-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte sowie ein Verfahren
zu deren Herstellung.
-
Die
erfindungsgemäße Bipolarplatte
ist in einem elektrochemischen System, beispielsweise einem Brennstoffzellensystem
oder einem Elektrolyseur anwendbar. Es sind mehrere Arten elektrochemischer
Systeme bekannt, bei denen ein elektrochemischer Zellstapel mit
einer Schichtung von mehreren elektrochemischen Zellen, welche jeweils
durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind, aufgebaut ist. Die
Bipolarplatten haben mehrere Aufgaben:
- – Elektrische
Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen
und Weiterleitung des Stroms zur benachbarten Zelle (Serienschaltung
der Zellen),
- – Versorgung
der Zellen mit Reaktanden wie z. B. Wasser oder Gase und z. B. Abtransport
des erzeugten Reaktionsgases über
eine entsprechende Verteilerstruktur,
- – Weiterleiten
der bei der Erzeugung in der elektrochemischen Zelle entstehenden
Abwärme,
sowie
- – Abdichten
der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle des sog.
Flowfields gegeneinander und nach außen.
-
Für die beabsichtigte
großindustrielle
Anwendung ist es von hoher Wichtigkeit, große Stückzahlen von Bipolarplatten
mit einer hohen Qualität
zu niedrigen Kosten bereitzustellen. Hierbei ist die Einhaltung
von engen Maßtoleranzen
von größter Wichtigkeit,
da es sonst zu funktions- bzw. sogar sicherheitsrelevanten Fehlfunktionen
kommen kann. Dies ist insbesondere bei geschweißten mehrlagigen Bipolarplatten
essentiell.
-
Bisher
werden zur Sicherstellung einer genauen Positionierung der Lagen
zueinander Positionierlöcher
verwendet. Werden diese Positionierlöcher, die die genaue Positionierung
der mindestens zwei Bipolarplattenlagen zueinander sicherstellen, gleichzeitig
mit den übrigen
Durchgangsöffnungen sowie
dem Beschnitt der Außenkanten
der Bipolarplattenlagen eingebracht, hat sich in der Praxis gezeigt,
dass die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Positionierung der
Lagen zueinander ungenügend
ist. Insbesondere kommt es dabei zum Versatz der Kanalgeometrien
der Lagen. Bei extremen Versatz wird dann beim Verbinden der Lagen
der Bipolarplatte an Stellen geschweißt, an denen die Bipolarplattenlagen
nicht aufeinander liegen, so dass es zu Durchbrennungen kommen kann.
-
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung einer mehrlagige Bipolarplatte sowie eine mehrlagige
Bipolarplatte bereitzustellen, mit dem großindustriell mehrlagige Bipolarplatten
in hoher Qualität
zu geringen Kosten zur Verfügung
gestellt werden können.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
-
Eine
erste Ausführungsform
eines Verfahrens zur Herstellung einer mehrlagigen Bipolarplatte sieht
vor, dass in mindestens zwei Lagen jeweils mindestens eine erste
und eine zweite Erhebung/Vertiefung eingeformt werden und die Lagen
aufeinander positioniert werden. Im vollständig positionierten Zustand
der Lagen greifen die erste Erhebung/Vertiefung der ersten Lage
und die erste Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage ineinander und
berühren
sich in einer Ebene E1 formschlüssig
(erste Kontaktstelle). Gleichzeitig greifen die zweite Erhebung/Vertiefung
der ersten Lage und die zweite Erhebung/Vertiefung der zweite Lage
im vollständig
positionierten Zustand der Lagen ineinander und berühren sich
in einer Ebene E2 nur abschnittsweise in mindestens zwei Abschnitten
(zweite Kontaktstelle). Diese Berührungsstellen sind so angeordnet,
dass sie auf beiden Seiten einer virtuellen Gerade, die in Hauptrichtung
der Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage entlang der längsten Erstreckung
dieser Erhebung/Vertiefung in der zweiten Lage verläuft, angeordnet
sind. Zwischen der zweiten Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und
der zweiten Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage kommt es in der
Ebene E2 nicht zum Formschluss. Die mindestens zwei Lagen werden mittels
stoffschlüssiger
Verfahren miteinander gefügt, dabei
werden die Erhebungen/Vertiefungen mindestens einer Lage in komplementären Erhebungen/Vertiefungen
einer Fixiervorrichtung gehalten.
-
Diese
Anordnung hat zur Folge, dass im vollständig positionierten Zustand,
d. h. der Anordnung unmittelbar vor dem Fügen der Lagen, keinerlei Ausgleichsbewegung
zwischen den Lagen in Richtung einer virtuellen Gerade durch die
beiden Berührstellen
mehr möglich
ist. Hingegen ist eine Ausgleichsbewegung zwischen den Lagen in
Richtung senkrecht zu dieser virtuellen Gerade im Rahmen der Größenverhältnisse
der beiden zweiten Erhebungen/Vertiefungen zueinander sehr wohl
möglich.
-
Bevorzugt
werden im gleichen Verfahrensschritt mit den Erhebungen/Vertiefungen
die Kanalstrukturen in die mindestens zwei Lagen eingeformt. Die
Orientierung der Kanalstruktur ist dabei üblicherweise so, dass ihre
Hauptrichtung parallel zu der Richtung verläuft, in der die Erhebungen/Vertiefungen
einen begrenzten Ausgleich zwischen den Lagen der Platte zulassen.
Der Abstand der jeweils zweiten Erhebung/Vertiefung für beide
Lagen zur jeweiligen Kanalstruktur wird dabei vor dem Umformen festgelegt.
Dies erlaubt es, einen Versatz der Kanäle zwischen den zueinandergehörigen Lagen
senkrecht zu ihrer Hauptrichtung von vornherein reproduzierbar zu
vermeiden.
-
Der
Begriff Erhebung/Vertiefung wird im Kontext dieser Erfindung für einen
Abschnitt einer Lage einer Bipolarplatte verwendet, der aus der
Ebene der jeweiligen Lage herausragt. Je nach Betrachtungsrichtung
kann es sich dabei um eine Erhebung oder eine Vertiefung handeln.
Der ergänzende
Begriff Vertiefung/Erhebung betont die zur Erhebung/Vertiefung entgegengesetzte
Richtung.
-
Eine
zweite Ausführungsform
eines Verfahrens zur Herstellung einer mehrlagige Bipolarplatte sieht
vor, dass in mindestens zwei Lagen jeweils mindestens eine erste,
eine zweite und eine dritte Erhebung/Vertiefung eingeformt werden,
und die Lagen aufeinander positioniert werden. Im vollständig positionierten
Zustand greifen jeweils die erste Erhebung/Vertiefung der ersten
Lage und die erste Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage (erste Kontaktstelle),
die zweite Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die zweite Erhebung/Vertiefung
der zweite Lage (zweite Kontaktstelle) sowie die dritte Erhebung/Vertiefung
der ersten Lage und die dritte Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage
(dritte Kontaktstelle) ineinander und berühren sich dabei in Ebenen E2,
E3 und E4 jeweils nur abschnittsweise in mindestens zwei Abschnitten
ohne dass es zu einem Formschluss zwischen den ineinander greifenden
Erhebungen/Vertiefungen der ersten und zweiten Lage käme. Die
Berührungsstellen
sind so angeordnet, dass sie in der Ebene E2, E3 bzw. E4 auf beiden
Seiten einer virtuellen Gerade, die in Hauptrichtung der jeweiligen zweiten
Erhebung/Vertiefung in der zweiten Lage verläuft, liegen. Diese virtuellen
Geraden durch die erste bzw. zweite Kontaktstelle verlaufen zueinander im
Wesentlichen parallel. „Im
wesentlichen parallel” bedeutet
im Rahmen dieser Erfindung unter einem Winkel von –10° bis 10°. Die virtuelle
Gerade durch die dritte Kontaktstelle verläuft im Wesentlichen senkrecht
zu den beiden vorgenannten virtuellen Geraden. Im Rahmen dieser
Erfindung wird „im
wesentlichen senkrecht” als
ein Winkel von 80° bis
100° definiert.
