DE102020211646A1

DE102020211646A1 - Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102020211646A1
Application number: DE102020211646.6A
Authority: DE
Inventors: Dieter Holz; Friedrich Kneule
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2022-03-17

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten von Brennstoffzellen, nämlich Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten (10), wobei die schichtförmigen Komponenten fiktive Ebenen (37) aufspannen, Anordnen und/oder Montieren der schichtförmigen Komponenten zu Stapeln, so dass Brennstoffzellen ausgebildet werden und die Brennstoffzellen zu einer Brennstoffzelleneinheit gestapelt werden, wobei die Bipolarplatten (10) zur Verfügung gestellt werden indem je eine Bipolarplatte (10) vor der Anordnung in dem Brennstoffzellenstapel in einer Druckpresse (51) zwischen zwei Druckplatten (52, 53) während einer Verkleinerung des Abstandes zwischen den zwei Druckplatten (52, 53) mit einer Druckkraft im Wesentlichen senkrecht zu der fiktiven Ebene (37) plastisch verformt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.
Für die Herstellung und Montage von Brennstoffzellen ist es notwendig, die Komponenten der Brennstoffzellen fluchtend gestapelt übereinander anzuordnen. Die scheibenförmigen Komponenten der Brennstoffzellen sind Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten. Wesentlicher Bestandteil des Stapels sind die elektrisch leitfähige Bipolarplatten. Diese fungieren als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch Strömungsräume, insbesondere Kanäle bzw. Kanalstrukturen. Die Bipolarplatten liegen an Kontaktflächen an den Gasdiffusionsschichten auf. Bei einer mangelhaften Ebenheit der Bipolarplatten, d. h. einer nicht parallelen Ausbildung der Kontaktflächen je einer Bipolarplatte, weist der Stapel der Brennstoffzellen einen nachteilige, im Wesentlichen nicht nutzbare schiefe Form auf, d. h. nicht als Quader, sondern beispielsweise im Wesentlichen als Parallelepiped.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten von Brennstoffzellen, nämlich Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, wobei die schichtförmigen Komponenten fiktive Ebenen aufspannen, Anordnen und/oder Montieren der schichtförmigen Komponenten zu Stapeln, so dass Brennstoffzellen ausgebildet werden und die Brennstoffzellen zu einer Brennstoffzelleneinheit gestapelt werden, wobei die Bipolarplatten zur Verfügung gestellt werden indem je eine Bipolarplatte vor der Anordnung in dem Brennstoffzellenstapel in einer Druckpresse zwischen zwei Druckplatten während einer Verkleinerung des Abstandes zwischen den zwei Druckplatten mit einer Druckkraft im Wesentlichen senkrecht zu der fiktiven Ebene plastisch und vorzugsweise elastisch verformt wird. Im Wesentlichen senkrecht zu der fiktiven Ebene bedeutet vorzugsweise, dass die Druckkraft mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5° senkrecht zu der fiktiven Ebene ausgerichtet ist.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden die zwei Druckplatten an je einer Auflagefläche auf die Bipolarplatte mit einer Druckkraft aufgelegt und die zwei Auflageflächen der zwei Druckplatten sind eben ausgebildet und die zwei Auflageflächen sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet, so dass nach der plastischen Verformung der Bipolarplatte und nach dem Herausnehmen der Bipolarplatte aus der Druckpresse die Bipolarplatte aufgrund der plastischen Verformung im Wesentlichen eben ausgebildet ist. Im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die zwei ebenen Auflageflächen der Druckplatten mit einer Abweichung von weniger 5°, 3°, 2°, 1°, 0,5°, 0,1° oder 0,05° parallel zueinander ausgerichtet. Die Auflageflächen sind somit sehr genau, beispielsweise mit einer Abweichung von weniger 0,5° gleich 30 Winkelminuten, parallel zueinander ausgerichtet. Eine im Wesentlichen ebene Ausbildung der Bipolarplatte bedeutet vorzugsweise, dass die zwei ebenen Kontaktflächen der Bipolarplatte mit einer Abweichung von weniger 5°, 3°, 2°, 1°, 0,5°, 0,1° oder 0,05° parallel zueinander ausgerichtet. Die ebenen Bipolarplatten in dem Brennstoffzellenstapel ermöglichen somit eine Ausbildung des Brennstoffzellenstapels als Quader.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Höhe der Bipolarplatte nach dem plastischen Verformen und nach einer elastischen Rückverformung der Bipolarplatte um 1% bis 40%, insbesondere 5% bis 35%, kleiner ist als vor dem plastischen Verformen in der Druckpresse.
