DE102021134038A1

DE102021134038A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit, Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit und elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102021134038A1
Application number: DE102021134038.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schmid
Original assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Current assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023118125A8; WO2023118125A1

Abstract

Um ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Verfahrensschritten- Bereitstellen eines Ausgangsmaterials für die Bipolarplattenlage; und- Umformen des Ausgangsmaterials derart, dass ein ein Strömungsfeld der Bipolarplattenlage berandender Randsteg gebildet wird; zu schaffen, welches auch bei großen Stückzahlen herzustellender Bipolarplattenlagen einfach und zuverlässig durchführbar ist, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren Folgendes umfasst:- Heraustrennen von Gasdurchtrittsöffnungen aus einem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials, wobei der Randstegabschnitt nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so umgeformt wird, dass aus dem Randstegabschnitt der Randsteg gebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

- Bereitstellen eines Ausgangsmaterials für die Bipolarplattenlage; und
- Umformen des Ausgangsmaterials derart, dass ein ein Strömungsfeld der Bipolarplattenlage berandender Randsteg gebildet wird.

Die elektrochemische Vorrichtung kann beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung oder ein Elektrolyseur sein.
Die elektrochemische Einheit kann beispielsweise eine Brennstoffzelleneinheit oder eine Elektrolyseeinheit sein.
Der Randsteg ist abschnittsweise mit Gasdurchtrittsöffnungen versehen, welche von einem ein Gasströmungsfeld im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung durchströmenden Gas durchströmbar sind.
Wenn es sich bei dem Strömungsfeld um ein Anodengas-Strömungsfeld handelt, so wird dem Strömungsfeld durch die Gasdurchtrittsöffnungen ein Anodengas aus einem abschnittsweise durch den Randsteg verlaufenden Verbindungskanal für Anodengas zugeführt, oder Anodengas wird durch die Gasdurchtrittsöffnungen in einen abschnittsweise durch den Randsteg verlaufenden Verbindungskanal abgeführt.
Wenn es sich bei dem Strömungsfeld um ein Kathodengas-Strömungsfeld handelt, so wird durch die Gasdurchtrittsöffnungen ein Kathodengas aus einem abschnittweise durch den Randsteg verlaufenden Verbindungskanal für Kathodengas zugeführt, oder Kathodengas wird durch die Gasdurchtrittsöffnungen in einen abschnittsweise durch den Randsteg verlaufenden Verbindungskanal für Kathodengas abgeführt.
Bei bekannten Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung wird der Randsteg durch einen Umformvorgang aus einem ebenen Ausgangsmaterial gebildet, und nach dem Umformvorgang werden die Gasdurchtrittsöffnungen durch einen Laserschneidvorgang aus einer dem Strömungsfeld zugewandten strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs herausgeschnitten. Der betreffende Abschnitt des Randstegs bildet dann eine Strömungspforte, durch welche das Anodengas oder das Kathodengas aus dem Verbindungskanal in das Strömungsfeld hinein oder aus dem Strömungsfeld in den Verbindungskanal hinein strömen kann.
Das Herstellen der Gasdurchtrittsöffnungen durch einen Laserschneidvorgang stellt einen zusätzlichen Prozessschritt dar, welcher die Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage verkompliziert und für eine kostengünstige industrielle Serienproduktion eher ungeeignet macht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welches auch bei großen Stückzahlen herzustellender Bipolarplattenlagen einfach und zuverlässig durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 erfindungsgemäß durch folgenden Verfahrensschritt gelöst:

- Heraustrennen von Gasdurchtrittsöffnungen aus einem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials, wobei der Randstegabschnitt nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so umgeformt wird, dass aus dem Randstegabschnitt der Randsteg gebildet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, die Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Ausgangsmaterial herauszutrennen, bevor der Randstegabschnitt so umgeformt wird, dass aus dem Randstegabschnitt der Randsteg gebildet wird.
Das Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Ausgangsmaterial kann daher an einem ebenen, unverformten Ausgangsmaterial erfolgen, so dass Ungenauigkeiten und Toleranzen des Umformvorgangs bei dem Heraustrennvorgang nicht berücksichtigt werden müssen und der Heraustrennvorgang somit in besonders einfacher und zuverlässiger Weise durchführbar ist.
Der bei bekannten Herstellungsverfahren für die Bipolarplattenlage erforderliche zusätzliche Prozessschritt des Laserschneidens nach der Umformung des Randstegabschnitts zu dem Randsteg kann dabei entfallen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung kann daher in einem Folgeverbundprozess in einem Folgeverbundwerkzeug durchgeführt werden.
In einer ersten Stufe des Folgeverbundprozesses und in einer ersten Station des Folgeverbundwerkzeugs werden die Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials herausgetrennt.
In einer zweiten Stufe des Folgeverbundprozesses und in einer zweiten Station des Folgeverbundwerkzeugs wird der Randstegabschnitt zu dem Randsteg umgeformt. Vorzugsweise wird in dieser zweiten Stufe des Folgeverbundprozesses auch das Strömungsfeld durch einen Umformvorgang an der Bipolarplattenlage ausgebildet.
Es ist dabei günstig, wenn der Randsteg und die Gasdurchtrittsöffnungen so gestaltet werden, dass verhindert wird, dass die vor dem Umformvorgang aus dem Ausgangsmaterial herausgetrennten Gasdurchtrittsöffnungen aufgrund der Formänderung beim Umformvorgang und/oder aufgrund der Umformarbeit zu stark aufgeweitet werden und sich gegebenenfalls in einen dem Randsteg benachbarten Kanal des Strömungsfelds und/oder in einen Kuppenbereich des Randstegs hinein erstrecken.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gasdurchtrittsöffnungen durch Ausstanzen aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials herausgetrennt werden.