-
Die
mindestens zwei Lagen werden mittels stoffschlüssiger Verfahren miteinander
gefügt,
dabei werden die Erhebungen/Vertiefungen mindestens einer Lage in
komplementären
Erhebungen/Vertiefungen einer Fixiervorrichtung gehalten und so
die exakte Positionierung der Lagen zueinander gewährleistet.
-
Dies
hat zur Folge, dass die begrenzte Beweglichkeit durch die beiden
Kontaktstellen mit im wesentlichen paralleler Ausrichtung der genannten virtuellen
Geraden gleichmäßiger auf
die gesamte Plattenfläche
verteilt wird. Insbesondere bei mittiger Anordnung der Kontaktstelle
mit hierzu im wesentlichen senkrechter virtueller Gerade erfolgt
bei der Positionierung der Lagen zueinander der Ausgleich der Formtoleranzen
beider Lagen zueinander zu beiden Seiten dieser Kontaktstelle. Bei
fertigungsbedingten Relativbewegungen der einzelnen Lagen zueinander ist
dadurch eine ausreichende Freiheit gewahrt, wobei die Position der
Lagen zueinander weiterhin genau bestimmt bleibt. Diese Lösung zeigt
ihre Vorteile vor allem bei Bipolarplatten mit nahezu quadratischer Kanalstruktur.
-
Auch
hier werden die Erhebungen/Vertiefungen bevorzugt im gleichen Verfahrensschritt
mit den Kanalstrukturen eingeformt, um definierte Abstände zwischen
den Kanalstrukturen und den Kontaktstellen in beiden Lagen sicherzustellen.
-
Bei
beiden Ausführungsformen
ist es im Hinblick auf eine optimale Positionierung vor dem Fügen der
Lagen bevorzugt, wenn zumindest eine Erhebung/Vertiefung eine Durchgangsöffnung aufweist, durch
die ein Zentrierbolzen der Fixiervorrichtung durchgreifen kann.
-
Als
Verfahren zum Fügen
der Lagen miteinander werden bevorzugt Kleben oder Schweißen, insbesondere
Laserstrahlschweißen
verwendet. Die Bipolarplatten bzw. ihre Lagen sind bevorzugt aus Metall,
insbesondere aus Stahl, so dass eine Formgebung mittels Hohlprägen, Tiefziehen,
Hydroforming, adiabatischem Umformen (Schmieden, Hochenergieumformen)
oder Rollprägen
bevorzugt ist.
-
Die
Ebenen E1 und E2 bzw. E2, E3 und E4 sind vorzugsweise zur Stapelrichtung
eines Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen senkrecht liegende
Ebenen auf Höhe
der Berührung
zwischen den beiden Lagen. Diese Ebenen E1 und E2 bzw. E2, E3 und
E4 erstrecken sich parallel zur Ebene E der Bipolarplatte, die abgesehen
von den für
ihre Funktion notwendigen Prägungen
in der Regel flach ist; die Ebene E erstreckt sich mittig zwischen
den beiden Außenlagen
der Bipolarplatte. Die Ebenen E1 und E2 einerseits und E2, E3 und
E4 andererseits sind untereinander somit parallel – nämlich wenn
die Berührung
an den verschiedenen Kontaktstellen leicht versetzt eintritt, – sie können jedoch
auch identisch sein – nämlich wenn
kein solcher Versatz eintritt.
-
Eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte
sieht vor, dass diese mindestens zwei Lagen enthält, wobei mindestens zwei Lagen
jeweils mindestens eine erste und eine zweite Erhebung/Vertiefung
enthalten, wobei die erste Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und
die erste Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage im vollständig positionierten
Zustand der Lagen ineinander greifen und sich in einer Ebene E1
formschlüssig
berühren (erste
Kontaktstelle). Die zweite Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und
die zweite Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage berühren sich
allerdings nur abschnittsweise in der Ebene E2, nämlich längs mindestens
zweier kurzer, in manchen Fällen
nur punktförmiger,
Abschnitte (zweite Kontaktstelle), die auf beiden Seiten einer virtuellen
Gerade in Haupterstreckungsrichtung der zweiten Erhebung/Vertiefung
der zweiten Lage liegen. Der abschnittsweise Kontakt zwischen den
ineinander greifenden zweiten Erhebungen/Vertiefungen der ersten
und zweiten Lage bewirkt im Bereich der zweiten Kontaktstelle jedoch keinen
Formschluss in der Ebene E2. In Richtung der genannten virtuellen
Gerade ist hierdurch parallel zur Ebene E2 ein räumlich sehr begrenzter translatorischer
Toleranzausgleich möglich.
Eine Rotation ist hingegen durch das Zusammenwirken der beiden Kontaktstellen
nicht möglich.
-
Hierdurch
wird eine genaue Positionierung beider Lagen zueinander erreicht,
wobei zum Toleranzausgleich noch eine eingeschränkte Bewegung zwischen den
Lagen möglich
ist, nämlich
in Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer virtuellen Gerade durch
beide Berührungsstellen
der zweiten Kontaktstelle.
-
Bei
den Bipolarplatten ist zu beachten, dass diese in der Regel Kanalstrukturen
aufweisen, die sowohl an den äußeren Flächen der
Bipolarplatte zum Führen
von Betriebsmedien geeignet sind (beispielsweise molekularem Wasserstoff
einerseits und Luft/Sauerstoff andererseits) als auch dem gezielten Führen eines
Kühlmittels
dienen. Die Kanalstrukturen zweier benachbarter, aufeinander positionierter Bipolarplattenlagen
ergeben auf ihrer einander zugewandten Seite ein Flowfield, üblicherweise
für Kühlmedien.
Ebenso wird auf der von dieser Kanalstruktur abgewandten Seite der
Lage, also auf der jeweils anderen Seite der jeweiligen Bipolarplattenlage
ein Flowfield gebildet, üblicherweise
für die
Verteilung der Reaktanden und zum Abführen der Reaktionsprodukte.
Bei metallischen Bipolarplatten sind die Strukturen auf den beiden
Seiten einer Lage üblicherweise
komplementär,
d. h. eine Erhebung auf der Oberseite hat eine Vertiefung auf der
Unterseite zur Folge. Neben parallelen und/oder serpentinenartig angeordneten
kontinuierlichen Kanalstrukturen sind auch solche Verteilerstrukturen
möglich,
die einen Übertritt
zwischen virtuellen parallelen Strömungslinien ermöglichen,
sie werden hier im folgenden ebenfalls als Kanalstrukturen bezeichnet.
