一单独的板和第二单独的板，其中，第一单独的板具有带有第一卷边的至少一个第一定位开口，第一定位开口至少部分地由第一卷边环绕，其中，第二单独的板具有带有第二卷边的至少一个第二定位开口，其中，第二定位开口至少部分地由第二卷边环绕，其中，单独的板的第一定位开口和第二定位开口彼此对齐布置，并且形成双极板的定位开口，其中，第一卷边形成用于第一定位销的至少一个第一接触区，并且第二卷边形成用于第一定位销的至少一个第二接触区。此外，本发明涉及一种用于生产这种双极板的方法和一种用于生产包括多个这种双极板的堆叠的方法。

Description

具有定位开口的双极板及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种用于电化学系统的双极板及其生产方法，该双极板具 有至少一个定位开口。电化学系统具体地可以是燃料电池单体系统、电化 学压缩机、电解器、或者氧化还原液流电池。

背景技术

已知的电化学系统通常包括成堆叠的电化学电池单体，它们各自被金 属隔板分开。这些隔板通常设计为双极板。

这些双极板通常包括两个单独的金属板，它们通常通过焊接连结在一 起，这些金属板通常由薄金属片材制成。然后每个隔板或双极板包含第一 金属片材和第二金属片材。双极板或形成双极板的单独的板可用于例如电 接触单独的电化学电池单体(例如燃料电池单体，特别是间接地)的电极 和/或用于电连接相邻电池单体(电池单体的串联连接)。

双极板或者形成双极板的单独的板或金属片材可以具有通道结构，该 通道结构设计成向电池单体提供一种或多种介质和/或从其去除反应产物。 介质例如可以是燃料(例如，氢或甲醇)、反应气体(例如，空气或氧气) 或冷却剂。这种通道结构通常布置在电化学活性区域(气体分配结构/流场) 中。此外，双极板或者形成双极板的单独的板或金属片材可以设计成传递 当在电化学电池单体中转换电能和/或化学能时所产生的废热，并且还相对 于彼此和/或相对于外部来密封各种介质通道和冷却通道。前述的通道结构 和/或密封结构，具体的是密封凸边，例如借助凸压工具凸压到单独的板中。 类似的结构也存在于用于电化学系统的加湿器的隔板上。因此，以下所述 也可以对应地适用于加湿器的隔板。

双极板通常有若干任务：

-电接触，特别是间接地电接触单独的电化学电池单体的电极，并且 将电流传递到相邻的电池单体(串联的电池单体)

-向电池单体供应诸如水或气体之类的反应物，并经由对应的分配结 构去除产生的反应气体，

-传输在发电期间产生在电化学电池单体中的废热，以及

-将所谓流场的各种介质通道和冷却通道相对于彼此以及相对于外 部密封。

在生产双极板时，遵守严格的尺寸公差非常重要，否则可能会发生功 能性甚至与安全性相关的故障。这在焊接多层双极板的情况下尤其重要。

然而，在由两件金属片材生产双极板所必需的步骤期间，可能会出现 各种不精确之处。通常地，在加工双极板的每个单独板时通常使用至少两 种不同的工具，例如用于使单独板的区域变形的凸压工具和用于在单独的 板中产生贯通开口的冲压工具。如果单独的板未最佳定位在至少一个工具 中，这可能因此导致该单独的板的凸压结构相对于同一单独的板的冲压结 构的相对对齐会偏离理想的相对对齐的情况。作为替代或附加地，当将第 一单独的板或第一金属片材连结到第二单独的板或第二金属片材时，如果 要在连结工具中连结的两个单独的板或金属片材的相对对齐偏离连结工具 中的理想的相对对齐时，可能会发生装配误差。

以前，已经使用定位孔来确保隔板相对于彼此的精确定位。如果这些 确保至少两个隔板相对于彼此精确定位的定位孔与其它贯通开口同时形 成，并且与隔板外边缘的切割同时进行，则在实践中已经发现隔板相对于 彼此定位的精确性和再现性是不足的。特别地，这导致双极板的通道几何 形状的偏移。如果在通道之间存在极端偏移，则当连结双极板的隔板时， 特别是在电化学活性区域或其它通道引导区域中，可选地包括在外边缘处或贯通开口附近，焊接发生在隔板不承载抵靠彼此的位置处，并且因此早 在电化学系统焊接期间就可能发生热损坏。此外，当构建堆叠时，由两个 单独的板形成的一个双极板相对于下一个双极板或以正在进行的方式到另 外的双极板的定位可能发生不精确，使得相邻或进一步分开的双极板的密 封元件之间的偏移导致整个堆叠中的力传递不足，并且因此导致整个系统 中出现泄漏。此外，介质贯通开口的偏移会导致介质的供应或去除受损甚至不足。

为了减小板相对于彼此定位的制造公差，该过程可以例如借助粗略定 位和精细定位来进行。由于切割轮廓的位置相对不精确(参见上文的解释)， 因此这些切割轮廓通常用于粗略定位。为了随后的精细定位，在板中提供 了额外的凸压元件，但这些也占用了额外的空间。在板的定位元件正确地 彼此接合之前，在通过成形过程而无意弯曲的粗略定位的板在关闭焊接工 具时已经部分地压在一起。这使得将板相对于彼此精确居中而更加困难。

综上所述，将该过程拆分为粗略定位和精细定位会占用部件上的额外 空间。由于两个系统的空间分离，两个对中系统之间的相互作用而更加困 难，特别是在单独的板不平坦的情况下。

另一种方法是使用双极板的外轮廓来将它们相对于彼此定位。然而， 同样，这些板不能总是以所需的精度相对于彼此布置，特别是，这不允许 相对于比如通道结构之类的整体模制的结构来定位。

发明内容

因此，本发明的目的是至少部分地解决上述问题。

这一目的是通过独立权利要求的主题实现的。在下文描述和从属权利 要求中描述了其它进展和有利的实施例。

因此，根据第一方面，提供了一种用于电化学系统的双极板。双极板 包括彼此连接的第一单独的板和第二单独的板。

第一单独的板具有带有第一卷边的至少一个第一定位开口，第一定位 开口至少部分地由第一卷边环绕。第二单独的板具有带有第二卷边的至少 一个第二定位开口，第二定位开口至少部分地由第二卷边环绕。

单独的板的第一定位开口和第二定位开口彼此对齐布置，并且形成双 极板的定位开口。第一卷边形成用于第一定位销的至少一个第一接触区， 并且第二卷边形成用于第一定位销的至少一个第二接触区。

单独的板的相应卷边和相关的定位开口通常通过形成定位孔的边缘来 形成(也参见下文的生产方法)。结果，定位开口，包括其边缘的最终产 生可以在与设置在单独的板中的其它凸压结构相同的成形工具中进行，即 特别是与其它凸压结构的产生同时进行，并且可以仅在一次操作中发生(另 请参见下面描述的生产方法)。因此，生产定位开口和其它凸压结构的精 度很大程度上取决于单个工具，其结果是能够更好地遵守制造公差或保持恒定。

作为示例，每个单独的板包括用于沿着相应的单独板的平坦侧引导介 质的流场。在此，流场可以被凸压到单独的板中并且可以包括例如多个凸 压结构。流场较佳地与卷边同时产生。所讨论的单独的板的相应定位开口 和相应流场可以具有例如相对于彼此的预定的位置和/或对齐，其例如限定 在定位开口的中心点处和/或在流场的中心点处，其中与预定位置的偏离较 佳地小于200μm，较佳地小于100μm，特别是小于50μm。

在此，如果通过其质心绘制的直线垂直于单独的板的板平面延伸，则 可以认为定位开口彼此对齐。根据另一限定，如果定位销可以同时插入穿 过相应的定位开口，则可以认为相应的定位开口彼此对齐。相应的卷边形 成用于定位销的接触区的事实并不意味着相应的整个卷边形成接触区，而 是通常相应的卷边的指向定位开口的部分或仅该部分的一部分。

在下文中，为了简单起见，有时将双极板的第一定位开口、第二定位 开口和/或定位开口统称为“相应的定位开口”。“相应的定位开口”因此 可以根据上下文理解为意指双极板的第一定位开口、第二定位开口和/或定 位开口。