Ein Ausstanzvorgang ist besonders leicht in einen Folgeverbundprozess beziehungsweise in ein Folgeverbundwerkzeug integrierbar.
Durch den Entfall eines Laserschneidvorgangs kann die Durchlaufzeit durch eine Vorrichtung zur Herstellung der Bipolarplattenlage verringert werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs gegenüber einer Hauptebene der Bipolarplattenlage, welche im montierten Zustand der Bipolarplatte senkrecht zu einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung, längs welcher die elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung aufeinander folgen, ausgerichtet ist, um einen Winkel (Flankenwinkel α) von weniger als 70°, insbesondere von weniger als 60°, besonders bevorzugt von weniger als 45°, beispielsweise von weniger als 30°, zum Beispiel von weniger als 10°, geneigt sind.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs gegenüber einer Hauptebene der Bipolarplattenlage, welche im montierten Zustand der Bipolarplatte senkrecht zu einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung, längs welcher die elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung aufeinander folgen, ausgerichtet ist, um einen Winkel (Flankenwinkel α) von mehr als 5°, besonders bevorzugt von mehr als 10°, geneigt sind.
Durch die lokale Verringerung des Flankenwinkels α der dem Strömungsfeld zugewandten strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs wird der Umformgrad bei der Herstellung des Randstegs durch den Umformvorgang aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials verringert, wodurch auch die Formänderung der vor dem Umformvorgang hergestellten Gasdurchtrittsöffnungen beim Umformvorgang nicht zu groß wird.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs im Wesentlichen eben ausgebildet sind.
Im bevorzugten Fall der Verwendung eines ebenen Ausgangsmaterials bleiben die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs bei dieser Ausgestaltung also auch nach dem Umformvorgang im Wesentlichen eben.
Bei einer anderen besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs - von der dem Verbindungskanal abgewandten Außenseite des Randstegs aus gesehen - konvex gekrümmt ausgebildet sind.
Ferner ist bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsabschnitten eine geringere Höhe (H₁; H₂; H₃) aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs, wo der Randsteg die Höhe H₀ aufweist.
Ferner ist es günstig, wenn der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass die Höhe (H₁; H₂; H₃) des Randstegs in den Öffnungsabschnitten weniger als 80 %, insbesondere weniger als 60 %, besonders bevorzugt weniger als 50 %, der Höhe (H₀) des Randstegs in den Zwischenabschnitten beträgt.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass ein Kuppenbereich des Randstegs, in welchem der Randsteg seine größte Höhe (H₀) aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung eine wellenförmige Gestalt aufweist.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass die Höhe des Randstegs in den Öffnungsabschnitten (zumindest partiell) gleich groß ist wie die Höhe (H₀) des Randstegs in den Zwischenabschnitten, ohne dass ein Kuppenbereich des Randstegs, in dem der Randsteg seine größte Höhe (H₀) aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung eine wellenförmige Gestalt aufweist.
Der Kuppenbereich des Randstegs kann im Wesentlichen eben ausgebildet sein.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gasdurchtrittsöffnungen sich nicht in den Kuppenbereich des Randstegs hinein erstrecken.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei die Bipolarplattenlage einen ein Strömungsfeld der Bipolarplattenlage berandenden Randsteg umfasst, wobei an dem Randsteg mehrere Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung der vorstehend genannten Art zu schaffen, welche in einfacher und zuverlässiger Weise auch in großen Stückzahlen herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Bipolarplattenlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 13 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Gasdurchtrittsöffnungen durch Ausstanzen aus einem Ausgangsmaterial der Bipolarplattenlage herausgetrennt sind.
Das Ausstanzen der Gasdurchtrittsöffnungen kann insbesondere in einem Folgeverbundprozess erfolgen, welcher in einem Folgeverbundwerkzeug durchgeführt wird.
Alternativ hierzu kann das Ausstanzen der Gasdurchtrittsöffnungen auch in einem Transferwerkzeug erfolgen.
Um es zu ermöglichen, dass das Ausstanzen der Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Ausgangsmaterial der Bipolarplattenlage erfolgt, bevor ein Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials zu dem Randsteg umgeformt wird, ist es günstig, wenn die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs gegenüber einer Hauptebene der Bipolarplattenlage, welche im montierten Zustand der Bipolarplattenlage senkrecht zu einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung ausgerichtet ist, um einen Winkel (Flankenwinkel α) von weniger als 60°, insbesondere von weniger als 45°, besonders bevorzugt von weniger als 30°, beispielsweise von weniger als 10°, geneigt sind.
In diesem Fall ist der Umformgrad bei der Umformung des Randstegabschnitts zu dem Randsteg nur gering, so dass die vor dem Umformvorgang aus dem Ausgangsmaterial herausgetrennten Gasdurchtrittsöffnungen nicht zu stark aufgeweitet werden.
Bei besonderen Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsabschnitten eine geringere Höhe (H₁; H₂; H₃) aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs, in welchen der Randsteg seine größte Höhe (H₀) aufweist.
Ferner kann bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Kuppenbereich des Randstegs, in welchem der Randsteg seine größte Höhe (H₀) aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung, längs welcher die elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung aufeinander folgen, eine wellenförmige Gestalt aufweist.