-
Die
Positionierung der Lagen mittels Positionierprägungen in Form von Erhebungen/Vertiefungen
bietet sich insbesondere bei metallischen Bipolarplatten an, deren
Lagen umformbedingt Formtoleranzen aufweisen können. Das gleichzeitige Einformen
der Kanalstrukturen und der Erhebungen/Vertiefungen sorgt dafür, dass
der Abstand zwischen diesen Strukturen immer konstant bleibt. Mit
der Erfindung wird somit insbesondere der Versatz der Einzellagen
einer Bipolarplatte zueinander minimiert und eine genaue Positionierung
der vorzugsweise geprägten
Strukturen der einzelnen Lagen, insbesondere auch beim Fügen in einer
Schweißvorrichtung (beispielsweise
einer Laserschweißvorrichtung)
ermöglicht.
Vorteile sind, dass besser und schneller geschweißt werden
kann, weniger Ausschuss beim Schweißen und anderen Prozessen durch
die genaue Positionierung entsteht. Die Toleranz des Zuschnitts
kann somit auch vergrößert werden.
Dies führt
zu einer Kostenverminderung, ohne dass hierdurch die Qualität negativ
beeinflusst wird, insbesondere wenn einfachere Zuschnittmethoden
(z. B. Stanzen) verwendet werden.
-
Um
ein ”Aufblähen” der mehrlagigen
Bipolarplatte zu verhindern, ist ein Schweißen, vorzugsweise Laserschweißen zumindest
der beiden äußeren Lagen
der Bipolarplatte miteinander sinnvoll. Hierbei ist allerdings wiederum
zu beachten, dass bei der filigranen Kanalstruktur die richtigen
Abschnitte miteinander verschweißt werden. Dies ist besonders
wichtig, da hierdurch die Dichtigkeit sowie der geregelte Fluss
von Kühlmedien
gewährleistet
sind. Es wird also nochmals betont, dass das Verschweißen der Lagen
zur Bipolarplatte für
die vorliegende Erfindung nicht ausschließlich an der äußeren Peripherie
erfolgen muss, sondern auch im ”Binnenbereich” zwischen
unterschiedlichen Kanalstrukturen erfolgt, und dass gerade hier
höchste
Präzision
notwendig ist.
-
Eine
weitere Alternative der Erfindung sieht vor, dass diese mindestens
zwei Lagen enthält,
wobei mindestens zwei Lagen jeweils mindestens eine erste, eine
zweite und eine dritte Erhebung/Vertiefung enthalten und die erste
Erhebung/Vertiefung der ersten Lage und die erste Erhebung/Vertiefung
der zweiten Lage (erste Kontaktstelle), die zweite Erhebung/Vertiefung
der ersten Lage und die zweite Erhebung/Vertiefung der zweite Lage
(zweite Kontaktstelle) sowie die dritte Erhebung/Vertiefung der
ersten Lage und die dritte Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage
(dritte Kontaktstelle) im vollständig
positionierten Zustand der Lagen ineinander greifen und sich in den
Ebenen E2, E3 und E4 jeweils nur abschnittsweise in mindestens zwei
Abschnitten berühren.
Beide Berührstellen
einer Kontaktstelle liegen in der Ebene E2, E3 bzw. E4 auf beiden
Seiten einer virtuellen Gerade, die in Hauptrichtung der jeweiligen
Erhebung/Vertiefung in der zweiten Lage verläuft. Diese virtuelle Geraden
durch die erste bzw. zweite Kontaktstelle verlaufen zueinander im
wesentlichen parallel, während
die virtuelle Gerade durch die dritte Kontaktstelle im wesentlichen
senkrecht zu den beiden vorgenannten virtuellen Geraden verläuft.
-
Im
Folgenden werden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte
beispielhaft geschildert.
-
Eine
Weiterbildung sieht vor, dass die Erhebungen/Vertiefungen der ersten
Lage zu den Erhebungen/Vertiefungen der zweiten Lage selbstzentrierend
ausgeführt
sind. Hierdurch ist eine Ausrichtung, insbesondere in Höhenrichtung
(Stapelrichtung eines Brennstoffzellenstapels) unnötig, da
sich die Lagen selbst zueinander zentrieren.
-
Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die erste und/oder
zweite Erhebung/Vertiefung der ersten und/oder zweiten Lage gelocht
ist. Unterschiedlich große
Lochgebung oder Lochgebung in nur einer Lage erlaubt zudem eine
visuelle Kontrolle der korrekten Lagenzusammenfügung. Vorteilhafterweise sind
die Erhebungen/Vertiefung zentrisch gelocht. Ganz besonders vorteilhaft
ist, dass hier beide Vertiefungen bzw. Erhebungen gelocht sind.
Generell ermöglichen
die Löcher
das Eingreifen eines Stifts einer Fixiervorrichtung.
-
Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die ineinander
greifenden ersten Erhebungen/Vertiefungen der ersten und zweiten
Lage jeweils kreisrund ausgeführt
sind. Gleichzeitig ist vorgesehen, dass die zweite Erhebung/Vertiefung
der ersten Lage kreisrund ist und die zweite Erhebung/Vertiefung
der zweiten Lage eine langlochförmige
oder abgerundete vieleckige aber nicht kreisrunde Erhebung/Vertiefung
ist.
-
Insgesamt
sind hier sämtliche,
insbesondere im Prägeverfahren
leicht herstellbare, Geometrien möglich, dabei sind aus Herstellungsgründen abgerundete
Geometrien bevorzugt. Die Geometrie der Erhebung/Vertiefung und
der Fixiervorrichtung werden aufeinander abgestimmt. Im Rahmen dieser
Erfindung bedeutet der Begriff langlochförmig entsprechend oval, abgerundetvieleckig
oder langlochförmig und
schließt
die Kreisform aus. Langlochförmig
bezeichnet dabei ausschließlich
die Form, es muss sich nicht um eine Öffnung handeln, sondern es
handelt sich meist um Erhebungen bzw. Vertiefungen.
-
Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mindestens eine
der Lagen eine Kanalstruktur aufweist und die Längserstreckungsrichtung der
zweiten Erhebung/Vertiefung der zweiten Lage parallel zu der Kanalstruktur
angeordnet ist. Hierdurch wird gesichert, dass bei einer z. B. wärmeausdehnungsbedingten
oder auch herstellungsbedingten Relativbewegung beider Lagen immer
gewährleistet
ist, dass es zu einer ”Parallelverschiebung” entlang
der miteinander zu fügenden
Kanalbereiche kommt. Es kann somit sichergestellt werden, dass der ”tiefste
Punkt” des
Kanals bei beiden Lagen somit stets aufeinander liegt und selbst
bei einem Verschieben der Lagen entlang des Toleranzquerschnitts
immer die gewünschten
Stellen beider Lagen miteinander in Kontakt sind. Dies ist insbesondere
vorteilhaft beim Schweißen
bzw. Laserschweißen,
da es bei dieser Anordnung nicht zu einem Durchbrennen beim Schweißen kommt.
-
Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Erhebungen/Vertiefungen
der ersten Lage einen größeren oder
kleineren Konuswinkel haben als der Konuswinkel der dazu komplementären Erhebungen/Vertiefungen
der zweiten Lage. Hierdurch wird eine linienförmige, umlaufende Berührung zwischen
den Erhebungen/Vertiefungen erreicht, so dass in diesen Bereichen
eine möglichst
hohe Flächenpressung
auftritt. Dies wird weiter unterstützt, wenn die Erhebungen/Vertiefungen
der einen Lage weniger tief sind als die Erhebungen/Vertiefungen der
anderen Lage.