相应的定位开口尤其仅具有定位单独的板或双极板的功能，例如相对 于工具、相对于另一直接相邻的单独的板或双极板、或相对于另一间接相 邻的单独的板或双极板来定位。第一单独的板、第二单独的板和/或双极板 可以借助相应的定位开口以限定方式定位在其中的工具例如可以是定位装 置、固定装置、诸如焊接工具的连结工具、诸如涂层装置的表面处理装置、 和/或表面结构化装置、或切割装置，特别是冲压或激光切割装置。通常， 相应的定位开口允许所述定位装置的第一定位销的接合。所述工具因此包 括至少一个第一定位销，该第一定位销例如能够借助形状配合接收在相应 的定位开口中并且可以在该处在卷边的接触区的区域中接触。

取决于实施例，第一定位开口和第二定位开口可以各自设计为相应的 单独的板的外边缘中的凹口或相应的单独的板中的贯通开口，其由相应的 单独的板的材料完全环绕。然而，通常没有介质引导功能与这种类型的贯 通开口相关联。特别地，相应的定位开口不同于任何可同样形成在单独的 板或双极板中的流体传导贯通开口，并且可例如形成用于诸如反应介质或 冷却剂的流体的流入或流出的通道。

第一定位开口的第一边沿和第二定位开口的第二边沿通常形成第一定 位开口的第一边缘和第二定位开口的第二边缘，并且因此至少在相应的卷 边的区域中不形成材料的自由端。指向相应定位开口的相应卷边的边沿可 以是相应定位开口的边沿的部分。指向定位开口的相应卷边的边沿可以特 别地形成相应的接触区。卷边的所述边沿不是卷边的自由端。在下文中， 除非另有说明，术语“边沿”是指相应定位开口的边沿。指向自由端的相应卷边的部分通常在远离相应定位开口的径向方向上延伸。环绕相应的定 位开口的材料的自由端可以相对于由相应的单独的板限定的板平面卷曲 (折起)至少100°，较佳地至少120°，尤其是至少140°，例如至少160 °。所述相应的自由端因此可以与板平面成一定角度或与板平面基本平行 (以大约180°的角度)定向。在一些实施例中，自由端被卷曲，使得自由 端与非卷曲区域中的相应的单独的板的材料接触。

通常，第一卷边设置在第一边沿的至少一个第一边沿区段中。此外， 第二卷边可以设置在第二边沿的至少一个第二边沿区段中。通常，在第一 边沿的至少一个第一边沿区段中，第一边沿是第一卷边的部分。此外，在 第二边沿的至少一个第二边沿区段中，第二边沿是第二卷边的部分。在这 些边沿区段之间，相应的边沿可以形成为不带有卷边。因此，相应的边沿 可以以交替的方式具有带卷边的边沿区段和不带卷边的边沿区段。换言之， 相应的边沿可以以交替的方式具有其中边沿是卷边的部分这种边沿区段以 及其中边沿不是卷边的部分的其它边沿区段。除非另有说明，以下提到的 边沿区段具有卷边。第一边沿和/或第二边沿可以具有多个边沿区段，这些 边沿区段在相应定位开口的周向方向上彼此跟随并且尤其是彼此间隔开。 作为示例，每个定位开口设有两个、三个、四个或更多个边沿区段。边沿 区段可以在相应定位开口的周向方向上具有彼此相等的间距。卷边的指向 其自由端的部分在边沿区段中在相应定位开口的径向方向上延伸，例如， 这些部分可以是凸片形的。取决于实施例，第一边沿区段和第二边沿区段 (以及对应的卷边)可以相对于双极板的定位开口的周向方向布置在相同 或不同的位置处。

在替代实施例中，第一边沿的第一卷边和/或第二边沿的第二卷边完全 环绕相应的定位开口。在这种情况下，相应的卷边以及相应的边沿因此本 质上是闭合的。

在第一卷边和/或第二卷边的区域中板的高度通常小于第一单独的板或 第二单独的板的最大部件高度，高度垂直于相应的单独的板的板平面测量。 实际上，在卷边的区域中，相应的单独的板的高度略大于板厚的两倍，例 如至多4倍，较佳地至多3倍，较佳地至多2.5倍单个板厚。特别地，卷边 可以具有比设置在单独的板中的凸压结构更小的高度，凸压结构诸如通道 结构、密封元件或凸边布置。因此，卷边较佳地对相应的单独的板或双极板的最大部件高度没有影响。

第一卷边的第一接触区有时可以形成用于第二定位销的接触区。在一 些实施例中，第一卷边形成用于第二定位销的至少一个第三接触区。

可以规定，第一接触区、第二接触区和/或第三接触区在双极板的定位 开口的周向方向上位于不同或相同的位置处。

虽然将第一定位销设计成使第一单独的板和第二单独的板相对于彼此 对齐，但是第二定位销可以设置成使双极板相对于相邻的双极板和/或相对 于多个双极板对齐。因此，总体而言，双极板的同一定位开口可以用于单 独的板相对于彼此的定位，并且可以用于将双极板相对于另外的双极板定 位，由此可以节省相应的板上的空间。

可选地，第二定位开口在第一单独的板上的垂直于双极板的板平面的 正交投影限定第一投影区，第一单独的板在第一投影区的区域中具有第一 卷边的至少一部分。可选地，第一定位开口在第二单独的板上的垂直于双 极板的板平面的正交投影限定第二投影区，第二单独的板在第二投影区的 区域中具有第二卷边的至少一部分。

可以规定，第一卷边包括在第一投影区的区域中的第一和/或第三接触 区。可选地，第二卷边可以包括在第二投影区的区域中的第二接触区。

根据一个实施例，第一定位开口具有关于第一对称平面或关于第一对 称轴线的对称性。第一对称平面或第一对称轴线可以定向成垂直于由第一 单独的板限定的第一板平面。可选地，第二定位开口具有关于第二对称平 面或关于第二对称轴线的对称性。较佳地，第二对称平面或第二对称轴线 垂直于由第二单独的板限定的第二板平面定向。

第一定位开口和第二定位开口在表面积和/或轮廓和/或定向方面可以 彼此相同或不同。如果它们具有相同的面积和/或相同的轮廓，则第一定位 开口和第二定位开口可以相对于彼此旋转。如果它们具有相同的定向，则 第一定位开口和第二定位开口的轮廓和/或表面积可以不同。

相应的定位开口例如可以是卵形的、狭槽形的或倒圆多边形。当设计 成外边缘中的凹口时，相应的定位开口可以例如是半圆形或半卵形，可以 对应于圆形或卵形的不同区段，或者可以是倒圆多边形形状的一部分。可 选地，相应的定位开口可以设计成具有量级为n的旋转对称性，其中n较 佳地大于1和/或小于60。

双极板的第一卷边和第二卷边可以指向第一和第二定位开口的不同轴 向方向。它们都可以布置在双极板的内侧上并指向彼此，使得它们抵靠彼 此。然而，它们可以特别地布置在双极板的相对的平坦侧上并且彼此远离 地指向。替代地，双极板的第一卷边和第二卷边可相对于第一或第二定位 开口指向相同的轴向方向。

第一单独的板和/或第二单独的板可以分别具有板体，该板体可以设计 为金属板并且较佳地由不锈钢制成。

相应的卷边通常通过将板体的材料折叠起来形成。因此，卷边通常由 与相关的板体相同的材料制成，特别是与其成一体。

在本说明书的另一方面，提供了一种电化学系统。该电化学系统包括 多个上述类型的堆叠的双极板。通常，两个相邻的双极板界定电化学电池 单体，其中该电化学电池单体可以具有至少一个气体扩散层和一个膜电极 组件。由于其生产方式的原因，堆叠的双极板的定位开口通常彼此对齐并 形成定位通道。在这种情况下，电化学电池单体较佳地还具有对齐的切口， 例如在膜电极组件的边缘加强的区域中。

根据本说明书的另一方面，提出了一种用于生产特别是上述类型的双 极板的方法。该方法包括以下步骤：

-提供第一单独的板和第二单独的板；

-产生，特别是冲压，在第一单独的板中的至少一个第一定位孔和在 第二单独的板中的至少一个第二定位孔；

-形成第一单独的板，使得第一定位孔的第一边缘至少部分地卷曲以 形成第一定位开口，使得第一定位开口具有第一卷边；

-形成第二单独的板，使得第二定位孔的第二边缘至少部分地卷曲以 形成第二定位开口，使得第二定位开口具有第二卷边；

-借助单独的板的定位开口将单独的板定位在第一定位销上，其中单 独的板的两个卷边与第一定位销接触，以及

-连结两个单独的板。

第一单独的板和第二单独的板的成形通常在同一成形工具中进行。通 过使边缘轮廓在成形工具中卷边，边缘轮廓直到成形工具才被限定，而与 切割轮廓无关。通过对其边缘进行卷边，定位孔变宽，并且因此与相关的 定位开口相比，原始定位孔具有较小的直径和/或较小的面积。