Weitere besondere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bipolarplattenlage sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Bipolarplattenlage erläutert worden.
Die erfindungsgemäße Bipolarplattenlage wird vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung hergestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Bipolarplattenlage eignet sich insbesondere als Bestandteil einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, welche eine erfindungsgemäße Bipolarplattenlage und eine Membran-Elektroden-Anordnung, die eine Gasdiffusionslage umfasst, umfasst.
Dabei kann vorgesehen sein, dass ein ein Strömungsfeld der Bipolarplattenlage berandender Randsteg der Bipolarplattenlage in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsabschnitten von der Gasdiffusionslage beabstandet ist und in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs in Kontakt mit der Gasdiffusionslage steht.
Durch die vorliegende Erfindung kann die Funktion der Gasdurchtrittsöffnungen an der strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs der Bipolarplattenlage und deren Herstellung in einem Folgeverbundprozess sichergestellt werden, ohne dass der Randsteg einen zusätzlichen Platzbedarf erfordert.
Bei weiterhin kompaktem Design des Randstegs kann die Gestaltung des Randstegs gegenüber bekannten Randsteg-Gestaltungen so verändert werden, dass eine Formänderung der Gasdurchtrittsöffnungen bei einem Umformvorgang, insbesondere bei einem Prägevorgang, nicht zu groß wird, so dass die Gasdurchtrittsöffnungen vor dem Umformvorgang aus dem Ausgangsmaterial herausgetrennt werden können und sich weiterhin an der strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs befinden können.
Bei besonderen Ausgestaltungen der Erfindung wird die Höhe des Randstegs an den Positionen der Gasdurchtrittsöffnungen lokal verringert. Dadurch kann an diesen Stellen der Flankenwinkel der strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs reduziert werden, was das Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Ausgangsmaterial vor dem Umformvorgang, durch welchen der Randsteg erzeugt wird, ermöglicht.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Randsteg gewellt ausgebildet, so dass durch diese Wellung des Randstegs an den Positionen der Gasdurchtrittsöffnungen der Flankenwinkel der strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs reduziert werden kann. Dabei steht der Randsteg vorzugsweise weiterhin an jeder Stelle längs seiner Längsrichtung in Kontakt zu einer benachbarten Gasdiffusionslage einer benachbarten Membran-Elektroden-Anordnung.
Durch eine Änderung der Gestalt des Randstegs, beispielsweise hinsichtlich des Verlaufs des Kuppenbereichs des Randstegs und/oder hinsichtlich der Neigung und/oder der Höhe der strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs, sind die Gasdurchtrittsöffnungen des Randstegs vorzugsweise in einem Folgeverbundprozess herstellbar.
Insbesondere können sich hierdurch stanzbare Gasdurchtrittsöffnungs-Flanken an dem Randsteg ergeben.
Durch das Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Ausgangsmaterial vor dem Umformvorgang, durch den der Randsteg gebildet wird, kann der bisher übliche Prozessschritt des Laserschneidens der Gasdurchtrittsöffnungen in der Bipolarplattenproduktion entfallen, und die Durchlaufzeit der Bipolarplattenlagen durch eine Vorrichtung zur Herstellung der Bipolarplattenlage wird verringert.
Das Design der Bipolarplattenlagen bleibt weiterhin kompakt und kann kostengünstig industrialisiert werden.
Die erfindungsgemäße Bipolarplattenlage ist vorzugsweise eine Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit, die eine Polymerelektrolytmembran (PEM) umfasst.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine ausschnittsweise schematische Draufsicht auf eine elektrochemische Einheit einer mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten umfassenden elektrochemischen Vorrichtung, im Bereich einer Anodengaszufuhr und einer Kühlmittelzufuhr;
2 einen schematischen Schnitt durch die Anodengaszufuhr der elektrochemischen Einheit aus 1, längs der Linie 2 - 2 in 1;
3 eine perspektivische Darstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, welche einen ein Strömungsfeld der Bipolarplattenlage berandenden Randsteg umfasst, wobei an dem Randsteg mehrere Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind, wobei die Gasdurchtrittsöffnungen aus einem Randstegabschnitt eines Ausgangsmaterials durch Ausstanzen herausgetrennt worden sind, bevor der Randstegabschnitt zu dem Randsteg umgeformt worden ist, und wobei der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsabschnitten eine geringere Höhe aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs;
4 eine Draufsicht von oben auf die Bipolarplattenlage aus 3;
5 einen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den 3 und 4, längs der Linie 5 - 5 in 4;
6 eine Seitenansicht des Randstegs der Bipolarplattenlage aus den 3 bis 5, mit der Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 6 in 4;
7 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage mit einem Randsteg, an dem Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind, wobei der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsabschnitten eine geringere Höhe aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs und wobei die Höhe des Randstegs in den Öffnungsabschnitten stärker abgesenkt ist als bei der in den 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage;
8 eine Draufsicht von oben auf die Bipolarplattenlage aus 7;
9 einen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den 7 und 8, längs der Linie 9 - 9 in 8;
10 eine Seitenansicht der Bipolarplattenlage aus den 7 bis 9, mit der Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 10 in 8;
11 eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage mit einem Randsteg, an dem Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind, wobei der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsabschnitten eine geringere Höhe aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs, wobei die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs - von der Außenseite des Randstegs aus gesehen - konvex gekrümmt ausgebildet sind;
12 eine Draufsicht von oben auf die Bipolarplattenlage aus 11;