-
Im
Folgenden wird, mit etwas anderen Worten, eine besonders vorteilhafte
Ausführungsform
der Erfindung geschildert, die allerdings keinesfalls einschränkend zu
verstehend ist:
Um eine genaue Positionierung der Bipolarplatten zueinander
vorzunehmen, werden konische Prägungen – je nach
Betrachtungswinkel Erhebungen oder Vertiefungen – in die Lagen eingebracht.
Vorteilhaft ist, wenn z. B. die anodenseitige Bipolarplattenlage zwei
kreisrunde Prägungen
aufweist und die kathodenseitige Bipolarplattenlage genau eine kreisrunde und
eine langlochförmige
Prägung
aufweist. Dabei sollten diese Positionierprägungen so ausgeführt sein,
dass z. B. die anodenseitige Lage in die kathodenseitige Lage gesteckt
werden kann und über
den Konus der Prägungen
eine formschlüssige
Zentrierung der Lagen zueinander vorgenommen wird. Der Vorteil der
langlochförmigen
Positionierprägung
ist, dass das Plattensystem nicht überbestimmt ist und ein Toleranzausgleich
von anodeseitiger zu kathodenseitiger Bipolarplattenlage gegeben
ist. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die langlochförmige Positionierprägung parallel
zu dieser Hauptrichtung der Kanäle
des Flowfields verläuft.
Dadurch wird ein Versatz in y-Richtung und damit senkrecht zu den
Kanalstrukturen vermieden.
-
Ein
weiteres Merkmal der Positionierprägung ist, dass sie auch für eine formschlüssige Positionierung
innerhalb einer Vorrichtung, z. B. einer Schweißvorrichtung, verwendet werden
kann. Aus demselben Grund wie oben beschrieben sollte eine Aufnahme der
Vorrichtung eine komplementäre
aber etwas größere Form
aufweisen, als die entsprechende Erhebung oder Vertiefung der Bipolarplattenlage.
Wird also eine langlochförmige
Positionierprägung
verwendet, weist die Aufnahme ebenfalls eine Langlochform auf, ist
aber größer als
die langlochförmige
Positionierprägung
in der betreffenden Lage (siehe Schnitt C-C in 3e).
Für eine
runde Positionierprägung
wird eine runde Aufnahme verwendet, die wiederum einen größeren Durchmesser
aufweist als die Positionierprägung.
Für eine
grobe Vorzentrierung der Einzellagen in die Vorrichtung ist es vorteilhaft,
jeweils eine Bohrung und ein Langloch in der Mitte der Positionierungsprägung vorzusehen
sowie einen dazu passenden Aufnahmestift in der Vorrichtung. Die
Vorzentrierung über
den Aufnahmestift gewährt ein
Hineingleiten der Lagen in die Aufnahme der Vorrichtung.
-
Bei
der Gestaltung der zueinandergehörigen Positionierprägungen in
verschiedenen Lagen bieten sich verschiedene Varianten an. Einerseits
ist es möglich,
dass in beiden Lagen Erhebungen relativ zur sonstigen Lagenebene
eingeformt werden und die Erhebung der unten angeordneten Lage in
die Vertiefung, die auf der Unterseite der Erhebung in der darauf
angeordneten Lage resultiert, eingreift. Im Hinblick auf die sonstigen
Strukturelemente der betreffenden Bipolarplatte bzw. ihrer Lagen,
ist es aber oftmals nicht möglich,
die Erhebungen mit der hierzu notwendigen Höhe in eine einzige Richtung
auszuformen, da die Erhebungen dann beispielsweise die zur Abdichtung
der Lagen gegeneinander eingeprägten
Sicken überragen
und somit eine Abdichtung verhindern würden. In dieser Situation ist
es dann andererseits angeraten, in beiden Lagen eine Vertiefung mit
einem größeren Durchmesser
einzubringen und in die Fläche
dieser Vertiefung dann wiederum eine Erhöhung einzuformen. Das Ausmaß der Vertiefung ist
dabei insgesamt geringer als das der Erhöhung. Dies erlaubt eine Verteilung
der Höhe
der Erhöhungen/Vertiefungen
auf beiden Seiten der Ebene der jeweiligen Bipolarplattenlage. Dabei
ist eine im Wesentlichen symmetrische Höhenaufteilung ebenso möglich wie
eine asymmetrische.
-
Die
Ausführung
der Positionierprägung
kann so gewählt
sein, dass eine Lage einen steileren Konus aufweist als die andere
Lage. Außerdem
ist es vorteilhaft die Prägung
an einer Lage etwas weniger tief auszuprägen, so dass sich die beiden
Lagen im Bereich der Kontaktstelle nur in ihrer jeweiligen Flanke
des Konus abschnittsweise oder umlaufend berühren.
-
Weiterhin
ist es sinnvoll die runde oder langlochförmige Aufnahme der Vorrichtung
an ihrer offenen Seite mit einem Radius zu versehen, auf dem die Schräge des Außenkonus
einer aufgelegten Lage zu liegen kommt. Außerdem ist zur Positionierung
in der Vorrichtung ausreichend Kraft/Pressung von oben auf die Positionierprägung aufzubringen,
um eine formschlüssige
Zentrierung zu erreichen.
-
Die
erfindungsgemäße Bipolarplatte
enthält wie
bereits dargelegt mindestens zwei Lagen, es können allerdings durchaus noch
mehr Lagen sein. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn im
Inneren der Bipolarplatte beispielsweise Kühlmittel geführt wird.
Insbesondere bei einer unstrukturierten Zwischenlage als dritter
Lage bietet es sich an, diese dadurch in der Bipolarplatte zu integrieren, dass
sie im Bereich der Erhebungen/Vertiefungen der Außenlagen ausgespart
wird, so dass die Erhebungen/Vertiefungen einer Außenlage
durch die Aussparungen hindurch in die Vertiefungen/Erhebungen der
jeweils anderen Außenlage
eingreifen können.
-
Daneben
ist es genauso möglich,
die Lagen der Platte jeweils paarweise wie bereits zuvor für zwei einzelne
Lagen beschrieben zueinander zu positionieren. Bei den Positionierprägungen,
die zum Formschluss in der x-y-Ebene, genauer der Ebene E1 führen, ist
es dabei ohne weiteres möglich,
aber nicht zwingend, an derselben Stelle in allen Lagen die entsprechende
Erhebung/Vertiefung vorzusehen, während die Positionierprägungen,
die in der entsprechenden Berührebene
E2, E3 oder E4 nicht zum Formschluss führen, von benachbartem Lagenpaar zu
benachbartem Lagenpaar versetzt angeordnet werden müssen. Diese
Anordnung ist für
strukturierte, d. h. z. B. geprägte
Zwischenlagen bevorzugt, da die Positionierprägungen dann mit der sonstigen Struktur
zusammen eingebracht werden kann, sie ist aber auch für unstrukturierte
Zwischenlagen einsetzbar.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren erläutert. Gleiche
Bezugszeichen beziehen sich auf die gleichen Elemente. Es zeigen:
-
1a bis 1d den
beispielhaften Aufbau eines mindestens eine Bipolarplatte enthaltenden
elektrochemischen Zellstapels,
-
2 eine
Lage einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
-
3a bis 3g Ansichten,
Schnitte und weitere Details einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
-
4a bis 4c eine
Ansicht sowie einen Schnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
-
5a bis 5h verschiedene
Draufsichten auf Kontaktstellen,
-
6 eine
Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte,
-
7 eine
Schnittansicht der Kontaktstellen einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen dreilagigen
Bipolarplatte und
-
8 Details
zum Laserschweißen
der Lagen einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte.