In einer zusätzlichen Variante wird während der plastischen und vorzugsweise elastischen Verformung der Bipolarplatte in der Druckpresse die Höhe der Bipolarplatte verkleinert. Soweit die Bipolarplatte als Roh-Bipolarplatte vor der plastischen Verformung nicht eben bzw. schief ausgebildet ist, wird vorzugsweise die Höhe dahingehend verkleinert, so dass die Bipolarplatte nach der plastischen Verformung eben ausgebildet ist.
Zweckmäßig wird die Höhe der Bipolarplatte während der plastischen und vorzugsweise elastischen Verformung der Bipolarplatte in der Druckpresse zwischen 3% und 40%, insbesondere zwischen 10% und 35%, verkleinert.
In einer zusätzlichen Variante wird nach dem plastischen und vorzugsweise elastischen Verformen der Bipolarplatte von der Bipolarplatte während und/oder nach einer Vergrößerung des Abstandes zwischen den zwei Druckplatten eine elastische Rückverformung von der Bipolarplatte ausgeführt. Die meisten Werkstoffe für Bipolarplatten, insbesondere Metalle, weisen bei einer Verformung neben einem plastischen Anteil der Verformung auch einen elastischen Anteil der Verformung auf, so dass eine elastische Rückverformung ausgeführt wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung nimmt aufgrund der elastischen Rückverformung der Bipolarplatte die Höhe der Bipolarplatte um 0,5% bis 10%, insbesondere 1% bis 7%, zu. Während und nach der Vergrößerung des Abstandes zwischen den Druckplatten und vorzugsweise nach dem Herausnehmen der Bipolarplatte aus der Druckpresse nimmt die Höhe der Bipolarplatte ausgehend von der Höhe h₃ und der Anschlagsabstandsdifferenz d aufgrund der elastischen Rückverformung zu.
In einer weiteren Variante wird die Bipolarplatte in die Druckpresse eingelegt, anschließend wird auf die Bipolarplatte die Druckkraft aufgebracht indem der Abstand zwischen den zwei Druckplatten in einer Richtung senkrecht zu der fiktiven Ebene verkleinert wird bis zu einem Anschlag mit einer Anschlagabstandsdifferenz zwischen den Auflageflächen der zwei Druckplatten.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die plastische Verformung der Bipolarplatte in der Druckpresse um wenigstens das 3- bis 20-Fache, insbesondere das 5 bis 15-Fache, größer als die elastische Verformung der Bipolarplatte in der Druckpresse. Eine große plastische Verformung ermöglicht eine im Wesentlichen parallele Ausrichtung der Auflageflächen der Bipolarplatte zueinander aufgrund der im Wesentlichen parallelen Ausrichtung der Auflageflächen der Druckplatten zueinander, weil bei der elastischen Rückverformung die elastische Rückverformung gegebenenfalls nicht gleichmäßig ausgeführt wird. Die elastische Verformung der Bipolarplatte in der Druckpresse entspricht der elastischen Rückverformung der Bipolarplatte.