13 einen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den 11 und 12, längs der Linie 13 - 13 in 12;
14 eine Seitenansicht der Bipolarplattenlage aus den 11 bis 13, mit der Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 14 in 12;
15 eine perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage mit einem Randsteg, an dem Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind, wobei ein Kuppenbereich des Randstegs, an welchem der Randsteg seine größte Höhe aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg von oben eine wellenförmige Gestalt aufweist;
16 eine Draufsicht von oben auf die Bipolarplattenlage aus 15;
17 einen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den 15 und 16, längs der Linie 17 - 17 in 16;
18 eine Seitenansicht der Bipolarplattenlage aus den 15 bis 17, mit der Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 18 in 16;
19 eine perspektivische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer Bipolarplattenlage mit einem Randsteg, an dem Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind, wobei der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsabschnitten dieselbe Höhe aufweist wie in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs, wobei die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs eben ausgebildet sind;
20 eine Draufsicht von oben auf die Bipolarplattenlage aus 19;
21 einen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den 19 und 20, längs der Linie 21 - 21 in 20;
22 eine Seitenansicht der Bipolarplattenlage aus den 19 bis 21, mit der Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 22 in 20;
23 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den 19 bis 22, deren Randsteg mit einem porösen Element, beispielsweise mit einer Gasdiffusionslage, in Kontakt steht;
24 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den 19 bis 22, deren Randsteg mit einer dünnen Folie, beispielsweise mit einer katalysatorbeschichteten Membran („Catalyst Coated Membrane“; CCM) oder mit einer Bipolarplatte, in Kontakt steht;
25 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine erste Variante der Bipolarplattenlage aus den 19 bis 22, bei welcher ein Kuppenbereich des Randstegs mit einer Beschichtung aus einem Elastomermaterial versehen ist; und
26 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine zweite Variante der Bipolarplattenlage aus den 19 bis 22, bei welcher ein Kuppenbereich des Randstegs nur partiell mit einer Beschichtung aus einem Elastomermaterial versehen ist.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den 1 und 2 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung, beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel oder ein Elektrolyseur, umfasst einen Stapel, der mehrere in einer Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten 106, beispielsweise Brennstoffzelleneinheiten oder Elektrolyseeinheiten, und eine (nicht dargestellte) Spannvorrichtung zum Beaufschlagen der elektrochemischen Einheiten mit einer längs der Stapelrichtung 104 gerichteten Spannkraft umfasst.
Wie am besten aus 2 zu ersehen ist, umfasst jede elektrochemische Einheit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeweils eine Bipolarplatte 108 und eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 110.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 110 umfasst beispielsweise eine katalysatorbeschichtete Membran („Catalyst Coated Membrane“; CCM) und zwei Gasdiffusionslagen 112 und 114, wobei eine erste Gasdiffusionslage 112 anodenseitig und eine zweite Gasdiffusionslage 114 kathodenseitig angeordnet ist.
Die Bipolarplatte 108 ist beispielsweise aus einem metallischen Material gebildet.
Die Bipolarplatte 108 weist mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 116 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuzuführendes fluides Medium (im Falle eines Brennstoffzellenstapels beispielsweise ein Anodengas, ein Kathodengas oder ein Kühlmittel) durch die Bipolarplatte 108 hindurchtreten kann.
Die Medium-Durchtrittsöffnungen 116 der im Stapel aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 108 und die in der Stapelrichtung 104 zwischen den Medium-Durchtrittsöffnungen 116 liegenden Zwischenräume bilden zusammen jeweils einen Mediumkanal 118.
Jedem Mediumkanal 118, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils mindestens ein anderer Mediumkanal zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 100 abführbar ist.
Durch ein dazwischenliegendes Strömungsfeld 120, welches vorzugsweise an einer Oberfläche einer benachbarten Bipolarplatte 108 oder (beispielsweise im Falle eines Kühlmittel-Strömungsfeldes) im Zwischenraum zwischen den Lagen einer mehrlagigen Bipolarplatte 108 ausgebildet ist, kann das Medium aus dem ersten Mediumkanal 118 quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu der Stapelrichtung 104 zu dem zweiten Mediumkanal strömen.
In 1 ist beispielsweise ein Mediumkanal 122 für ein Kühlmittel der elektrochemischen Vorrichtung 100 und ein Mediumkanal 124 für ein Anodengas der elektrochemischen Vorrichtung 100 dargestellt.
Durch jeweils einen Verbindungskanal 126 steht jeder Mediumkanal 118 in Fluidverbindung mit dem jeweils zugeordneten Strömungsfeld 120.
Jede Bipolarplatte 108 umfasst bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform eine erste Bipolarplattenlage 132 und eine zweite Bipolarplattenlage 134, die längs Verbindungslinien 130, welche in 1 in gebrochenen Linien dargestellt sind, vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Verschweißen, beispielsweise durch Laserschweißung, fluiddicht aneinander festgelegt sind.
Wie aus 1 zu ersehen ist, steht der Mediumkanal 122 für Kühlmittel über einen Verbindungskanal 136 für Kühlmittel, der durch einen Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 der Bipolarplatte 108 ausgebildet ist, in Fluidverbindung mit einem Strömungsfeld für das Kühlmittel, welches im Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 der Bipolarplatte 108 ausgebildet ist.
Wie aus 2 zu ersehen ist, steht der Mediumkanal 124 für Anodengas über einen Verbindungskanal 142 für Anodengas in Fluidverbindung mit einem Strömungsfeld 144 für das Anodengas, welches zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 der Bipolarplatte 108 und der ersten Gasdiffusionslage 112 ausgebildet ist.