-
1a und 1d zeigen
den Aufbau einer Brennstoffzelleneinheit 7. Eine Vielzahl
dieser Brennstoffzelleneinheiten 7 bildet geschichtet den
zwischen Endplatten 70 und 71 angeordneten Bereich einer
Brennstoffzellenanordnung 8 (siehe 1c). 1b zeigt
mehrere aufeinander gelegte Brennstoffzelleneinheiten 7 ohne
die Endplatten. In 1a und 1d ist
in Schrägansicht
bzw. Draufsicht von oben eine Brennstoffzelleneinheit 7 mit
ihren regelmäßigen Bauteilen
zu sehen, welche beispielsweise eine Polymermembran 9aufweist,
welche im Mittelbereich 9a mit einer Katalysatorschicht
beidseitig versehen ist. In der Brennstoffzelleneinheit 7 sind zwei
Bipolarplatten 1 vorgesehen, zwischen denen die beschichtete
Polymermembran angeordnet wird. Im Bereich zwischen jeder Bipolarplatte 1 und
der beschichteten Polymermembran 9 ist außerdem eine Gasdiffusionslage 10 angeordnet.
Die Bipolarplatten 1 weisen einerseits eine Sicke 4a auf,
die das Flowfield, d. h. die Kanalstruktur 4, dichtend
umgibt. Darüber
hinaus ist eine weitere Sicke 4a angedeutet, die eine Medienleitung
von Wiederholeinheit 7' zu
Wiederholeinheit 7' abdichtet.
In den nachfolgenden Figuren wird aus Gründen der Klarheit der Figuren
auf die Darstellung der Abdichtelemente verzichtet.
-
Im
Rahmen dieser Anmeldung werden die folgenden Begriffe unterschieden:
Unter der eigentlichen Brennstoffzelle wird das Ensemble aus erster Gasdiffusionslage 10,
beschichteter Polymermembran 9 und zweiter Gasdiffusionslage 10 verstanden. Die
Brennstoffzelleneinheit 7 umfasst eine anodenseitige Lage
einer Bipolarplatte 1, die gerade definierte Brennstoffzelle
sowie die kathodenseitige Lage einer zweiten Bipolarplatte 1,
sowie ggf. auch noch weitere Lagen einer Bipolarplatte 1.
Dies bedeutet, dass eine Bipolarplatte 1 immer zwischen
zwei Brennstoffzelleneinheiten 7 geteilt wird. Hiervon
unterscheidet sich die Wiederholeinheit 7', die eine komplette Bipolarplatte 1 sowie
eine Brennstoffzelle gemäß der obigen
Definition enthält.
In 1d wird darüber
hinaus noch angedeutet, dass die Lagen zumindest im Bereich der
Sicken 4a umlaufend miteinander verschweißt sind
(Schweißlinien 11).
Hier wird auch die größere Prägetiefe
der Dichtsicken 4a gegenüber den Kanalstrukturen 4 deutlich. 1d zeigt zudem
die verschiedenen Kompartimente der Kanalstrukturen 4:
Reaktandenkanäle 41, 42 auf
den von einander weg weisenden Seiten der Lagen 2, 3 und Kühlmittelkanäle 43 zwischen
den sich abschnittsweise berührenden
Lagen 2, 3.
-
Im
Folgenden soll der Aufbau der Bipolarplatte 1 sowie deren
Herstellverfahren beispielhaft näher
erklärt
werden.
-
2 zeigt
eine Lage 3 einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte. Es handelt
sich im gezeigten Beispiel um eine Metalllage 3 mit einer
kontinuierlichen, geradlinigen Kanalstruktur 4 aus mehreren
parallelen Kanälen,
wobei die Kanalstruktur eine ungefähr fünfmal so große Erstreckung
in x- als in y-Richtung aufweist. Daneben ist in der Metalllage 3 eine kreisrunde
Vertiefung 3a sowie eine langlochförmigen Vertiefung 3b vorhanden.
Die runde Vertiefung 3a weist zentrisch eine kreisrunde
Bohrung auf. Die langlochförmige
Vertiefung 3b weist eine zentrische Öffnung in Form eines Langlochs
auf. Die Längserstreckungsrichtung 5 (d.
h. eine virtuelle Gerade in Richtung der längsten Ausdehnung der langlochförmigen Vertiefung)
ist parallel angeordnet zum Verlauf (d. h. der Fluidführungsrichtung)
der Kanalstruktur 4. Dies bedeutet, dass die Kanalstrukturen
des Fluids (entweder ein Kühlfluid
im Inneren der späteren
Bipolarplatte oder ein Medium an der Außenseite der späteren Bipolarplatte)
in eben dieser Richtung führen.
-
Die
in 2 gezeigte Lage 3 wird mit zumindest
einer weiteren Lage verbunden, so dass sich eine Bipolarplatte ergibt.
Diese beiden Lagen werden durch Laserstrahlschweißen verbunden,
wobei auch im ”Binnenbereich” der Bipolarplatte,
d. h. zwischen den Kanälen
ein Verschweißen
stattfindet, um so ein ”Aufblähen” der Platte
zu verhindern bei erhöhtem Druck
der Kühlflüssigkeit
im Inneren der Bipolarplatte. Um ein sicheres und genaues Schweißen zu gewährleisten
ist es vorteilhaft, dass die Längserstreckungsrichtung 5 parallel
zur Kanalstruktur ist.
-
3a zeigt
eine Draufsicht einer gefügten Bipolarplatte 1 gemäß der Erfindung.
Die Bipolarplatte besteht aus zumindest zwei Lagen 2 und 3,
die mittels einer Laserverschweißung 11 bzw. 11' und 11'' gefügt sind. Die Laserverschweißung 11 ist
entlang der durchgängigen
Linie geführt.
D. h., dass der Bereich um die Kanalstruktur herum (gegebenenfalls unterbrochen
durch Zu- und Ableitungen) entsprechend verschweißt ist.
Außerdem
sind die Bereiche der Erhebungen bzw. Vertiefungen (je nach Blickrichtung,
siehe Bezugszeichen 2a und 2b), miteinander verbunden,
siehe gestrichelte Linien 11'.
Weiter sind die beiden Lagen der Bipolarplatte 1 auch im
Bereich des Flowfields mit abschnittsweisen linienförmigen Schweißungen miteinander
verbunden, deren Position der Pfeil 11'' beispielhaft
andeutet.
-
Gezeigt
ist hier eine obere erste Lage 2, darunter ist eine Lage 3 lediglich
bereichsweise erkennbar, und zwar im Bereich von Bohrungen. Der
Bohrungsdurchmesser im Bereich der Erhebungen/Vertiefungen ist bei
der unten liegenden Lage 3 kleiner, so dass ein kreisringförmiger Abschnitt
noch sichtbar ist (siehe 3a, oben
rechts). Dies ermöglicht
bereits bei Augenschein oder automatisiert die Überprüfung, ob die richtigen Lagen
zusammengesetzt wurden.
-
Im
Folgenden soll auf die Erhebungen/Vertiefungen der Kontaktstellen 23a und 23b besonders eingegangen
werden, vor allem auch anhand der Schnittdarstellungen B-B (siehe 3b)
sowie C-C und D-D (siehe 3e und 3f).