在相应的成形步骤中，可以在相应的单独的板中同时产生用于沿着相 应的单独的板的平坦侧引导介质的至少一个流场。相应的成形步骤可以包 括单个成形步骤，其中流场和定位开口都完全成形。然而，相应的成形步 骤也可以包括预成形步骤和精成形步骤。在这种情况下，至少形成流场和 定位开口的最终部分发生在精成形步骤中。相应的单独的板的成形以及如 果提供的话，预成形步骤和精成形步骤可以例如包括单独的板的深拉和/或 凸压和/或液压成形和/或弯曲。

特别地，定位开口的最终产生可以在与流场的产生相同的工具中进行， 使得一旦完成，定位开口和流场之间的制造公差在部件中保持不变并且仅 取决于成形工具。随后，由此产生的定位开口的轮廓相对于单独的板的其 它凸压轮廓更加精确。通过对整个边沿进行卷边，相应的单独的板可以在 这些点处变得比单独的板的厚度仅厚大约两倍。

在将单独的板相对于彼此定位的步骤中，单独的板的卷边至少在一些 部分，特别是仅在第一部分中与第一定位销接触。第一部分可以由上述第 一接触区和/或上述第二接触区形成。

单独的板在此的计数的方式与其特定的生产顺序无关。

在连结步骤中，单独的板较佳地以材料结合的方式彼此连结，例如借 助焊接，尤其是激光焊接。

该方法还可以包括以下步骤：

-通过垂直于由定位销限定的轴向方向地侧向位移第一定位销和/或 通过旋转第一定位销来去除双极板。

作为示例，如果第一定位销相对于旋转对称轴线具有量级为n的旋转 对称性，则第一定位销可以旋转角度

其中

并且n为自然数， 较佳地大于1和/或小于60。例如，n＝2、3、4、5、6、8、10、12、24或 36。

因此，特别是可以通过该方法生产上述双极板。上述双极板的一些或 全部特征因此可以与生产方法结合，并且反之亦然。

此外，本说明书提供了一种用于生产用于电化学系统的堆叠的方法。

在此，堆叠包括多个上述类型的堆叠的双极板。该方法包括以下步骤：

-借助双极板的定位开口将双极板定位在第二定位销上；以及

-将双极板压在一起以形成上述堆叠。

因此，在定位步骤中，双极板放置在彼此顶部上并堆叠。为了堆叠多 个双极板，将它们相对于彼此定位在产生的定位开口的边沿处。由于卷边 的高度通常小于部件高度(见上文)，因此所述卷边通常对部件之间的间 距没有影响。

在定位步骤中，单独的板的卷边至少在一些部分，特别是在第三接触 区的区域中与第二定位销接触，其中第三接触区也可以与第一接触区完全 或部分重合。较佳地，仅第一单独的板的第一卷边与第二定位销接触，而 第二单独的板的第二卷边与第二定位销间隔开，例如在径向方向上。第二 定位销和第一单独的板的第一卷边之间的接触可以发生在相同区域中，即 在第一接触区中，或者发生在与第一定位销和第一单独的板的卷边之间的接触部不同的区域中。与第二定位销的接触也可能仅发生在第一接触区的 一部分中。在此对单独的板的计数的方式是任意的，并且仅旨在说明单独 的板中仅一个与第二定位销接触。

因此，虽然提供卷边的上述第一和第二接触区以相对于彼此定位单独 的板，但提供卷边的所述第三接触区以相对于彼此定位双极板。用于相对 于彼此定位单独的板的第一定位销和用于相对于彼此定位双极板的第二定 位销通常是不同工具的两个不同销。

在本说明书中使用的一个或多个相应的板的术语“定位”还可以具体 地包括一个或多个相应的板的术语“对中”和/或术语“对齐”，其中一个 或多个相应的板的术语“定位”、“对中”和“对齐”可以同义使用。

该方法还可以包括以下附加步骤：

-通过在接触状态下使第二定位销垂直于由第二定位销限定的轴向方 向侧向地位移和/或通过旋转第二定位销来去除堆叠。

当借助第二定位销定位双极板时，第二定位销通常只与第一卷边的边 沿接合。通过使第二定位销位移或旋转，第一卷边和第二定位销可以脱离 接合并且堆叠可以从定位销脱开。结果，堆叠然后可以从第二定位销去除。

作为示例，如果第二定位销相对于旋转对称轴线具有量级为n的旋转 对称性，则第二定位销可以旋转角度

其中

并且n为自然数， 较佳地大于1和/或小于60。例如，n＝2、3、4、5、6、8、10、12、24或36。

双极板、气体扩散层和膜电极组件通常以交替的方式堆叠，使得在相 邻的双极板之间布置至少一个气体扩散层和一个膜电极组件。此外，至少 一个端板可以堆叠在堆叠的每一端处。然后通过压缩端板将双极板、气体 扩散层和膜电极组件压在一起。

特别地，可以通过该方法生产上述电化学系统。上述电化学系统的一 些或全部特征因此可以与生产方法结合，并且反之亦然。

总之，通过本发明的各个方面可以实现以下优点。

一方面，双极板的相同定位开口可以用于单独的板相对于彼此的定位， 并且可以用于将双极板相对于另外的双极板定位，由此可以节省空间。此 外，相同的参考系统可以用于单独的板、一个或多个双极板和制造工具， 这可以提高精度。

此外，定位开口最终仅在卷曲时产生。因此，定位开口相对于流场的 位置和定向仅取决于一种工具，即成形工具，而现有技术中定位开口相对 于流场的位置和定向既取决于冲压工具，也取决于成形工具。因此不需要 根据现有技术经由凸压结构进行精细对中。