Der Verbindungskanal 142 umfasst eine Verbindungskammer 146, die durch einen Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 der Bipolarplatte 108 gebildet ist und über dem Mediumkanal 124 für Anodengas zugewandte Eintrittsöffnungen 148 in Fluidverbindung mit dem Mediumkanal 124 und über dem Strömungsfeld 144 für das Anodengas zugewandte Gasdurchtrittsöffnungen 150 in Fluidverbindung mit dem Strömungsfeld 144 steht.
Um die Strömung der Medien durch die jeweils zugeordneten Strömungsfelder zu führen, sind die erste Bipolarplattenlage 132 und die zweite Bipolarplattenlage 134 der Bipolarplatte 108 im Bereich der Strömungsfelder 120 mit Strömungsleitelementen 152 versehen, welche beispielsweise in Form erhabener Sicken ausgebildet sein können.
Die erste Bipolarplattenlage 132 und die zweite Bipolarplattenlage 134 liegen in einer gemeinsamen Hauptebene 154 aneinander an.
Die Hauptebene 154 ist senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichtet und verläuft durch die Kontaktflächen 156, an denen die beiden Bipolarplattenlagen 132 und 134 der Bipolarplatte 108 aneinander anliegen.
Die Hauptebene 154 bildet somit vorzugsweise eine Zentralebene der mehrteiligen Bipolarplatte 108.
Ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus den Mediumkanälen 118 und den Strömungsfeldern 120 der elektrochemischen Vorrichtung 100 wird durch eine Dichtungsanordnung 158 vermieden, deren Dichtlinien 160 in der Draufsicht von 1 durch strichpunktierte Linien dargestellt sind.
Die Dichtungsanordnung 158 umfasst einen Strömungsfeld-Abschnitt 162 mit der äußeren Dichtlinie 160a und der inneren Dichtlinie 160b, welche zwischen den Strömungsfeldern 120 einerseits und den Mediumkanälen 118 andererseits verlaufen und die Verbindungskanäle 126 queren, durch welche die Strömungsfelder 120 und die jeweils zugeordneten Mediumkanäle 118 in Fluidverbindung miteinander stehen.
Ferner umfasst die Dichtungsanordnung 158 Mediumkanal-Abschnitte 164 mit Dichtlinien 160c, welche jeweils einen der Mediumkanäle 118 zumindest abschnittsweise umgeben und den betreffenden Mediumkanal 118 von einem äußeren Rand 166 der Bipolarplatte 108 trennen.
Die Mediumkanal-Abschnitte 164 der Dichtungsanordnung 158 umfassen jeweils ein Dichtelement 168, welches zwischen einer ersten Bipolarplattenlage 132 einer Bipolarplatte 108 und einer zweiten Bipolarplattenlage 134 einer in der Stapelrichtung 104 benachbarten Bipolarplatte 108' angeordnet ist und sich im Wesentlichen parallel zu einem Rand 170 einer Medium-Durchtrittsöffnung 116 des betreffenden Mediumkanals 118 erstreckt.
Der Strömungsfeld-Abschnitt 162 der Dichtungsanordnung 158 umfasst vorzugsweise zwei Dichtelemente 172a und 172b, welche ebenfalls zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 der Bipolarplatte 108 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 der benachbarten Bipolarplatte 108' angeordnet sind.
Dabei ist das erste Dichtelement 172a vorzugsweise an der (beispielsweise anodenseitigen) ersten Gasdiffusionslage 112 festgelegt und das zweite Dichtelement 172b vorzugsweise an der (beispielsweise kathodenseitigen) zweiten Gasdiffusionslage 114 der Membran-Elektroden-Anordnung 110 festgelegt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Dichtelemente 172a und 172b an die jeweils zugeordnete Gasdiffusionslage 112 beziehungsweise 114 angespritzt oder angegossen sind.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das erste Dichtelement 172a beispielsweise im Bereich der äußeren Dichtlinie 160a sowohl an der ersten Lage 132 der Bipolarplatte 108 als auch an der zweiten Lage 134 der benachbarten Bipolarplatte 108' und im Bereich der inneren Dichtlinie 160b an der ersten Lage 132 der Bipolarplatte 108 und an dem zweiten Dichtelement 172b anliegt, während das zweite Dichtelement 172b im Bereich der inneren Dichtlinie 160b an der zweiten Lage der Bipolarplatte 108' und an dem ersten Dichtelement 172a anliegt.
Die Dichtelemente 168 der Mediumkanal-Abschnitte 164 der Dichtungsanordnung 158 können einstückig mit dem ersten Dichtelement 172a des Strömungsfeld-Abschnitts 162 der Dichtungsanordnung 158 ausgebildet sein.
Die Dichtungsanordnung 158 kann somit zweiteilig ausgebildet sein, wobei ein erster Teil 192 der Dichtungsanordnung 158 das erste Dichtelement 172a des Strömungsfeld-Abschnitts 162 und die Dichtelemente 168 der Mediumkanal-Abschnitte 164 umfasst und vorzugsweise von der ersten Gasdiffusionslage 112 getragen ist und wobei ein zweiter Teil 194 der Dichtungsanordnung 158 das zweite Dichtelement 172b des Strömungsfeld-Abschnitts 162 umfasst und vorzugsweise von der zweiten Gasdiffusionslage 114 getragen ist.