Die entsprechenden abschnittsweisen schematisierten Draufsichten
in den Bereichen D1 bzw. D2 ergeben sich aus 3c u. 3g.
Ergänzend
wird auch auf 3d eingegangen, die Winkelverhältnisse
der Erhebungen/Vertiefungen gemäß 3b zeigt.
Auch unter der oberen Lage liegende Elemente, wie beispielsweise
die langlochförmige
Erhebung/Vertiefung sind hier – obwohl
von oben eigentlich nicht sichtbar – mittels durchgängiger Linien
angedeutet. Vergleichbares gilt nachfolgend auch für 4a.
-
3a verdeutlicht,
dass an der Kontaktstelle 23a in beiden Lagen 2 und 3,
kreisförmige
Erhebungen/Vertiefungen 2a und 3a vorgesehen sind.
Die Kontaktstelle 23a weist hingegen eine runde Erhebung/Vertiefung 2b in
der Lage 2 und eine langlochförmige Erhebung/Vertiefung 3b in
der Lage 3 auf. Diese ineinander greifenden Erhebungen/Vertiefungen 2b und 3b weisen
zwei Berührungsstellen 30b und 31b auf.
Bezogen auf die kreisförmige
Erhebung 2b der Lage 2 erstrecken sich die Berührungsstellen 30b und 31b nur über ein
sehr kurzes Stück
des Kreisumfanges, sind quasi nur punktförmig. Die beiden Berührungsstellen 30b und 31b liegen
einander auf unterschiedlichen Seiten des Kreises gegenüber. Eine
virtuelle Gerade durch die Mittelpunkte der jeweiligen Berührungsstellen, 32b und 33b zeigt
dabei die Richtung, in der keine Bewegung möglich ist. Diese Richtung ist
dabei senkrecht zur Hauptrichtung der Kanalstruktur 4 bzw.
der Richtung der Schweißungen 11''. In Richtung senkrecht zu dieser
virtuellen Geraden, entlang der Linie 5b, können sich
die beiden Lagen jedoch in geringem Umfang gegen- und zueinander
bewegen, so dass geringe Toleranzen oder wärmemeausdehnungs- oder prozessbedingte
Relativbewegungen entlang der Kanalstrukturen beider Lagen ausgeglichen
werden können.
-
3b zeigt
eine Bipolarplatte gemäß 3a,
welche in die Aufnahme 6c einer Fixiervorrichtung 6 eingelegt
ist. Die Fixiervorrichtung weist weiter einen Zentrierbolzen 6a auf
sowie Radien 6b. Gezeigt ist eine Detailansicht gemäß Schnitt
B-B, bei dem unter einer ersten Lage 2 (im Einbau anodenseitig)
eine zweite Lage 3 (kathodenseitig) eingelegt ist. Beide
Lagen sind aus einem dünnen
Metallblech, insbesondere Stahlblech, hergestellt. Eine erste Erhebung 2a der
ersten Lage ist in eine erste Vertiefung 3a der zweiten
Lage 3 eingesteckt. Die genannten Erhebungen/Vertiefungen 2a bzw. 3a sind
in der Ebene E1 parallel zur Ebene E (Plattenebene bzw. Blattebene
x-y gemäß 2)
formschlüssig
zueinander angeordnet, so dass hier in keiner Flächenrichtung eine Translation
möglich
ist.
-
Wie
in 3b zu sehen, ist sowohl die erste Erhebung 2a als
auch die erste Vertiefung 3a jeweils mit einer kreisrunden Öffnung 2ax bzw. 3ax versehen.
Der Kreisdurchmesser bzw. die Kreisfläche der Öffnung 3ax der ersten
Vertiefung 3a ist hierbei kleiner als der Durchmesser bzw.
die Fläche
der Öffnung 2ax der
ersten Erhebung 2a.
-
Diese
Verhältnisse
sind außerdem
durch die beiden orthogonalen Doppelpfeile in der vereinfachten
Darstellung des Bereichs D1 ohne Bohrungen in 3c nochmals
verdeutlicht. Dort ist sichtbar, dass in der Ebene E bzw. E1 keine
Flächenbewegung möglich ist.
Die erste Erhebung 2a sowie die erste Vertiefung 3a sind
somit zueinander selbstzentrierend angeordnet.
-
Die
Fixiervorrichtung selbst weist um den Fixierbolzen herum die eigentliche,
hier kreiszylindrische, Aufnahme 6c auf, welche nach oben
hin einen mittels Radius 6b gerundeten Übergang zur Ebene E zeigt.
-
Wie
in 3d in einer Detailansicht entsprechend dem Bereich
F1 der 3b nochmals deutlicher zu sehen,
ist der Konuswinkel α2
zwischen der vertikalen (also der Richtung der Hauptachse des Fixierbolzens 6a)
sowie der äußeren Mantelfläche der Erhebung 2a etwas
kleiner als der Winkel α3
zwischen dieser Vertikalen und der inneren Mantelfläche der
Vertiefung 3a. Hierdurch wird eine nur linienförmige umlaufende
Berührung
der äußeren Mantelfläche der
ersten Erhebung 2a mit der inneren Mantelfläche der
ersten Vertiefung 3a ermöglicht, die zum Formschluss
in der Ebene E1 führt.
-
Außerdem ist
zu sehen, dass die Höhe
h2 der ersten Erhebung 2a geringer ist als die Höhe/Tiefe
h3 der Vertiefung 3a. Dies führt dazu, dass kein ”Aufsetzen” der ersten
Lage 2 im Bereich um den Zentrierbolzen 6a herum
auf die zweite Lage 3 erfolgt und die beiden Lagen 2 und 3 im
Verbindungsbereich nur an ihrer umlaufenden Berührungslinie in Kontakt sind.
-
3e zeigt
einen Schnitt gemäß C-C im Bereich
um einen zweiten Fixierbolzen 6d der Fixiervorrichtung 6.
Ergänzend
ist in 3f der hierzu senkrechte Schnitt
gemäß D-D dargestellt.
Zu sehen ist eine zweite Erhebung 2b der Lage 2,
diese ist kreisrund und weist eine kreisrunde zentrische Öffnung 2bx auf,
die konzentrisch zum äußeren Mantel des
zweiten Fixierbolzens 6d in der Aufnahme 6f angeordnet
ist. Diese zweite Erhebung 2b ist in eine zweite Vertiefung 3b der
darunter liegenden Lage 3 eingepasst. Wie in 3b ist
hierbei der Querschnitt der Öffnung 3bx der
zweiten Vertiefung 3b (zumindest in dieser Querschnittsansicht)
etwas kleiner als der der entsprechenden Öffnung der zweiten Erhebung 2b.
Allerdings ist die zweite Vertiefung 3b langlochförmig ausgeführt, so
dass die zweite Erhebung 2b in 3e von
links nach rechts bereichsweise verschieblich angeordnet ist, also
dort keinen Formschluss aufweist. Im Gegensatz hierzu findet im Schnitt
D-D der 3f eine Berührung der beiden Erhebungen/Vertiefungen 2b, 3b an
den Berührpunkten 30b, 31b in
der Ebene E2 statt. Dies ist anhand der in 3g gezeigten
vereinfachten Skizze des Bereichs D2, in der auf die Darstellung
der Öffnungen verzichtet
wurde, nochmals schematisch verdeutlicht. Der dortige vertikale
Doppelpfeil zeigt an, dass eine Bewegung der zweiten Erhebung 2b innerhalb der
zweiten Vertiefung 3b in y-Richtung nicht möglich ist.