Zweckmäßig ist die plastische Höhendifferenz der Bipolarplatte als der Betrag einerseits zwischen der Höhe vor der plastischen Verformung und andererseits der Höhe nach der plastischen Verformung und nach der elastischen Rückverformung der Bipolarplatte größer als die elastische Höhendifferenz als der Betrag zwischen der Anschlagsabstandsdifferenz zwischen den Auflageflächen der zwei Druckplatten und der Höhe nach der plastischen Verformung und nach der elastischen Rückverformung der Bipolarplatte.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die plastische Höhendifferenz um wenigstens das 3- bis 20-Fache, insbesondere das 5 bis 15-Fache, größer als die elastische Höhendifferenz.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die Bipolarplatte aus wenigstens zwei Schichten zur Verfügung gestellt, so dass ein Strömungsraum für Oxidationsmittel, ein Strömungsraum für Kühlmittel und ein Strömungsraum für Brennstoff ausgebildet wird und die plastische und/oder elastische Verformung wird im Wesentlichen, insbesondere zu wenigstens 70%, 80%, 90% oder 95%, in nur einer Schicht ausgeführt.
In einer ergänzenden Variante wird die plastische und/oder elastische Verformung der Bipolarplatte im Wesentlichen nur an lokalen Bereichen, insbesondere nur einer Schicht der Bipolarplatte, ausgeführt. Vorzugsweise umfassen die lokalen Bereiche weniger als 30 Masse-%, 20 Masse-%, 10 Masse-% oder 5 Masse-% der Bipolarplatte, insbesondere nur einer Schicht der Bipolarplatte. Beispielsweise sind an einer Schicht der Bipolarplatte Schwachstellen mit einer geringen Dicken ausgebildet an denen im Wesentlichen die Verformung, insbesondere plastische und/oder elastische Verformung, ausgeführt wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung weist die Bipolarplatte eine erste und zweite Kontaktfläche auf und nach der plastischen Verformung und elastischen Rückverformung die erste und zweite ebene Kontaktfläche im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, so dass die Bipolarplatte mit im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten ersten und zweiten Kontaktflächen zur Verfügung gestellt und montiert wird. Im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete erste und zweite Kontaktfläche der Bipolarplatte bedeutet vorzugsweise, dass die zwei ebenen Kontaktflächen der Bipolarplatte mit einer Abweichung von weniger 5°, 3°, 2°, 1°, 0,5°, 0,1° oder 0,05° parallel zueinander ausgerichtet.
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen und die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei die Bipolarplatten, insbesondere wenigstens 80%, 90% oder 95 der Bipolarplatten, vorzugsweise sämtliche Bipolarplatten, mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren hergestellt sind, so dass der Werkstoff der Bipolarplatten wenigstens teilweise plastisch verformt ist. Eine plastische Verformung von Werkstoffen, insbesondere Metallen, kann einfach festgesellt werden, weil es im Materialgefüge zu entsprechenden Umstrukturierungen der Moleküle oder Atome gekommen ist, wobei vorzugweise nur Teilbereiche der Bipolarplatten plastisch verformt worden sind.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Abstand zwischen den Auflageflächen der Druckplatten dahingehend verkleinert und/oder vergrößert, so dass während des Verkleinerns und/oder Vergrößern des Abstandes die Auflageflächen stets im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.
In einer weiteren Variante werden wenigstens 50%, 70%, 90%, 95% der Brennstoffzellen, insbesondere sämtliche Brennstoffzellen, der Brennstoffzelleneinheit mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren zur Verfügung gestellt.
Vorzugsweise werden die Komponenten der Brennstoffzellen und/oder die Brennstoffzellen fluchtend gestapelt.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Brennstoffzellen zu einem quaderförmigen Brennstoffzellenstapel gestapelt.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder die Komponenten der Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Zweckmäßig ist der Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzelleneinheit in einem Gehäuse angeordnet.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,
5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4,
6 einen Querschnitt einer Druckpresse zur plastischen Verformung einer Bipolarplatte und
7 ein Diagramm der Höhe h der Bipolarplatte in Abhängigkeit von der Zeit t während und nach der Anordnung der Bipolarplatte in der Druckpresse.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:
Kathode: O + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 H₂O
Anode: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegenden Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen (nicht dargestellt) an den Membranelektrodenanordnungen 6 zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 38 als Bolzen 39 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 39 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.