附图说明

附图中示出了隔板、双极板、电化学系统和生产方法的示例性实施例， 并且将基于下文的描述更详细地解释。在附图中：

图1以立体图示意性地示出了电化学系统，该电化学系统包括布置在 堆叠中的多个隔板或双极板；

图2以立体图示意性地示出了根据图1的系统的两个双极板，其中膜 电极组件(MEA)布置在双极板之间；

图3A示意性地示出了通过根据图1所示系统类型的系统的板堆叠的 截面，其中相邻双极板之间具有偏移；

图3B示意性地示出了穿过根据图1所示系统类型的系统的板堆叠的 截面，其中相邻的单独板之间具有偏移；

图3C示意性地示出了穿过根据图1所示的系统类型的系统的板堆叠 的截面，其中相邻的双极板和相邻的隔板都以限定的方式定位并且相对于 彼此基本上没有任何偏移。

图4A示意性地示出了具有两个定位开口的双极板的平面图；

图4B示意性地示出了具有三个定位开口的双极板的平面图；

图5A示意性地示出了借助第一定位销相对于彼此居中但尚未彼此连 结的两个单独板的定位开口的平面图；

图5B示意性地示出了包括图5A的单独的板的双极板的定位开口的平 面图；

图5C示意性地示出了图5B的双极板的定位开口的平面图，其借助第 二定位销相对于另外的双极板对齐；

图5D示意性地示出了图5C的双极板的定位开口的平面图，其与另外 的双极板压在一起。

图6A示意性地示出了相对于彼此居中但尚未彼此连结的两个单独的 板的定位开口的平面图；

图6B示意性地示出了包括图6A的单独的板的双极板的定位开口的平 面图；

图6C示意性地示出了穿过图6B的双极板的定位开口的截面；

图6D示意性地示出了图6B的双极板的定位开口的平面图，其借助第 二定位销相对于另外的双极板对齐；

图6E示意性地示出了图6D的双极板的定位开口的平面图，其与另外 的双极板压在一起。

图6F示意性地示出了穿过图6D的三个堆叠的双极板的定位开口的倾 斜的截面。

图7A以立体图示意性地示出了单独的板的定位开口；

图7B以平面图示意性地示出了包括图7A的单独的板的另外的双极板 的定位开口；

图7C示意性地示出了穿过图7B的双极板的定位开口的截面；

图8A示出了一个双极板的卷边的详细视图；

图8B示出了另一个双极板的卷边的详细视图；

图8C示出了另一个双极板的卷边的详细视图；

图8D示出了另外的双极板的卷边的详细视图；

图8E示出了另外的双极板的卷边的详细视图；

图9A示出了处于非压缩状态的具有插入的单独的板的成形工具；

图9B示出了插入如图9A的成形工具中的单独的板的定位开口的边缘 的详细视图；

图9C示出了处于压缩状态的具有插入的单独的板的成形工具；

图9D示出了插入如图9C的处于压缩状态的成形工具中的单独的板的 定位开口的边缘的详细视图；

图10示出了用于生产双极板的方法的流程图；以及

图11示出了用于生产双极板堆叠或电化学系统的方法的流程图。

在此以及在下文中，在不同附图中重复出现的特征在每种情况下由相 同或相似的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出了带有多个相同构造的金属双极板2的电化学系统1，金属双 极板2布置成堆叠6并且沿z方向7堆叠。堆叠6的双极板2被夹持在两 个端板3、4之间。z方向7也将被称为堆叠方向。在本示例中，系统1是 燃料电池单体堆叠。该堆叠的每两个相邻的双极板2在它们之间封围电化 学电池单体，该电化学电池单体例如用于将化学能转化为电能。为了形成 系统1的电化学电池单体，将膜电极组件(MEA)在每种情况下布置在堆 叠的各相邻的双极板2之间(例如参见图2)。每个MEA通常包含至少一 个膜，例如电解质膜。此外，气体扩散层(GDL)(图1和2中未示出) 可布置在MEA的一个或两个表面上。

在替代实施例中，系统1还可设计为电解槽、电化学压缩机或氧化还 原液流电池。双极板同样可用于这些电化学系统中。这些双极板的结构则 可对应于这里详细阐述的双极板2的结构，但在电解槽、电化学压缩机或 氧化还原液流电池的情形中，在双极板上和/或通过双极板引导的介质在每 种情形中都会不同于用于燃料电池单体系统的介质。这同样适用于加湿器 的双极板。

z轴7与x轴8和y轴9一起构成右手笛卡尔坐标系。双极板2各自限 定板平面，单独的板的板平面中的每一个被定向为平行于x-y平面并因此 垂直于堆叠方向或z轴7。端板4具有多个介质端口5，可经由该端口将介 质馈送到系统1，并且可经由该端口将介质从系统1中排出。这些可被供应 到系统1并且被带出系统1的介质可包括诸如分子氢或甲醇之类的燃料、 诸如空气或氧气之类的反应气体、诸如水蒸气之类的反应产物或诸如水和/ 或乙二醇之类的耗尽的燃料或冷却剂。

图2以立体图示出图1中的系统1类型的电化学系统的两个相邻的双 极板2，以及布置在这些相邻的双极板2之间的现有技术已知的膜电极组件 (MEA)10，图2中的MEA 10在很大程度上被面向观察者的双极板2遮 挡。双极板2由以材料结合的方式连结在一起的两个单独的板2a、2b形成 (例如，参见图3A-3C)，在图2中只有其中面向观察者的第一单独的板 2a可见，所述第一单独的板遮挡第二单独的板2b。单独的板2a、2b可以 各自由金属片材制造，例如由不锈钢片材制造。例如，单独板2a、2b可以 例如通过激光焊接接头而彼此焊接。

单独的板2a、2b具有贯通开口，这些贯通开口彼此对齐并且形成双极 板2的贯通开口11a-11c。当多个如双极板2同样类型的双极板堆叠时，贯 通开口11a-11c形成沿着堆叠方向7延伸穿过堆叠6的管线(参见图1)。 通常，由贯通开口11a-c形成的每条管线流体地连接到系统1的端板4中的 介质端口5之一。例如，冷却剂可经由由通孔11a形成的管线而引入堆叠 中或从堆叠排放。相反，由贯通开口11b、11c形成的管线可以构造成对系 统1的燃料电池单体堆叠6的电化学电池单体供应燃料和反应气体，并且 从该堆叠中排出反应产物。介质引导用的贯通开口11a-11c基本上平行于板 平面形成。

为了相对于堆叠6的内部和相对于周围环境密封贯通开口11a-11c，第 一单独的板2a各自具有呈密封凸边12a-12c形式的密封布置，这些密封凸 边在每种情况下都围绕贯通开口11a-11c布置，并且在每种情况下都完全环 绕贯通开口11a-11c。在双极板2的背向图2的观察者的后侧上，第二单独 的板2b可以具有用于密封贯通开口11a-11c的对应的密封凸边(未示出)。

在电化学活性区域18中，第一单独的板2a在其面向图2的观察者的 前侧上具有流场17，该流场17具有用于沿着单独的板2a的前侧引导反应 介质的结构。在图2中，这些结构由多个腹板和在腹板之间延伸并由腹板 界定的通道限定。在双极板2的面向图2的观察者的前侧上，第一单独的 板2a附加地各自具有分配或收集区域20。分配或收集区域20包括设计成 在活性区域18上方分配从两个贯通开口11b中的第一个引入分配或收集区 域20中的介质的结构，和/或设计成收集或汇集从活性区域18流向贯通开 口11b中的第二个的介质的结构。在图2中，分配或收集区域20的分配结 构类似地由腹板和在腹板之间延伸并由腹板界定的通道限定。元件17、18、 20因此通常可以理解为引导介质的凸压结构。

密封凸边12a-12c通常具有通路13a-13c，通路13a-13c在此体现为凸 边中的局部凸起，其中通路13a形成在上部单独的板2a的下侧和下部单独 的板2b的上侧两者上，而通路13b形成在上部单独的板2a中并且通路13c 形成在下部单独的板2b中。作为示例，通路13a能够使得冷却剂在贯通开 口12a和分配区域20之间穿过，使得冷却剂进入隔板之间的分配区域并且 被从中引导出来。此外，通路13b使得氢气能够在贯通开口12b与上部单 独的板2a的上侧上的分配区域之间穿过；这些通路13b的特征在于有面向 分配区域并且与板平面成一定角度延伸的穿孔。作为示例，氢气因此从贯 通开口12b经通路13b流到上部单独的板2a的上侧上的分配区域，或者在 相反方向上流动。通路13c使得空气能够例如在贯通开口12c和分配区域 之间穿过，使得空气进入下部单独的板2b的下侧上的分配区域并且从中引 导出来。相关联的穿孔在此处不可见。

第一单独的板2a各自还具有呈外周凸边12d形式的附加的密封布置， 该外周凸边12d围绕活性区域18的流场17延伸，并且还围绕分配或收集 区域20和贯通开口11b、11c延伸，并且相对于贯通开口11a将这些密封， 即相对于冷却剂回路以及相对于系统1的周围环境将这些密封。在每种情 况下，第二单独的板2b包括对应的外周凸边。活性区域18的结构、分配 或收集区域20的分配结构和密封凸边12a-12d各自与单独的板2a形成为一 体，并且例如在凸压或深拉过程中与单独的板2a整体地形成。这同样适用 于第二单独的板2b的密封凸边和对应的分配结构。在由外周凸边12d环绕 的区域的外部，在每个单独的板2a、2b中产生主要是非结构化的外边缘区 域22。

两个贯通开口11b或由穿过系统1的板堆叠的贯通开口11b形成的管 道分别经由密封凸边12b中的通道13b、经由分配或收集区域20的分配结 构，以及经由面向图2的观察者的第一单独的板2a的活性区域18中的流 场17而彼此流体连接。类似地，两个贯通开口11c或由穿过系统1的板堆 叠的贯通开口11c形成的通道各自经由对应的凸边通路、经由对应的分配 结构，以及经由背离图2的观察者的第二单独的板2b的外侧上的相应流场 而彼此流体连接。相反，贯通开口11a或者由贯通开口11a形成的穿过系 统1的板堆叠的管线在每种情况下经由被单独的板2a、2b封围或环绕的腔 体19而彼此流体连接。该腔体19在每种情况下用于将冷却剂引导经过双 极板2，特别是用于冷却双极板2的电化学活性区域18。

图3A、3B、3C示意性地示出了穿过图1的系统1的板堆叠6的一部 分的截面，该截面定向在z方向上并且因此垂直于双极板2的板平面。它 例如可沿着图2中的扭转截面A-A延伸。