Dagegen zeigt der horizontale Doppelpfeil die Möglichkeit der Bewegung zum
Toleranzausgleich in x-Richtung.
-
Um
den Maßstab
der Erfindung zu verdeutlichen, so beträgt die Ausdehnung der Erhebung/Vertiefung
in x- bzw. y-Richtung 2 bis 25 mm, bevorzugt 4 bis 15 mm. Weiter
ist die Tiefe der Aufnahme 6f um den Fixierbolzen 6d herum
etwa 0,5 bis 1 mm, der Durchmesser der Aufnahme 6f in der
Fixiervorrichtung 6 beträgt vorzugsweise zwischen 1
und 10 mm. Der Freigang der Öffnungen,
also beispielsweise der Öffnungen 2bx oder 3bx relativ
zum Fixierbolzen beträgt üblicherweise
0,1 bis 3 mm, bevorzugt 0,1 bis 1 mm.
-
3a bis 3g zeigen
somit eine Bipolarplatte 1, enthaltend mindestens zwei
Lagen 2, 3, wobei mindestens zwei Lagen 2, 3 jeweils
mindestens eine erste und eine zweite Erhebung/Vertiefung enthalten,
wobei die erste Erhebung/Vertiefung 2a der ersten Lage 2und
die erste Erhebung/Vertiefung 3a der zweiten Lage 3 im
vollständig
positionierten Zustand der Lagen 2, 3 ineinander
greifen und sich in einer Ebene E1 formschlüssig berühren, wobei die zweite Erhebung/Vertiefung 2b der
ersten Lage 2 und die zweite Erhebung/Vertiefung 3b der
zweite Lage 3 im vollständig
positionierten Zustand der Lagen 2, 3 ineinander
greifen und sich in einer Ebene E2 nur abschnittsweise in mindestens
zwei Abschnitten 30b, 31b berühren, wobei die Berührungsstellen 30b, 31b so
angeordnet sind, dass sie sich auf beiden Seiten einer virtuellen
Gerade 5b, die in Hauptrichtung der Erhebung/Vertiefung 3b der
zweiten Lage 3 verläuft, liegen
und in der Ebene E2 kein Formschluss zwischen den Erhebungen/Vertiefungen 2b und 3b eintritt.
-
Im
Folgenden wird eine alternative Ausführungsform gemäß 4a bis 4c einer
erfindungsgemäßen Bipolarplatte
gezeigt. Sämtliche
obigen Ausführungen
gelten auch für
diese Ausführungsform,
so weit im Folgenden nicht auf Unterschiede hingewiesen wird.
-
Gezeigt
ist hierbei in 4a in der Draufsicht eine Bipolarplatte 1' mit einer diesmal
oben liegenden Lage 3'.
Die Führung
des Schnittes E-E ist anhand 4c in
einer Draufsicht auf eine Platte, in der lediglich die Positionierprägungen gezeigt
sind, erläutert,
der entsprechende Schnitt E-E ist in 4b gezeigt.
Gezeigt ist hier, wie die Erhebung 2a' in die Vertiefung 3a' eingreift,
die Erhebung 2b' in
die Vertiefung 3b' sowie
die Erhebung 2c' in
die Vertiefung 3c'.
Hierbei handelt es sich um drei Kontaktstellen 23a', 23b' und 23c' jeweils mit
Erhebungs/Vertiefungspaarungen gemäß 3e bis 3g.
D. h., dass sich die Erhebungen/Vertiefungen einer Kontaktstelle,
beispielsweise der Kontaktstelle 23b' in einer Ebene E3, jeweils in
zwei Abschnitten berühren, wobei
diese Berührstellen 30b' und 31b' sich auf beiden
Seiten der virtuellen Gerade 5b gegenüberliegen. Gleiches gilt für die Kontaktstelle 23a' in der Ebene
E2 mit den Berührpunkten 30a' und 31a' sowie der virtuellen
Gerade 5a bzw. die Kontaktstelle 23c' in der Ebene
E4 mit den Berührpunkten 30c' und 31c' sowie der virtuellen
Gerade 5c. Die virtuelle Gerade 5a an der Kontaktstelle 23a' und die virtuelle Gerade 5b an
der Kontaktstelle 23b' verlaufen
dabei im gezeigten Beispiel im Wesentlichen parallel und lassen
deshalb in dieser Richtung, nämlich
parallel zur Hauptrichtung der Kanalstruktur 4 und damit
auch der Schweißungen 11'' eine geringfügige Ausgleichsbewegung zu.
Hierzu senkrecht verläuft
etwa mittig zwischen den beiden Kontaktstellen 23a' und 23b' die virtuelle
Gerade 5c. Diese deutet die Ausgleichsrichtung an der Kontaktstelle 23c' an.
-
Gezeigt
ist somit eine Bipolarplatte 1', enthaltend mindestens zwei Lagen 2', 3', wobei mindestens
zwei Lagen 2', 3' jeweils mindestens
eine erste, eine zweite und eine dritte Erhebung/Vertiefung enthalten,
wobei die erste Erhebung/Vertiefung 2a' der ersten Lage 2' und die erste
Erhebung/Vertiefung 3a' der
zweiten Lage 3',
die zweite Erhebung/Vertiefung 2b' der ersten Lage 2' und die zweite
Erhebung/Vertiefung 3b' der
zweite Lage 3' sowie
die dritte Erhebung/Vertiefung 2c' der ersten Lage 2' und die dritte Erhebung/Vertiefung 3c' der zweiten
Lage 3' im
vollständig
positionierten Zustand der Lagen 2', 3' ineinander greifen und in den
Ebenen E2, E3 und E4 sich jeweils nur abschnittsweise in mindestens
zwei Abschnitten 30a', 31a', 30b', 31b', 30c', 31c' berühren, wobei
die Berührungsstellen 30a', 31a', 30b', 31b', 30c', 31c' so angeordnet
sind, dass sie jeweils auf beiden Seiten einer virtuellen Gerade 5a, 5b bzw. 5c, die
sich jeweils in Hauptrichtung der Erhebung/Vertiefung 3a', 3b' bzw. 3c' erstrecken,
liegen, wobei in den Ebenen E2, E3 und E4 kein Formschluss zwischen
den Erhebungen/Vertiefungen 2a und 3a, 2b und 3b sowie 2c und 3b eintritt,
wobei die virtuelle Gerade 5a und die virtuelle Gerade 5b unter
einem Winkel von –10° bis 10° zueinander
verlaufen und wobei die virtuelle Gerade 5c unter einem
Winkel von 80° bis
100° zu
den virtuellen Geraden 5a und 5b verläuft.
-
5 zeigt anhand von acht verschiedenen Beispielen
die Ausgestaltung der ineinander greifenden Erhebungen/Vertiefungen
(2a, 3a, 2b, 3b) der ersten
und zweiten Lage (2, 3). Die Beispiele der 5a bis 5d zeigen Beispiele, die zu einem Formschluss
zwischen den Erhebungen/Vertiefungen in ihrer Berührungsebene
führen,
während
die Beispiele der 5e bis 5h keinen
Formschluss zwischen den jeweiligen ineinander greifenden Erhebungen/Vertiefungen
bewirken. Auf eine Darstellung möglicher Öffnungen
für Fixierbolzen
oder für
die Lagenkontrolle wurde zugunsten der darstellerischen Klarheit
verzichtet. 5a zeigt, wie zwei kreisförmige Erhebungen/Vertiefungen
(2a, 3a) ineinander greifen. Die kreisförmigen Erhebungen/Vertiefungen (2a, 3b)
berühren
sich, wie schon in 3b und 3c gezeigt,
umlaufend.