Die scheibenförmigen Komponenten 5, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzelle 2 sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10. Die Komponenten 5, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzelle 2 sind ebene schichtförmige Gebilde, welche jeweils eine fiktive Eben 37 aufspannen (3 und 6). Die von den Komponenten 5, 7, 8, 9, 10 aufgespannten fiktiven Ebenen 37 sind dabei parallel zueinander ausgerichtet. Die Bipolarplatten 10 sind als Werkstoff insbesondere aus korrosionsbeständigem Stahl ausgebildet. Die Bipolarplatten 10 weisen je eine eben erste Kontaktfläche 40 und je eine ebene zweite Kontaktfläche 41 auf. Die Kontaktflächen 40, 41 liegen jeweils auf der Gasdiffusionsschicht 9 auf. Die aus linienförmigen Kontaktteilflächen 40, 41 aufgebauten Kontaktflächen 40, 41 werden als eben angesehen auch bei einer Ausbildung des Kanales 12 für Brennstoff und des Kanales 13 für Oxidationsmittel an der Kontaktfläche 40, 41 als einem Schlitz in der Kontaktfläche 40, 41, weil die senkrechten maximalen Abstände von einer fiktiven zentrischen Mittelebene durch die Bipolarplatte 10 zu den Kontaktteilflächen 40, 41, mit denen die Bipolarplatte 10 auf der Gasdiffusionsschicht 9 aufliegt, konstant ist, d. h. eine fiktive ebene Kontrollplatte (nicht dargestellt), welche auf die Kontaktflächen 40, 41 fiktiv aufgelegt ist, ist parallel zu der fiktiven Ebene 37 und parallel zu der zentrischen Mittelebene ausgerichtet.
In 2 und 3 ist die Bipolarplatte 10 in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Bipolarplatte 10 ist aus drei Schichten aufgebaut, nämlich eine erste Schicht 42, eine zweite Schicht 43 und eine dritte Schicht 44. Die erste Schicht 42 ist aus einer Vielzahl von ungefähr U-förmigen Profilen ausgebildet. Die zweite Schicht 43 ist von einem Trennblech 46 gebildet. Die dritte Schicht 44 ist ebenfalls aus einer Vielzahl von ungefähr U-förmigen Profilen ausgebildet. Die U-förmigen Profile der ersten und dritten Schicht 42, 44 und das Trennblech 46 der zweiten Schicht 43 begrenzen geschlossene Kanäle 14 für Kühlmittel, welche somit Strömungsräume 49 für Kühlmittel bilden. Die Zwischenräume zwischen den U-förmigen Profilen der ersten Schicht 42 bilden offene Kanäle 13 für Oxidationsmittel, d. h. bilden Strömungsräume 48 für Oxidationsmittel und die Kanäle 13 sind zu der Gasdiffusionsschicht 9 offen und damit auch von der Gasdiffusionsschicht 9 begrenzt. Die Zwischenräume zwischen den U-förmigen Profilen der dritten Schicht 44 bilden offene Kanäle 12 für Brennstoff, d. h. bilden Strömungsräume 50 für Brennstoff und die Kanäle 12 sind zu der Gasdiffusionsschicht 9 offen und damit auch von der Gasdiffusionsschicht 9 begrenzt.