Wie aus 2 zu ersehen ist, umfassen die erste Bipolarplattenlage 132 und die zweite Bipolarplattenlage 134 im Bereich des Verbindungskanals 126 jeweils Stützstellen 174, welche mit Kontaktflächen 176 aneinander anliegen, um sich gegenseitig abzustützen und die obere Begrenzungswand und die untere Begrenzungswand des Verbindungskanals 126 auf Abstand voneinander zu halten.
Das den Verbindungskanal 126 durchströmende Gas strömt seitlich an den Stützstellen 174 vorbei zu den Gasdurchtrittsöffnungen 150.
Die Gasdurchtrittsöffnungen 150 sind an einem Randsteg 178 der ersten Bipolarplattenlage 132 ausgebildet, welcher das Strömungsfeld 120 der ersten Bipolarplattenlage 132 berandet.
Der Randsteg 178 umfasst eine dem Strömungsfeld 120 zugewandte strömungsfeldseitige Flanke 180, eine dem Mediumkanal 118 zugewandte mediumkanalseitige Flanke 182 und einen die mediumkanalseitige Flanke 182 und die strömungsfeldseitige Flanke 180 miteinander verbindenden Kuppenbereich 184.
Im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kuppenbereich 184 im Wesentlichen eben und im Wesentlichen parallel zu der Hauptebene 154 der Bipolarplatte 108 beziehungsweise der ersten Bipolarplattenlage 132 ausgerichtet.
Der Kuppenbereich 184 liegt an der ersten Gasdiffusionslage 112 der Membran-Elektroden-Anordnung 110 der jeweiligen elektrochemischen Einheit 106 an.
Die strömungsfeldseitige Flanke 180 des Randstegs 178, an welcher die Gasdurchtrittsöffnungen 150 angeordnet sind, ist unter einem Flankenwinkel α von mehr als 60°, beispielsweise von ungefähr 63°, gegenüber der Hauptebene 154 der Bipolarplatte 108 geneigt.
Im Bereich des Verbindungskanals 126 weist der Randsteg 178 überall dieselbe Höhe H₀ und auch überall - abgesehen von den Gasdurchtrittsöffnungen 150, welche in einer Längsrichtung 186 des Randstegs 178 aufeinander folgen und längs der Längsrichtung 186 voneinander beabstandet sind - denselben Querschnitt auf.
Die Längsrichtung 186 des Randstegs 178 verläuft parallel zu einer lokalen Umfangsrichtung 188 des Strömungsfelds 120.
Die in 2 dargestellte Bipolarplattenlage 132 wird aus einem ebenen Ausgangsmaterial durch einen Präge- und Stanzvorgang hergestellt.
Nach dem Prägen und Stanzen werden die Gasdurchtrittsöffnungen 150 aus der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des bereits umgeformten Randstegs 178 durch Laserschneiden herausgetrennt.
Durch die mittels Laserschneiden hergestellten Gasdurchtrittsöffnungen 150 strömt das Gas im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 aus dem Verbindungskanal 126 in das benachbarte Strömungsfeld 120 hinein.
Wenn die Gasdurchtrittsöffnungen 150 an einem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials, aus welchem später der Randsteg 178 geformt wird, erzeugt werden würden, würden die Gasdurchtrittsöffnungen 150 aufgrund der Formänderung und der Umformarbeit während des Umformvorgangs, durch welchen aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials der dreidimensionale Randsteg 178 geformt wird, zu stark geweitet und sich sowohl in den Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 als auch in den Kanalgrund 190 des dem Randsteg 178 benachbarten äußersten Kanals 196 des Strömungsfelds 120 hinein erstrecken, was unerwünscht ist.
Bei der in den 3 bis 6 dargestellten ersten alternativen Ausführungsform der Bipolarplattenlage 132 ist daher vorgesehen, dass der Randsteg 178 in Öffnungsabschnitten 198, welche mit jeweils einer der Gasdurchtrittsöffnungen 150 versehen sind, eine geringere Höhe H₁ und somit einen geringeren Abstand von der Hauptebene 154 der Bipolarplattenlage 132 aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 liegenden Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178.
Durch diese Verringerung der Höhe von dem Wert H₀ auf den Wert H₁ in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 wird erreicht, dass die strömungsfeldseitige Flanke 180 des Randstegs 178 mit der Hauptebene 154 der Bipolarplattenlage 132 einen Flankenwinkel α einschließt, welcher kleiner ist als 60°, vorzugsweise kleiner ist als 50°, und im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ungefähr 40° beträgt.
Außerdem ist der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 in der betriebsbereiten elektrochemischen Vorrichtung 100 von der Gasdiffusionslage 112 beabstandet, an welcher der Kuppenbereich 184 in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 anliegt.
Dadurch ist es möglich, dass die Gasdurchtrittsöffnungen 150 sich von der strömungsfeldseitigen Flanke 180 bis in den Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 hinein erstrecken.
Die die Gasdurchtrittsöffnungen 150 jeweils berandenden Randbereiche des Randstegs 178 sind bei dieser Ausführungsform daher zumindest abschnittsweise (nämlich in ihrem im Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 liegenden Abschnitt) - von der dem Verbindungskanal 126 abgewandten Außenseite des Randstegs 178 aus gesehen - konvex gekrümmt ausgebildet.
Durch die lokale Reduzierung der Höhe des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 und die damit verbundene Reduktion des Flankenwinkels α der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 an den Stellen, an denen die Gasdurchtrittsöffnungen 150 angeordnet sind, werden die Gasdurchtrittsöffnungen 150 bei der Umformung des Randstegabschnitts des ebenen Ausgangsmaterials zu dem dreidimensionalen Randsteg 178 nicht mehr zu stark aufgeweitet.