堆叠的结构相同的双极板2中的每一个包括上文所述的第一金属单独 的板2a和上文所述的第二金属单独的板2b。可以看到用于沿着双极板2 的外表面引导介质的结构，在此特别是呈腹板以及由腹板界定的通道的形 式。特别地，通道29被示出为在彼此远离地指向的相邻单独的板2a、2b 的表面上，并且冷却通道19被示出为在相邻的单独的板2a、2b之间。在 冷却通道19之间，两个单独的板2a、2b在接触区24中彼此抵靠并且在该 处彼此连接，在该示例中它们借助于激光焊接彼此连接。

膜电极组件(MEA)10，例如从现有技术中已知的，在每种情况下布 置在堆叠的相邻的双极板2之间。每个MEA 10通常包括膜(例如电解质 膜)和连接到膜的边缘部分15。作为示例，边缘部分15可以以材料结合的 方式连接到膜，例如通过粘接剂结合或层压而连接到膜。

MEA 10的膜在每种情形中至少在邻接的双极板2的活性区域18上延 伸，并且该处使得经由或穿过膜的质子转移成为可能。然而，该膜不延伸 到分配或收集区域20中。MEA10的边缘部分15在每种情形中用于定位、 附连和密封邻接的双极板2之间的膜。当系统1的双极板2在堆叠方向上 被夹持在端板3、4之间(参见图1)时，例如可以将MEA 10的边缘部分15在每种情况下都压缩在相应的邻接的双极板2的密封凸边12a-12d之间， 和/或在每种情况下都至少压缩在邻接的双极板2的外周凸边12d之间，以 便以这种方式在邻接的双极板2之间固定MEA 10。

边缘部分15在每种情况下都覆盖邻接的双极板2的分配或收集区域 20。该边缘部分15也可以朝向外部延伸超出外周凸边12d，并且可以在该 点处邻接单独的板2a、2b的外边缘区域22(参见图2)。

此外，气体扩散层16还可以布置在活性区域18中。气体扩散层16能 够使得流体流在膜的表面的最大可能面积上跨越膜，并且因此能够改善经 由膜的质子转移。气体扩散层16可以例如布置在邻接的双极板2之间的活 性区域18中的膜的两侧上。气体扩散层16可以例如由纤维料毡形成或者 可以包括纤维料毡。

图3A、图3B和图3C原则上示出了穿过板堆叠的相同部分的截面。图 3A、图3B和图3C之间的区别在于，图3A的布置示出相邻的堆叠双极板 2之间的偏移，而图3B的布置具有相邻的单独的板2a、2b之间的偏移。 图3A和图3B的这些布置是由于当堆叠双极板(图3A)时或者当相对于 阴极板(图3B)定位阳极板时的位置精度不足导致，如在现有技术中经常 看到的那样。板2、板2a、板2b相对于彼此的不精确定位可能有各种原因。 当加工单独的板2a、2b中的每一个时，通常使用两种不同的工具，即用于 凸压流场17的凸压工具和用于产生贯通开口11a-c的冲压工具。如果单独 的板在两个工具之一中的位置不正确，则会对后续加工步骤的精度产生负 面影响。即使已经以足够的精度生产了单独的板2a、2b，也可能发生单独 的板2a、2b在连结工具中相对于彼此偏移，这不利地影响了单独的板2a、 2b之间的相对对齐。

在图3A中，每个双极板的单独的板2a、2b相对于彼此正确定位。然 而，相邻的双极板2布置成相对于彼此的侧向偏移，由此在通道结构29之 间产生偏移。这种侧向偏移的可能后果是性能损失或对部件的损坏。此外， 在图3B中可以看出，单独的板2a、2b相对于彼此的定位不正确。特别地， 在图3B中清楚的是，单独的板2a、2b的前部面27a、27b相对于彼此移位。 这使得在连结步骤中难以焊接单独的板2a、2b。此外，冷却剂不再流过限 定的通道19，因此在这种布置下，只会发生冷却不足。

为了减少双极板2的单独的板2a、2b之间的偏移，现有技术已经提出 了例如相同孔径的圆形定位孔，这些定位孔设置在单独的板2a、2b两者中。 然后将定位销插入穿过定位孔，以使单独的板2a、2b相对于彼此对齐或居 中。然后焊接单独的板2a、2b以形成双极板。由于在完成的、焊接的单独 的板2a、2b中板2a、2b相对于彼此的轻微偏移是可能的，因此这些定位 孔不能用于堆叠双极板2。因此双极板2在不同的点处被接收，然后这些点 处切割单独的板2a、2b之一。这导致额外的空间需求，然后使用不同的参 考系统限定双极板2的位置。

如果两个单独的板2a、2b在相同轮廓处相对于彼此居中，则这些轮廓 不再能够以相同的精度用于使双极板2居中，因为完成的、连结的单独的 板2a、2b相对于彼此可能具有偏移。如果为此使用不同的轮廓，这会导致 额外的空间需求和额外的公差，因为那时单独的板和连结的板不再具有相 同的参考系统。

本发明已被设计成使得单独的板2a、2b相对于彼此或在工具中能够更 精确地对齐和定位。目的还在于使双极板2在堆叠中能够精确对齐，同时 占用少量空间。

图3C示出了根据本发明的一个实施例的双极板2或单独的板2a、2b 的布置，其特征在于双极板2之间或者单独的板2a、2b之间的极小偏移。 在图3C中所示的部分中，两个金属片材2a、2b最佳地定位成在彼此顶部 上。一方面，这导致其前部面27a、27b的尽可能好的承载，这实现了特别 容易和坚固的焊接。另一方面，这导致冷却通道19的理想形状，并且因此 达到最佳冷却。图3C的双极板或单独的板的精确对齐和定位借助定位开口 40、30、32、34、50进行，这将在下文更详细地说明。

图4在两个子图4A和4B中的每一个中示出了双极板2的平面图，观 察方向沿负的z方向7定向。图4A或图4B中所示的双极板2可具有图1 和图2所示的单独的板2a、2b的至少一些特征或所有特征。重复的特征由 与先前相同的附图标记表示。与图1和图2中所示的单独的板2a、2b类似， 根据图4的两个变型的双极板2因此包括两个单独的板或金属片材2a、2b。单独的板或金属片材2a、2b沿着它们相互面对的平坦侧相互接触并且沿着 它们相互面对的平坦侧相互连结。较佳地，双极板2的金属片材2a、2b以 材料结合的方式彼此连结，较佳通过一个或多个焊接接头，例如通过一个 或多个激光焊接接头彼此连结。钎焊接头或粘合剂结合也可以作为替代方 案。以对应于图1和图2所示的双极板2的方式，图4中所示的双极板2 可具有贯通开口11a-11c、凸边布置12a-12d、电化学活性区域18、至少一 个分配或收集区域20和外边缘区域22。

在此应当注意，也可以提供本质上闭合的凹陷和布置在其中的弹性密 封唇来代替凸边布置12a-12d。这些凹陷和密封唇的路径可以与图中所示的 凸边布置12a-12d的路径相同。在下文中，凸边布置12a-12d和凹陷/密封 唇将总体上称为本质上闭合的密封元件。

图4A和4B中所示的双极板2与图1和2所示的双极板2的不同在于， 图4A中所示的双极板2具有两个定位开口30和32，而图4B中所示的双 极板2具有三个定位开口34、34′和34″。

在图4所示的双极板2的实施例中，两个定位开口30、32布置在基本 矩形的双极板2的两个对角相对的角部区域中。

在图4B所示的双极板2的实施例中，两个定位开口34、34′布置在基 本矩形的双极板2的两个相对的外边缘23中。第三定位开口34″布置成与 两个纵向边缘之一上的两个定位开口34、34′成直角。由于空间的原因，定 位开口34、34′、34″不是对称布置的。当然，在替代实施例中，定位开口 也可以布置在双极板2或单独的板2a、2b的外边缘区域22的其它区域中。

当然，在替代实施例中，双极板2也可以具有多于两个或三个定位开 口，例如四个或多于四个。在图4A和4B中，还可以看出定位开口30、32、 34、34′、34″布置在区域17、18、20的外侧和闭合的凸边布置12a-12d的 外侧并且与其间隔开。虽然定位开口30具有至少量级3的旋转对称性，但 不是圆形的，定位开口32是狭槽形的。定位开口34、34′、34″各自对应于狭槽的各区段；它们是镜像对称的或至少基本上镜像对称的。定位开口30、 32、34、34′、34″的最大直径或最大延伸d_max小于介质引导贯通开口11a-11c 的最大直径d。