In 6 ist eine Druckpresse 51 mit der Bipolarplatte 10 in einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Nachfolgenden werden bezüglich der Bipolarplatte 10 im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3 beschrieben. Die erste Schicht 42 ist als ein gasdurchlässiger Metallschaum 45 ausgebildet und bildet damit den Strömungsraum 48 für das Oxidationsmittel. Die zweite Schicht 43 ist analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel als das Trennblech 46 ausgebildet. Die dritte Schicht 44 als ein gewelltes Blech 47 ausgebildet. Zwischen dem Trennblech 46 und dem gewellten oder im Querschnitt mäanderförmigen Blech 47 sind aufgrund der Geometrie des Bleches 47 Hohlräume ausgebildet, welche die Kanäle 14 für Kühlmittel als die Strömungsräume 49 für das Kühlmittel ausbilden. An der zu dem Trennblech 46 abgewandten Seite des Bleches 47 sind ebenfalls Hohlräume ausgebildet und diese Hohlräume bilden die Kanäle 12 für den Brennstoff als die Strömungsräume 50 für den Brennstoff.
Die Druckpresse 51 umfasst eine erste obere Druckplatte 52 und eine zweite untere Druckplatte 53. Die erste Druckplatte 52 weist eine erste ebene Auflagefläche 54 auf und die zweite Druckplatte 53 weist eine zweite ebene Auflagefläche 55 auf. Die zwei Druckplatten 52, 53 sind im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und die Länge und Breite der zwei Druckplatten 52, 53 ist größer als die Länge und Breite der Bipolarplatte 10 zwischen den zwei Druckplatten 52, 53, so dass die zwei Auflageflächen 54, 55 die Bipolarplatte 10 umlaufend überragen. Zwischen den zwei Druckplatten 52, 53 ist ein Anschlag 56 ausgebildet. Die zweite Druckplatte 53 ist feststehend und unbeweglich und die erste Druckplatte 52 kann mit einem Hydraulikkolben 57 in einer vertikalen Richtung bewegt werden. Der Hydraulikkolben 57 ist in einem Hydraulikzylinder 58 angeordnet.
Bei der Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 werden die Brennstoffzellen 2 mit scheibenförmigen Komponenten 5, 7, 8, 9, 10, nämlich Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10, fluchtend übereinander zu einem Brennstoffzellenstapel 1 gestapelt. Aufgrund der großen Anzahl an gestapelten Brennstoffzellen 2 und damit der großen Anzahl der Komponenten 5, 7, 8, 9, 10 müssen insbesondere die Bipolarplatten 10 exakt eben ausgebildet sein. Bereits geringfügige Abweichungen hiervon führen aufgrund der großen Anzahl der gestapelten Bipolarplatten 10 dazu, dass der Brennstoffzellenstapel 1 nicht die gewünschte Form eines Quaders, sondern im Wesentlichen die Form eines Parallelepipeds aufweist und damit für die technische Anwendung nicht mehr geeignet ist, beispielsweise weil der Brennstoffzellenstapel 1 nicht mehr in einem Gehäuse (nicht dargestellt) für den Brennstoffzellenstapel 1 angeordnet werden kann.
Die in 6 dargestellte Bipolarplatte 10 weist eine ursprüngliche Höhe h₁ auf, d. h. nach dem Zusammenfügen der drei Schichten 42, 43, 44 zu der Bipolarplatte 10. Nach dem Zusammenfügen der drei Schichten 42, 43, 44 mit einem Fügeverfahren, z. B. einer stoffschlüssigen Klebeverbindung, kann die Bipolarplatte 10 als Roh- oder Ausgangs-Bipolarplatte 10 aufgrund der Geometrie der drei Schichten 42, 43, 44 keine ebene Form aufweisen, d. h. ist gekrümmt und/oder mit unterschiedlicher Dicke ausgebildet und weist somit eine gekrümmte erste und zweite Kontaktfläche 40, 41 auf. In 7 ist die Dicke h der Bipolarplatte 10 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Nach dem Zusammenfügen der drei Schichten 42, 43, 44 zu der Bipolarplatte 10 und während des Einlegens der Roh-Bipolarplatte 10 