-
5b stellt eine dreieckige Erhebung/Vertiefung 2a dar,
die in eine kreisförmige
Erhebung/Vertiefung 3a eingreift und diese mit den drei
Ecken des Dreiecks berührt.
Diese drei Kontaktpunkte sind ausreichend dafür, dass es zwischen den Erhebungen/Vertiefungen 2a und 3a zum
Formschluss kommt. Eine größere Anzahl
Eckpunkte eines Polygons führt
ebenfalls zum Formschluss, wie am Beispiel der 5c verdeutlicht,
in dem eine viereckigen Erhebung/Vertiefung in eine kreisrunde Erhebung/Vertiefung
eingreift und letztere in der Berührungsebene mit seinen vier
Ecken kontaktiert. Um unnötigen
Werkzeugverschleiß zu
vermeiden, sind jedoch Polygone mit abgerundeten Ecken vorzuziehen.
-
5d deutet an, dass auch der Eingriff einer
langlochförmige
Erhebung/Vertiefung 2a in eine kreisrunde Erhebung/Vertiefung 3a bei
passenden Abmessungen zu einem Formschluss führen kann. Umgekehrt führt der
Eingriff einer kreisrunden Erhebung/Vertiefung 2b in eine
langlochförmige
Erhebung/Vertiefung 3b zwar zur Berührung der ineinander greifenden
Erhebungen/Vertiefungen, nicht aber zum Formschluss, wie aus 5e folgt und zuvor bereits anhand 3e bis 3g demonstriert
wurde.
-
Der
Eingriff einer Erhebung/Vertiefung in Form eines gleichseitigen
Polygons, beispielsweise eines Quadrates 2b, in eine langlochförmige Erhebung/Vertiefung 3b,
führt – je nach
Ausrichtung des Polygons – zu
Berührungsstellen
an den Ecken (dargestellt) und/oder den Seitenkanten (nicht dargestellt)
des Polygons mit der Langlochform, hat bei passenden Abmessungen
jedoch keinen Formschluss zur Folge, wie 5f zeigt.
Auch zwei langlochförmige
Erhebungen/Vertiefungen 2b, 3b können ineinander
greifen und sich bei passender Breite entlang der Seitenkanten berühren. Hier
hängt es
von der Wahl der Länge
ab, ob es zu einem Formschluss kommt oder nicht. Solange, wie im
in 5g dargestellten Beispiel das Außenmaß der eingreifenden Erhebung/Vertiefung
geringer ist als das Innenmaß der
Erhebung/Vertiefung, in die eingegriffen wird, resultiert kein Formschluss.
-
5h zeigt
ergänzend,
dass der Kontakt der ineinander greifenden Erhebungen/Vertiefungen 2b, 3b nicht
auf zwei Positionen begrenzt sein muss, von denen je eine auf den
beiden Seiten der virtuellen Gerade 5b liegt, sondern dass
eine größere Anzahl
Berührpunkte,
insbesondere auch eine unterschiedliche Anzahl beiderseits der virtuellen
Gerade 5b möglich
ist, um den nicht-formschlüssigen
Eingriff zu realisieren.
-
6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 1,
bei der die Positionierprägung
in beiden Lagen jeweils zu beiden Seiten der Plattenebene E ausgeformt
ist. Beispielsweise ist in der oberen Lage 3 eine Erhöhung 3a* mit
einer Höhe
h3x ausgebildet, die – dargestellt
ist die kreisrunde Positionierprägung – einen
Durchmesser d3 aufweist. Innerhalb dieser kreisförmigen Erhöhung 3a* ist eine
ebenfalls kreisförmige
Vertiefung 3a+ angeordnet, die eine Höhe h3i aufweist, wobei h3i
größer ist
als h3x, so dass die Vertiefung 3a+ gegenüber der
Plattenebene E nach unten abgesenkt ist. Die Positionierprägung der
Lage 2 ist vergleichbar ausgestaltet, wobei dort der Durchmesser
der Erhöhung 2a*,
d2, geringer ist als der der Erhöhung 3a*,
d3, so dass die äußeren Erhöhungen 2a*, 3a* nur
für die Optimierung
der Höhenverhältnisse
innerhalb der Lagen sorgen, zur eigentlichen Positionierung bzw.
zum Formschluss, aber nicht beitragen. 6 verdeutlicht überdies,
dass die Gesamthöhe
der Positionierprägung
in beiden Lagen, he, im Wesentlichen der Gesamthöhe der Kanalstruktur 4,
hf, entspricht, so dass von der Positionierprägung keine Beeinträchtigung
der Abdichtung im Bereich des hier nicht dargestellten Außenrandes
der betreffenden Bipolarplatte ausgeht.
-
Im
in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Bipolarplatte 1 insgesamt
drei Lagen 2, 100 und 3 auf. Die mittlere
Lage 100 weist im Bereich der Kontaktstellen 23a und 23b jeweils
Ausnehmungen auf, deren Ausdehnung so groß ist, dass die Vertiefungen 3a bzw. 3b durch
sie hindurch in die Vertiefungen 2a bzw. 2b eingreifen
können.
Die Positionierung der beiden äußeren Lagen 2, 3 erfolgt
also wie bei den zuvor beschriebenen zweilagigen Ausführungsformen,
wobei die mittlere Lage dazwischengefasst wird.
-
8 zeigt
ein Beispiel einer Verschweißung
einer ersten Lage 2 mit einer zweiten Lage 3 mittels
eines Laserstrahls 12 im Bereich einer Kanalstruktur 4.
Die Lage 2 sowie die Lage 3 weisen Kanalstrukturen
auf, wobei im zu verschweißenden
Bereich (also die Engstelle in der Mitte in 8) flache Abschnitte
bereichsweise aufeinander liegen. Als beispielhafte Angabe ist hierbei
die Breite des flachen Abschnittes der ersten Lage 2 mit
200 µm
und die Breite der Auflagefläche
der Lage 3 hin zum Bereich mit 170 µm gezeigt. Die Breite eines
Laserstrahls 12 beträgt
in diesem Bereich etwa 50 µm.
Mit der Erfindung wird ermöglicht,
dass die Auflagebereiche einen Überlappungsbereich
von mindestens 100 µm
aufweisen, so dass selbst bei leichter Ungenauigkeit der Führung des
Laserstrahls immer noch ein vollflächiger Stoffschluss zwischen
erster Lage 2 und zweiter Lage 3 in diesem Bereich
erfolgt.
-
Hierzu
werden gemäß 3a bis 3g die beiden
Lagen 2 und 3 aufeinander gelegt mittels entsprechender
Fixierbolzen 6a bzw. 6d der Fixiervorrichtung 6 und
in dieser Lage die Laserverschweißung durchgeführt.
-
Die
obigen Ausführungen
sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Es wird darauf Wert gelegt, dass
Kombinationen sämtlicher
hier gezeigten Ausführungsformen
im Rahmen der Erfindung liegen und auch die Gegenstände der
Unteransprüche,
soweit nicht ausgeschlossen, beliebig kombinierbar sind.