Es ist daher möglich, aufgrund dieser Designänderung des Randstegs 178 die Gasdurchtrittsöffnungen 150 in dem Ausgangsmaterial herzustellen und nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen 150 aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials diesen Randstegabschnitt so umzuformen, dass aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials der Randsteg 178 gebildet wird.
Dabei können die Gasdurchtrittsöffnungen 150 beispielsweise durch Ausstanzen aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials herausgetrennt werden.
Dadurch, dass die Gasdurchtrittsöffnungen 150 durch einen Ausstanzvorgang vor dem Umformen des Ausgangsmaterials zu der Bipolarplattenlage 132 erzeugt werden, ist es möglich, die Bipolarplattenlage 132 in einem Folgeverbundprozess in einem Folgeverbundwerkzeug herzustellen.
Dabei werden in einer ersten Stufe des Folgeverbundwerkzeugs die Gasdurchtrittsöffnungen 150 durch Ausstanzen aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials herausgetrennt, und in einer zweiten Stufe des Folgeverbundwerkzeugs werden das Strömungsfeld 120 und der Randsteg 178 durch Umformen, beispielsweise durch einen Prägevorgang, erzeugt.
Dadurch entfällt der aufwändige Prozessschritt des Laserschneidens in der Produktion der Bipolarplattenlage 132, und die Durchlaufzeit der Bipolarplattenlage 132 durch den Produktionsprozess wird verringert.
Dabei bleibt das Design der Bipolarplattenlage 132 weiterhin kompakt und kann in einer kostengünstigen industriellen Serienproduktion hergestellt werden.
Eine in den 7 bis 10 dargestellte zweite Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 unterscheidet sich von der in den 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Randsteg 178 keine mediumkanalseitige Flanke 182 aufweist.
Vielmehr geht bei dieser Ausführungsform, wie am besten aus 9 zu ersehen ist, die strömungsfeldseitige Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 unmittelbar in einen ebenen Bereich 202 der Bipolarplattenlage 132 über, welcher eine Begrenzungswand des Verbindungskanals 126 bildet und von welchem aus die Stützstellen 174 sich in den Innenraum des Verbindungskanals 126 und zu der zweiten Bipolarplattenlage 134 hin erstrecken.
Die Gasdurchtrittsöffnungen 150 des Randstegs 178 sind bei dieser Ausführungsform vollständig in der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 im Bereich der Öffnungsabschnitte 198 ausgebildet, wo die strömungsfeldseitige Flanke 182 im Wesentlichen eben ist.
Wie am besten aus 9 zu ersehen, ist der Flankenwinkel α der strömungsfeldseitigen Flanke 180 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 bei dieser Ausführungsform besonders klein, vorzugsweise kleiner als 10°, beispielsweise 9°.
Aufgrund dieses kleinen Flankenwinkels α ist die Höhe H₂ des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 bei dieser zweiten Ausführungsform besonders klein im Verhältnis zu der Höhe H₀ des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200.
Folglich ist auch der Umformungsgrad des Ausgangsmaterials, welchem der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials in den Öffnungsabschnitten 198 unterworfen werden muss, um den Randsteg 178 der zweiten Ausführungsform aus dem Randstegabschnitt des ebenen Ausgangsmaterials durch einen Umformvorgang, insbesondere durch einen Prägevorgang, zu bilden, besonders klein.
Die durch Ausstanzen aus dem Randstegabschnitt des ebenen Ausgangsmaterials hergestellten Gasdurchtrittsöffnungen 150 verformen sich daher während der Bildung des Randstegs 178 aus dem Randstegabschnitt durch einen Umformvorgang nur wenig, so dass ein Einreißen der Ränder der Gasdurchtrittsöffnungen 150 weitgehend vermieden werden kann und die endgültige Gestalt der Gasdurchtrittsöffnungen 150 im fertig umgeformten Randsteg 178 besonders gut kontrollierbar ist.
Im Übrigen stimmt die in den 7 bis 10 dargestellte zweite Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den 11 bis 13 dargestellte dritte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 unterscheidet sich von der in den 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Flankenwinkel α der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 kleiner ist als bei der ersten Ausführungsform.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Flankenwinkel α der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 kleiner als 30° ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Flankenwinkel α der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 größer ist als 20°.
Beispielsweise kann der Flankenwinkel α der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 ungefähr 24° betragen.
Wie am besten aus dem Querschnitt der 13 zu ersehen ist, sind die Gasdurchtrittsöffnungen 150 bei dieser Ausführungsform vollständig in der strömungsfeldseitigen Flanke 180 der Öffnungsabschnitte 198 des Randstegs 178 ausgebildet.
Ferner ist die strömungsfeldseitige Flanke 180 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 vorzugsweise im Wesentlichen eben ausgebildet.
Die die Gasdurchtrittsöffnungen 150 berandenden Randbereiche des Randstegs 178 sind bei dieser Ausführungsform daher im Wesentlichen eben ausgebildet.
Ferner ist der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 bei dieser Ausführungsform nicht eben und im Wesentlichen parallel zu der Hauptebene 154 der Bipolarplattenlage 132 ausgebildet, sondern - von der im betriebsbereiten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 dem Verbindungskanal 126 abgewandten Außenseite des Randstegs 178 aus gesehen - konvex gekrümmt ausgebildet.