一方面的图4A的双极板2的定位开口30和32以及另一方面的图4B 的定位开口34、34′、34″各自由单独的板2b、2a的重叠或对齐的定位开口 40、50形成。定位开口30、32、34、34′、34″、40、50具有将相应的单独 的板2a、2b相对于工具或相对于另一直接相邻的单独的板或相对于另一间 接相邻的双极板定位的功能。此外，MEA的边缘加强件(此处未示出)较佳地在相关区域中具有通路，以便在借助定位销的情况下，可以以与双极 板交替的方式构建MEA(特别是与GDL一起)以形成堆叠。图4A的定位 开口30、32、40、50各自设计为贯通开口，定位开口40、50完全被相应 的单独的板2a、2b的材料环绕。然而，通常没有介质引导功能与这种类型 的贯通开口相关联。特别地，定位开口30、32、40、50在功能和结构上与 流体传导贯通开口11a、11b、11c不同。替代地，定位开口40、50也可以 设置为相应的单独的板2a、2b的外边缘中的凹口，参见定位开口34、34′、 34″。定位开口34、34′、34″不是设计为由单独的层2a、2b的材料以完全闭 合的方式环绕的开口，而是在每种情况下在一侧处开口。

图5A-5D、6A-6F和7A-7C示出了根据本发明不同实施例的双极板2 的定位开口30和32以及单独的板2a、2b的定位开口40、50。

下文提到的元件40、42、43、44、45、48、49属于第一单独的板2a， 并且下面将用形容词“第一”来限定，而元件50、52、53、54、55、58属 于第二单独的板2b，并且将由形容词“第二”来指代。

图5A-5D示出了类似于图4中右上部处的狭槽形定位开口32。

图6A-6F和图7A-7C示出了定位开口30，其具有至少量级3的旋转对 称性，但不是圆形的。

首先将讨论图6A-6F中示出的双极板2。双极板2包括彼此连结的第一 单独的板2a和第二单独的板2b。

第一单独的板2a具有至少一个第一定位开口40，第一定位开口40具 有第一边沿42。第一定位开口40包括第一卷边44，其完全环绕定位开口 40。在所示的示例性实施例中，第一定位开口40的第一边沿42是第一卷 边44的部分。在所示的示例性实施例中，第一卷边44的指向第一定位开 口40的边沿与第一定位开口40的第一边沿42相同。第二单独的板2b包 括至少一个第二定位开口50，第二定位开口50具有第二边沿52。第二定 位开口50具有至少一个第二卷边54，其完全环绕定位开口50。在所示的 示例性实施例中，第二定位开口50的第二边沿52是第二卷边54的部分。 在所示的示例性实施例中，第二卷边54的指向第二定位开口50的边沿与 第二定位开口40的第二边沿52相同。第一卷边44和第二卷边54可选地 布置在双极板2的相对的平坦侧上并且彼此远离地指向。

另外，两个定位开口40、50彼此对齐地布置并且形成双极板2的定位 开口30。

第一定位开口40和第二定位开口50的尺寸相同并且具有相同的轮廓。 然而，第二定位开口50相对于第一定位开口40旋转60°角。

第一卷边44或第一边沿42形成用于第一定位销102和第二定位销103 的至少一个第一接触区45。在所示示例中，提供了三个第一接触区45。然 而，第一卷边44也可以具有少于或多于三个的第一接触区45。

第二卷边54或第二边沿52形成用于第一定位销102的至少一个第二 接触区55。在所示示例中，提供了三个第二接触区55。然而，第二卷边54 也可以具有少于或多于三个的第二接触区55。

第一接触区45和第二接触区55位于双极板2的定位开口30的周向方 向上的不同位置处。第二定位开口50在第一单独的板2a上的垂直于双极 板2的板平面的正交投影限定第一投影区，第一单独的板2a在第一投影区 的区域中具有第一卷边的至少一部分。第一卷边44的该部分形成第一接触 区45。此外，第一定位开口50在第二单独的板2b上的垂直于双极板2的 板平面的正交投影限定第二投影区，第二单独的板2b在第二投影区的区域 中具有第二卷边54的至少一部分。第二卷边54的该部分形成第二接触区 55。

虽然第一单独的板2a的第一接触区45设计成与第一定位销102和第 二定位销103两者都接合，但第二单独的板2b的第二接触区55仅与第一 定位销102接合。

第一定位开口40较佳地相对于第一对称轴线61具有旋转对称性。在 此，对称轴线61垂直于由第一单独的板2a限定的第一板平面定向。第一 定位开口40的旋转对称性例如为量级3。

类似地，第二定位开口50较佳地相对于第二对称轴线62具有对称性， 其中第二对称轴线62垂直于由第二单独的板2b限定的第二板平面定向。 第二定位开口50的旋转对称性例如为量级3。

定位开口30同样较佳地相对于对称轴线60具有旋转对称性。在此， 对称轴线60垂直于由双极板2限定的板平面定向。定位开口30的旋转对 称性，即实际开口区域的旋转对称性例如为量级6。

在所示示例中，上述对称轴线60、61、62是一致的。

图7A-7C所示的改型与图6A-6F所示的不同之处在于，第一卷边44 和第二卷边54并未一直围绕相应的定位开口40、50延伸。替代地，第一 卷边44和第二卷边54仅设置在边沿42、52的边沿区段43、53中。

因此，第一边沿42和第二边沿52各自具有例如多个边沿区段43、53， 这些边沿区段43、53在相应的定位开口40、50的周向方向上彼此间隔开。 边沿区段41、51没有在具有卷边44、54的边沿区段43、53之间延伸的卷 边。

可选地，边沿区段43、53在相应定位开口40、50的径向方向上延伸。 两个单独的板2a、2b的边沿区段43、53通常具有相同的形状，例如凸片 形，但也可以也有不同的形状。

如图6A-6F中那样，图7A-7C中所示的单独的板2a、2b的定位开口 40、50在尺寸和轮廓方面也彼此相同，但在每种情况下具有不同的定向。 第一单独的板2a的第一边沿区段43和第二单独的板2b的第二边沿区段53 相对于双极板2的定位开口30的周向方向布置在不同的位置处。例如，第 二边沿区段53相对于第一边沿区段43绕定位开口30的中心轴线旋转60 °角。

第一边沿区段43形成用于第一定位销102和第二定位销103的第一接 触区45，而第二边沿区段53形成仅用于第一定位销102的第二接触区55。

如图6A-6F中那样，定位开口40、50各自具有量级为3的旋转对称性， 而定位开口30具有量级为6的旋转对称性。

双极板2的另一改型在图5A-5D中示出。如图6A-6F所示，在图5A-5D 的改型中的每个定位开口40、50具有单个卷边44、54，其完全环绕定位开 口40、50。在与图6A-6F和图7A-7C的实施例不同的方式中，定位开口 40、50的尺寸和形状各不相同。例如，定位开口40的面积小于定位开口 50的面积。此外，定位开口32、40、50设计为例如狭槽，其中设计为狭槽 的定位开口32、40、50的纵向轴线可能具有相同的定向。

图5A-5D的伸长的定位开口32、40、50通常不具有旋转对称轴线。替 代地，定位开口32、第一定位开口40和第二定位开口50较佳地具有关于 对称平面的对称性，相应的对称平面垂直于由相应的板2、2a、2b限定的 板平面定向。在所示的示例性实施例中，定位开口32、40、50的对称平面 是一致的。

例如，第一卷边44形成用于第一定位销100的第一接触区45，其具有 伸长的截面形状。第二卷边54形成用于同一定位销100的第二接触区55。 第一接触区45和第二接触区55位于双极板2的定位开口32的周向方向上 的相同位置处。此外，第一卷边44可以具有用于第二定位销101的第三接 触区46。接触区45、46、55较佳地布置在定位开口40、50的较长侧上。

第二定位开口50在第一单独的板2a上的垂直于双极板2的板平面的 正交投影可以限定第一投影区，第一单独的板2a在第一投影区的区域中具 有第一卷边44的至少一部分。第一卷边44在第一投影区的区域中形成用 于第二定位销101的第三接触区46。