in die Druckpresse 51 weist die Roh-Bipolarplatte 10 die Höhe h₁ auf. Nach dem Einlegen der Roh-Bipolarplatte 10 in die Druckpresse 51 weist die erste großflächige Kontaktfläche 40 der Roh-Bipolarplatte 10 einen Abstand zu der ersten Auflagefläche 54 der ersten Druckplatte 52 auf und die aus linienförmigen Kontaktteilflächen 41 zusammengesetzte zweite Kontaktfläche 41 der Bipolarplatte 10 liegt auf der zweiten Auflagefläche 55 der zweiten Druckplatte 53 auf. Anschließend wird mit dem Hydraulikkolben 57 die ersten Druckplatte 52 nach unten bewegt, so dass sich der Abstand zwischen den Auflageflächen 54, 55 verkleinert bis zu dem Zeitpunkt t₁ die erste Auflagefläche 54 auf der ersten Kontaktfläche 40 der Bipolarplatte 10 aufliegt. Anschließend wird die erste Druckplatte 52 weiter nach unten bewegt bis zu dem Zeitpunkt t₂ die erste Druckplatte 52 den Anschlag 56 erreicht, d. h. der minimale Abstand zwischen den zwei Auflageflächen 54, 55 der zwei Druckplatten 52, 53 erreicht ist. Während der gesamten Bewegung der ersten Druckplatte 52 sind die zwei ebenen Auflageflächen 54, 55 der Druckplatten 52, 53 parallel zueinander ausgerichtet aufgrund der Lagerung (nicht dargestellt) der beweglichen ersten Druckplatte 52. Während der Bewegung der ersten Druckplatte 52 zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ nach unten wird die Höhe h der Bipolarplatte 10 von der Höhe h₁ auf die Höhe h₂ verkleinert aufgrund einer plastischen und elastischen Verformung im Wesentlichen der ersten Schicht 42 aus dem Metallschaum 45. Dabei entspricht die Höhe h₂ der Anschlagsabstandsdifferenz d zwischen den zwei Druckplatten 52, 53 aufgrund des Anschlages 56.
Während der plastischen und elastischen Verformung des Metallschaumes 45 wird die plastische und elastische Verformung dahingehend ausgeführt, dass die zwei Kontaktflächen 40, 41 parallel zueinander ausgerichtet sind, weil die Kontaktflächen 40, 41 auf den ebenen und parallel zueinander ausgerichteten Auflageflächen 54, 55 während der plastischen und elastischen Verformung aufliegen. Anschließend wird die erste Druckplatte 52 nach oben bewegt bis die erste Auflagefläche 54 nicht mehr auf der ersten Kontaktfläche 40 der Bipolarplatte 10 aufliegt und anschließend wird die ebene Bipolarplatte 10 aus der Druckpresse 51 entnommen. Nach dem Zeitpunkt t₂, d. h. während des Anhebens der ersten Druckplatte 52 und nach dem Herausnehmen der Bipolarplatte 10 aus der Druckpresse 51 erfolgt bis zum Zeitpunkt t₃ eine geringfügige elastische Rückverformung der Bipolarplatte 10 im Wesentlichen von dem Metallschaum 45 als einer Vergrößerung der Dicke der Bipolarplatte 10 bis zu der Höhe h₃. Die Differenz zwischen der Höhe h₃ und der Höhe h₂ ist die elastische Höhendifferenz Δhe und die elastische Höhendifferenz Δhe ist im Wesentlichen von einer Vergrößerung der Dicke des Metallschaumes 45 während der elastischen Rückverformung verursacht. Die Differenz zwischen der Höhe h₁ und der Höhe h₃ ist die plastische Höhendifferenz Δhp und die plastische Höhendifferenz Δhp ist im Wesentlichen von einer plastischen Verkleinerung der Dicke des Metallschaumes 45 während der plastischen Verformung verursacht. Die plastische Höhendifferenz Δhp ist wesentlich größer als die elastische Höhendifferenz Δhe, weil die plastische Verformung der Bipolarplatte 10 wesentlich größer ist als die elastische Verformung der Bipolarplatte 10. Die Höhe h der Bipolarplatte 10 wird von h₁ auf h₂ in der Druckpresse beispielsweise um 15 % verkleinert. Die Höhe h der Bipolarplatte 10 nimmt von h₂ zu h₃ aufgrund der elastischen Rückverformung beispielsweise um 3% zu.