由图5A至5D中的虚线正方形界定的定位开口32的区域表示图4B中 已经示出的实施例；在该变型中，点划线23界定金属板2a、2b以及—— 作为虚拟边缘——定位开口34。

下文将结合生产方法描述接触区45、46、55的功能和定位销100、101、 102、103的功能。

下文将进一步讨论图5A-5D、6A-6F和7A-7C的实施例的共用特征。

相应的卷边44、54通常在远离相应的定位开口40、50的径向方向上 延伸。环绕相应的定位开口40、50的材料的自由端48、58可以相对于由 相应的单独的板2a、2b限定的板平面卷曲至少160°。在所示的示例性实 施例中，自由端卷曲大约180°并且与相应的单独的板2a、2b的非成形部 分接触。此外，自由端48、58可以定向成基本平行于相应地的单独的板2a、 2b的板平面。

在卷边44、54的区域中，垂直于相应板平面测量的相应单独的板2a、 2b的高度可以小于单独的板2a、2b的最大高度，特别是小于介质传导凸压 结构17、18、20的高度或密封元件12a-12d的高度。卷曲的区域中的高度 基本上可以是单独的板2a、2b的不锈钢片材的厚度的最多四倍，特别是最 多三倍。

图8在五个子图8A至8E中示出了双极板2的卷边44、54的可能定向。 图8A中的定向对应于图6C中所示的定向；第一卷边44和第二卷边54指 向第一定位开口40的不同轴向方向。它们布置在双极板2的相对的平坦侧 上并且彼此远离地指向。同样在图8B中，第一卷边44和第二卷边54相对 于定位开口40和50指向不同的轴向方向，但在这种情况下彼此面对。图8C、8D和8E示出了双极板2的细节，其中卷边44和54各自相对于定位 开口40和50在相同的轴向方向上。图8C和8D的不同之处在于，在图8D 中，曲柄区域47设置在单独的板2a的布置成远离定位开口40处的部分中。 单独的板2b中的曲柄区域57类似地设置在单独板的远离定位开口50布置 的部分中，但与图8D中的曲柄区域47相比，布置在距定位开口50更小的距离处。类似的曲柄区域47、57也在图8B中示出；它们在每种情况下用 于适应隔板2a、2b不同区域的高度，例如调节相对于密封元件的高度。

下面将参照图10描述用于生产单独的板2a、2b和生产双极板2的方 法的一个较佳实施例。

在准备步骤中，提供呈金属片材形式的两个板，即第一板和第二板。

在步骤S1中，在第一板中形成至少一个定位孔，定位孔较佳地借助冲 压工具对该板冲压来产生。在步骤P1中，第一板形成为使得定位孔的孔边 沿的材料是卷曲的。这产生了上述第一定位开口40和相关的卷边44。同时， 产生了用于沿着单独的板2a的平坦侧引导介质的上述类型的流场17。

成形较佳地通过在合适的深冲、液压成形或凸压工具中对板进行深冲、 液压成形或凸压来进行。结果，由此产生的定位开口40具有比原始的定位 孔更大的直径和更大的面积。由于制造公差，可能会发生定位开口40的中 心点的布置与定位孔的中心点的初始布置不同的情况，因为最初存在的任 何制造公差将在与形成流场17同时形成定位开口40时得到补偿。在可选 的后续步骤S2中，通过切割金属片材来形成单独的板2b的外轮廓。步骤 S2例如借助于诸如冲压装置或激光切割装置的切割装置来执行。替代地， 外轮廓可以与定位孔同时被切割。第一单独的板2a现在已准备好。

第二单独的板2b与第一单独的板2a的形成同时、在其之前或之后生 产。

在步骤S1′中，在第二板中产生至少一个定位孔，该定位孔较佳地通过 冲压第二板来产生。在步骤P1′中，将第二板形成为使得对于每个定位孔同 时形成具有第二卷边54的上述类型的定位开口50，以及用于沿着单独的板 2b的平坦侧引导介质的流场17。

成形较佳地通过在合适的深冲、液压成形或凸压工具中对第二板进行 深冲、液压成形或凸压来进行。第二卷边54较佳地通过将定位孔的边缘折 起形成。因此，由此产生的定位开口50具有比原始的定位孔更大的直径和 更大的面积。由于制造公差，可能会发生定位开口50的中心点的布置与定 位孔的中心点的初始布置不同的情况，因为最初存在的任何制造公差将在 与形成流场17同时形成定位开口50时得到补偿。在可选的后续步骤S2中，通过切割金属片材来形成第二单独的板2b的外轮廓。步骤S2′例如以诸如 冲压装置或激光切割装置的切割装置来执行。替代地，外轮廓可以与定位 孔同时被切割。第二单独的板2b现在已准备好。

相应的成形步骤P1、P1′可以包括单个步骤或者替代地可以包括在预凸 压工具中的预成形步骤和在精凸压工具110中的精成形步骤。精凸压工具 的一个示例110在图9A、9B中示出。在预凸压工具中预凸压的部件，即 所示示例中的单独的板2a，具有由预凸压产生的套环49，该套环围绕第一 定位孔延伸。套环49以一定角度定向，特别是垂直于单独的板2a的板平 面。在精凸压工具110中，套环49在径向向外方向上折起，从而产生上述 类型的卷边44和第一定位开口40。单独的板2b可以以对应的方式生产。

在这一点上应当提到的是，流场17是在单一的成形步骤中，即在前述 的精成形步骤中形成的。替代地，流场也可以在上述两个步骤中，即预成 形步骤和精成形步骤中产生。

由于定位开口40、50、卷边44、54和介质引导凸压结构17、18、20 同时形成在同一工具中的事实，因此制造公差首先能保持不变，其次能更 好地观察。由于定位开口40、50和相应的流场17同时形成在板中，因此 相应的单独的板2b、2a的定位开口40、50和流场17能相对于彼此非常精 确地布置。例如，定位开口40、50和流场17可以相对于彼此具有预定的位置和/或定向，从预定位置的偏离小于200μm，较佳地小于100μm，特别 是小于50μm。此外，产生定位开口的精度在很大程度上仅取决于一种工具， 即凸压工具、液压成形工具或深冲工具。由冲压工具预先形成的定位孔的 布置相对于流场17可能具有更大的、例如大到无法接受的制造公差。因此， 定位开口40、50的中心点的最终布置可能不同于定位孔的中心点的初始布 置。

一旦两个单独的板2a、2b已经完成，就将单独的板2a、2b放置在彼 此顶部上使得定位开口40、50彼此对齐。

单独的板2a、2b可以例如借助固定装置的第一定位销100(参见图5A)、 102(参见图6A)放置在彼此顶部上，其中第一定位销100或102接合在 两个定位开口40、50中。在定位步骤P中，单独的板2a、2b被定位在彼 此顶部上。单独的板2a、2b的卷边44、54，特别是仅接触区45、55，与 第一定位销100或102接触。因此，单独的板2a、2b在一些部分中以形状 配合固定。结果，不需要任何其它措施来相对于彼此固定两个单独的板2a、 2b。

在定位之后，单独的板2a、2b可以在连结步骤V中以材料结合的方式 彼此连结，较佳地通过焊接，特别是激光焊接、钎焊或粘合剂结合。

在焊接之后，可以在步骤DV中通过旋转定位销102(参见图6B)或 定位销100(参见图5B)使双极板2与相应的定位销102、100脱开。这样 做时，接触区45、55和定位销100、102脱离接合。作为替代或附加，第 一定位销也可以通过平行于双极板2的板平面的侧向位移而从双极板2脱 开。

脱开所需的旋转角度可以取决于定位销102相对于其纵向轴线的旋转 对称性。定位销102例如具有量级为6的旋转对称性。因此，为了脱开， 定位销102较佳地旋转大约

的角度，其中

因此，在 这种情况下，旋转角度为30°，通常可允许与该角度有20％的偏离。

然后可以通过堆叠并随后压缩双极板2、MEA 10以及气体扩散层16 (如果存在的话)来创建电化学系统1，参见图11。

首先，在步骤A1中，双极板2和MEA 10以交替方式堆叠，较佳地使 用至少一个第二定位销。在此，将第二定位销101、103(参见图5C、图 6D)插入双极板2的定位开口30中，或者将双极板2放置在第二定位销 101、103上(参见图5C、图6D)。较佳地，使用两个或三个第二定位销101、103。在此，只有第一单独的板2a的第一接触区45与第二定位销103 接触(参见图6D)。替代地，只有第一单独的板2a的第三接触区46与第 三定位销101接触(参见图5C)。换言之，双极板2的第二单独的板2b 与第二定位销101、103在径向方向上间隔开。

图7A-7C的实施例的双极板能够以与图6A-6F的那些相似的方式堆叠 和定位。

此后，在步骤A2中，提供两个端板3、4以及可选地不同的端接双极 板，用于在堆叠6的两端处端接堆叠6。

在随后的步骤K中，包括端板3、4的堆叠6被压缩。随着双极板2被 压缩，卷边44、54和定位开40、50的形状被保持，因为它们没有被压 缩。

在步骤L中，定位销101、103从经压缩的堆叠6上脱开。这可以通过 旋转(图5D、6E)或位移相应的定位销101、103来完成。

脱开所需的旋转角度可以取决于定位销103相对于其纵向轴线的旋转 对称性。定位销103例如具有量级为3的旋转对称性。因此，为了脱开， 定位销103较佳地旋转

的角度，其中

因此，期望 的旋转角度为大约60°，通常可允许与该角度有20％的偏离。

应当理解，上述实施例的特征可以相互组合或单独要求保护，只要它 们不相互矛盾。

附图标记列表：

1 电化学系统

2 双极板

2a 单独的板

2b 单独的板

3 端板

4 端板

5 介质端口

6 堆叠

7 z方向

8 x方向

9 y方向

10 膜电极组件

11a-11c 贯通开口

12a-12d 密封凸边

13a-13c 贯通部

14 膜

15 边缘部分

16 气体扩散层

17 流场

18 电化学活性区域

19 腔体

20 分配或收集区域

22 外边缘区域

23 外边缘

24 接触区

27a、27b 前部面

29 通道(结构)

30 定位开口

32 定位开口

34、34′、34″′ 定位开口

40 第一定位开口

41 无卷边的第一边沿区段

42 第一边沿

43 第一边沿区段

44 第一卷边

45 第一接触区

46 第三接触区

47 第一单独的板中的曲柄区域

48 自由端

49 套环

50 第二定位开口

51 无卷边的第二边沿区段

52 第二边沿

53 第二边沿区段

54 第二卷边

55 第二接触区

57 第二单独的板中的曲柄区域

58 自由端

60 对称轴线

61 对称轴线

62 对称轴线

100 第一定位销

101 第二定位销

102 第一定位销

103 第二定位销

110 精凸压工具。

Claims (17)

1.用于电化学系统的双极板(2)，包括彼此连接的第一单独的板(2a)和第二单独的板(2b)，

其中，第一单独的板(2a)具有带有第一卷边(44)的至少一个第一定位开口(40)，所述第一定位开口至少部分地由所述第一卷边(44)环绕，

其中，所述第二单独的板(2b)具有带有第二卷边(54)的至少一个第二定位开口(50)，其中，所述第二定位开口至少部分地由所述第二卷边(54)环绕，

其中，所述单独的板(2a、2b)的所述第一定位开口(40)和所述第二定位开口(50)彼此对齐布置，并且形成所述双极板(2)的定位开口(30、32、34)，

其中，所述第一卷边(44)形成用于第一定位销(100、102)的至少一个第一接触区(45)，并且所述第二卷边(54)形成用于所述第一定位销(100、102)的至少一个第二接触区(55)。

2.根据权利要求1所述的双极板(2)，其特征在于，所述第一定位开口(40)的第一边沿(42)和/或所述第二定位开口(50)的第二边沿(52)具有多个边沿区段(43、53)，所述多个边沿区段在相应的定位开口(40、50)的周向方向上彼此间隔开，

其中，在所述第一边沿(42)的至少一个第一边沿区段(43)中，所述第一边沿(42)是所述第一卷边(44)的部分，和/或在所述第二边沿(52)的至少一个第二边沿区段(53)中，所述第二边沿是所述第二卷边(54)的部分。

3.根据权利要求2所述的双极板(2)，其特征在于，所述第一边沿区段(43)和所述第二边沿区段(53)相对于所述双极板(2)的所述定位开口(30)的周向方向布置在相同或不同的位置处。

4.根据权利要求1所述的双极板(2)，其特征在于，所述第一卷边(44)和/或所述第二卷边(54)完全环绕相应的定位开口(40、50)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(2)，其特征在于，所述第一定位开口(40)和所述第二定位开口(50)在表面区域和/或轮廓和/或定向方面彼此相同或不同。

6.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(2)，其特征在于，所述第一卷边(44)和所述第二卷边(54)指向所述第一定位开口(40)的不同轴向方向，特别是布置在所述双极板(2)的相对的平坦侧上并彼此远离地指向。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的双极板(2)，其特征在于，所述第一卷边(44)和所述第二卷边(54)指向所述第一定位开口(40)的相同轴向方向。

8.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(2)，其特征在于，所述第一卷边(44)形成用于第二定位销(101、103)的至少一个第三接触区(46)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(2)，其特征在于，所述第一接触区(45)、所述第二接触区(55)和/或所述第三接触区(46)位于所述双极板(2)的所述定位开口(30、32)的周向方向上的不同或相同的位置处。

10.根据前述权利要求中任一项所述的双极板(2)，其特征在于，所述第二定位开口(50)在所述第一单独的板(2a)上的垂直于所述双极板(2)的所述板平面的正交投影限定第一投影区，所述第一单独的板(2a)在所述第一投影区的区域中具有第一卷边(44)的至少一部分，和/或

其中，所述第一定位开口(40)在所述第二单独的板(2b)上的垂直于所述双极板(2)的所述板平面的正交投影限定第二投影区，所述第二单独的板(2b)在所述第二投影区的区域中具有所述第二卷边(54)的至少一部分。

11.根据权利要求10所述的双极板(2)，其特征在于，所述第一卷边(44)包括在所述第一投影区的区域中的所述第一接触区(45)和/或所述第三接触区(46)，

和/或其中，所述第二卷边(54)包括在所述第二投影区的区域中的第二接触区(55)。

12.用于生产较佳地根据前述权利要求中的任一项所述的双极板(2)的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供第一单独的板和第二单独的板；

-产生(S1、S1′)，特别是冲压，在所述第一单独的板中的至少一个第一定位孔和在所述第二单独的板中的至少一个第二定位孔；

-形成(P1)所述第一单独的板，使得所述第一定位孔的第一边缘至少部分地卷曲以形成第一定位开口(40)，使得所述第一定位开口(40)具有第一卷边(54)；

-形成(P1′)所述第二单独的板，使得所述第二定位孔的第二边缘至少部分地卷曲以形成所述第二定位开口(50)，使得第二定位开口(50)具有第二卷边(54)；

-借助所述单独的板的所述定位开口将所述单独的板(2a、2b)定位(P)在第一定位销(100、102)上，其中所述单独的板(2a、2b)的所述两个卷边(44、54)与所述第一定位销(100、102)接触，以及

-连结(V)两个所述单独的板(2a、2b)。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在相应的成形步骤中，用于沿着相应的所述单独的板(2a、2b)的平坦侧引导介质的流场(17)同时形成在相应的所述单独的板中。

14.根据权利要求12-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述相应的成形步骤包括预成形步骤和精成形步骤。

15.用于生产用于电化学系统(1)的堆叠(6)的方法，其特征在于，所述堆叠(6)包括多个堆叠的根据权利要求1-11中任一项所述的双极板(2)，所述方法包括以下步骤：

-借助所述双极板(2)的所述定位开口(30、32)将所述双极板(2)定位(A1)在第二定位销(101、103)上；以及

-将所述双极板(2)压(K)在一起以形成上述堆叠(6)。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，仅所述第一单独的板(2a)的所述第一卷边(44)与所述第二定位销(101、103)接触，而所述第二单独的板(2b)的所述第二卷边(54)与所述第二定位销(101、103)间隔开，较佳地在所述径向方向上间隔开。

17.根据权利要求15或16中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下附加步骤：

-通过在接触状态下使所述第二定位销(101、103)垂直于由所述第二定位销限定的轴向方向侧向地位移和/或通过旋转所述第二定位销(101、103)来去除(L)所述堆叠(6)。

Images