Nach der plastischen und elastischen Verformung der Bipolarplatte 10 sowie der elastischen Rückverformung sind die zwei Kontaktflächen 40, 41 der Bipolarplatte 10 im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet bei einer im Wesentlichen konstanten Dicke der Bipolarplatte 10, d. h. Bipolarplatte 10 ist im Wesentlichen eben und kann zum Stapeln der Brennstoffzelleneinheit 10 mit den anderen Komponenten 5, 7, 8, 9 verwendet werden. Dieser Vorgang wird für sämtliche der in der Brennstoffzelleneinheit 1 verwendeten Bipolarplatten 10 durchgeführt.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit 1 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Bipolarplatten 10 werden in der Druckpresse 51 dauerhaft dahingehend plastisch verformt, so dass die Bipolarplatten 10 eben sind und anschließend werden die Bipolarplatten 10 in dem quaderförmigen Brennstoffzellenstapel 1 angeordnet. Aufgrund der Quaderform des Brennstoffzellenstapels 1 kann dieser einfach in einem quaderförmigen Gehäuse (nicht dargestellt) angeordnet werden. Dadurch sind die Anforderungen an die Planparallelität der Schichten 42, 43, 44 gering, weil die Planparallelität bzw. Ebenheit der Bipolarplatten 10 in der Druckpresse 51 erreicht wird mittels einer gezielten plastischen Verformung. Damit können Kosten für die Herstellung der Schichten 42, 43, 44 eingespart werden und das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung der Planparallelität der Bipolarplatten 10 ist kostengünstig. Anstelle der in dem obigen Ausführungsbeispiel beschriebenen plastischen Verformung des Metallschaumes 45 können bei konstruktiv anders ausgebildeten Bipolarplatten 10 die plastische Verformung beispielsweise bei einem Streckgitter als einer Schicht der Bipolarplatte 10 ausgeführt werden oder bei der Bipolarplatte 10 in dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3 weist die erste Schicht 42 mit den im Wesentlichen U-förmigen Profilen Schwachstellen auf mit einer geringen Materialdicke, so dass lokal an diesen Schwachstellen die plastische und elastische Verformung ausgeführt wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 7, 8, 9, 10) von Brennstoffzellen (2), nämlich Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10), wobei die schichtförmigen Komponenten (5, 7, 8, 9, 10) fiktive Ebenen (37) aufspannen, - Anordnen und/oder Montieren der schichtförmigen Komponenten (5, 7, 8, 9, 10) zu Stapeln, so dass Brennstoffzellen (2) ausgebildet werden und die Brennstoffzellen (2) zu einer Brennstoffzelleneinheit (1) gestapelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10) zur Verfügung gestellt werden indem je eine Bipolarplatte (10) vor der Anordnung in dem Brennstoffzellenstapel (1) in einer Druckpresse (51) zwischen zwei Druckplatten (52, 53) während einer Verkleinerung des Abstandes zwischen den zwei Druckplatten (52, 53) mit einer Druckkraft im Wesentlichen senkrecht zu der fiktiven Ebene (37) plastisch verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Druckplatten (52, 53) an je einer Auflagefläche (54, 55) auf die Bipolarplatte (10) mit einer Druckkraft aufgelegt werden und die zwei Auflageflächen (54, 55) der zwei Druckplatten (52, 53) eben ausgebildet sind und die zwei Auflageflächen (54, 55) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, so dass nach der plastischen Verformung der Bipolarplatte (10) und nach dem Herausnehmen der Bipolarplatte (10) aus der Druckpresse (51) die Bipolarplatte (10) aufgrund der plastischen Verformung im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h₃) der Bipolarplatte (10) nach dem plastischen Verformen und nach einer elastischen Rückverformung der Bipolarplatte (10) um 1% bis 40%, insbesondere 5% bis 35%, kleiner ist als vor dem plastischen Verformen in der Druckpresse (51).
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der plastischen und vorzugsweise elastischen Verformung der Bipolarplatte (10) in der Druckpresse (51) die Höhe (h) der Bipolarplatte (10) verkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der Bipolarplatte (10) während der plastischen und vorzugsweise elastischen Verformung der Bipolarplatte (10) in der Druckpresse zwischen 3% und 40%, insbesondere zwischen 10% und 35%, verkleinert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem plastischen und elastischen Verformen der Bipolarplatte (10) von der Bipolarplatte (10) während und/oder nach einer Vergrößerung des Abstandes zwischen den zwei Druckplatten (52, 53) eine elastische Rückverformung von der Bipolarplatte (10) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der elastischen Rückverformung der Bipolarplatte (10) die Höhe (h) der Bipolarplatte (10) um 0,5% bis 10%, insbesondere 1% bis 7%, zunimmt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) in die Druckpresse (51) eingelegt wird, anschließend auf die Bipolarplatte (10) die Druckkraft aufgebracht wird indem der Abstand zwischen den zwei Druckplatten (52, 53) in einer Richtung senkrecht zu der fiktiven Ebene (37) verkleinert wird bis zu einem Anschlag (56) mit einer Anschlagabstandsdifferenz (d) zwischen den Auflageflächen (54, 55) der zwei Druckplatten (52, 53).
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Verformung der Bipolarplatte (10) in der Druckpresse (51) um wenigstens das 3- bis 20-Fache, insbesondere das 5 bis 15-Fache, größer ist als die elastische Verformung der Bipolarplatte (10) in der Druckpresse (51).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Höhendifferenz (Δhp) der Bipolarplatte (10) als der Betrag einerseits zwischen der Höhe (h₁) vor der plastischen Verformung und andererseits der Höhe (h₃) nach der plastischen Verformung und nach der elastischen Rückverformung der Bipolarplatte (10) größer ist als die elastische Höhendifferenz (Δhe) als der Betrag zwischen der Anschlagsabstandsdifferenz (d) zwischen den Auflageflächen (54, 55) der zwei Druckplatten (52, 53) und der Höhe (h₃) nach der plastischen Verformung und nach der elastischen Rückverformung der Bipolarplatte (10).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Höhendifferenz (Δhp) um wenigstens das 3- bis 20-Fache, insbesondere das 5 bis 15-Fache, größer ist als die elastische Höhendifferenz (Δhe).
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) aus wenigstens zwei Schichten (42, 43, 44) zur Verfügung gestellt wird, so dass ein Strömungsraum (48) für Oxidationsmittel, ein Strömungsraum (49) für Kühlmittel und ein Strömungsraum (50) für Brennstoff ausgebildet wird und die plastische und/oder elastische Verformung im Wesentlichen in nur einer Schicht (42, 43, 44) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische und/oder elastische Verformung der Bipolarplatte (10) im Wesentlichen nur an lokalen Bereichen, insbesondere nur einer Schicht (42, 43, 44) der Bipolarplatte (10), ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (10) eine erste und zweite Kontaktfläche (40, 41) zur Auflage auf der Gasdiffusionsschicht (9) aufweist und nach der plastischen Verformung und elastischen Rückverformung die erste und zweite ebene Kontaktfläche (40, 41) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, so dass die Bipolarplatte (10) mit im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten ersten und zweiten Kontaktflächen (40, 41) zur Verfügung gestellt und montiert wird.
Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 7, 8, 9, 10) umfassen und - die Komponenten (5, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2) Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche hergestellt sind, so dass der Werkstoff der Bipolarplatten (10) wenigstens teilweise plastisch verformt ist.