Die Höhe H₃ des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 ist bei dieser dritten Ausführungsform vorzugsweise größer als die Höhe H₂ des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 bei der in den 7 bis 10 dargestellten zweiten Ausführungsform und vorzugsweise kleiner als die Höhe H₁ des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 bei der in den 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform, jeweils bezogen auf die Höhe H₀ des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200 des jeweiligen Randstegs 178.
Im Übrigen stimmt die in den 11 bis 14 dargestellte dritte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den 15 bis 18 dargestellte vierte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 unterscheidet sich von der in den 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178, an welchem der Randsteg 178 seine größte Höhe H₀ aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg 178 längs der Stapelrichtung 104 eine wellenförmige Gestalt aufweist.
Insbesondere sind die Kuppenbereichsabschnitte 204 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 gegenüber den Kuppenbereichsabschnitten 206 in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 in einer senkrecht zu der Stapelrichtung 104 und senkrecht zu der Längsrichtung 186 des Randstegs 178 ausgerichteten Querrichtung 208 von dem Strömungsfeld 120 weg in Richtung zu dem Mediumkanal 118 hin versetzt.
Wie am besten aus 18 zu ersehen ist, ist die Höhe H₄ des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 bei dieser dritten Ausführungsform gleich groß wie die Höhe H₀ des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200.
Dennoch ist der Flankenwinkel α der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 gegenüber der in 2 dargestellten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 reduziert, weil durch den Versatz der Kuppenbereichsabschnitte 204 in den Öffnungsabschnitten 198 von dem Strömungsfeld 120 weg die Länge der strömungsfeldseitigen Flanke 180 längs der Querrichtung 208, über welche diese Höhe H₄ = H₀ des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 erreicht wird, größer ist, wodurch der Flankenwinkel α verringert wird, ohne dass die Breite des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200 ebenfalls vergrößert werden muss.
Wie am besten aus 17 zu ersehen ist, sind bei der vierten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 die Gasdurchtrittsöffnungen 150 vollständig in den strömungsfeldseitigen Flanken 180 der Öffnungsabschnitte 198 ausgebildet.
Ferner sind die strömungsfeldseitigen Flanken 180 der Öffnungsabschnitte 198 bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen eben ausgebildet.
Bei dieser vierten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 sind somit die die Gasdurchtrittsöffnungen 150 berandenden Randbereiche des Randstegs 178 im Wesentlichen eben ausgebildet.
Im Übrigen stimmt die in den 15 bis 18 dargestellte vierte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 für eine Bipolarplatte 108 einer elektrochemischen Einheit 106 einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den 19 bis 22 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 unterscheidet sich von der in den 11 bis 14 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass der Flankenwinkel α der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 größer ist als bei der dritten Ausführungsform.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Flankenwinkel α der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 größer als 30°, vorzugsweise größer als 35°, ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Flankenwinkel α der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 kleiner ist als 45°, besonders bevorzugt kleiner als 40°.
Beispielsweise kann der Flankenwinkel α der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 ungefähr 37° betragen.
Wie am besten aus dem Querschnitt der 21 zu ersehen ist, sind die Gasdurchtrittsöffnungen 150 bei dieser Ausführungsform vollständig in der strömungsfeldseitigen Flanke 180 der Öffnungsabschnitte 198 des Randstegs 178 ausgebildet.
Ferner ist die strömungsfeldseitige Flanke 180 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 vorzugsweise im Wesentlichen eben ausgebildet.
Die die Gasdurchtrittsöffnungen 150 berandenden Randbereiche des Randstegs 178 sind bei dieser Ausführungsform daher im Wesentlichen eben ausgebildet.
Ferner ist der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 bei dieser Ausführungsform nicht eben und im Wesentlichen parallel zu der Hauptebene 154 der Bipolarplattenlage 132 ausgebildet, sondern - von der im betriebsbereiten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 dem Verbindungskanal 126 abgewandten Außenseite des Randstegs 178 aus gesehen - konvex gekrümmt ausgebildet.
Die Höhe H₀ des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 ist bei dieser fünften Ausführungsform vorzugsweise gleich groß wie die Höhe H₀ des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178.
In den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 ist der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 im Wesentlichen eben und im Wesentlichen parallel zu der Hauptebene 154 der Bipolarplattenlage 132 ausgebildet.
Im Übrigen stimmt die in den 19 bis 22 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 11 bis 14 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
In 23 ist dargestellt, wie der Randsteg 178 der Bipolarplattenlage 132 gemäß der vorstehend beschriebenen fünften Ausführungsform im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 in Kontakt mit einem porösen Element 212 steht.
Dabei liegt das poröse Element 212 in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 flächig an dem dort eben ausgebildeten Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 an, während das poröse Element 212 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 linienförmig an dem dort konvex gekrümmten Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 anliegt.
Das poröse Element 212 kann beispielsweise als eine Gasdiffusionslage 214 ausgebildet sein.
In 24 ist dargestellt, wie statt des porösen Elements 212 eine dünne Folie 218 an dem Randsteg 178 der Bipolarplattenlage 132 gemäß der vorstehend beschriebenen fünften Ausführungsform in Kontakt steht.
Dabei liegt die dünne Folie 218 in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 flächig an dem dort eben ausgebildeten Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 an, während die dünne Folie 218 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 linienförmig an dem dort konvex gekrümmten Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 anliegt.
Die dünne Folie 218 kann beispielsweise als eine Membran 216, beispielsweise als eine katalysatorbeschichtete Membran („Catalyst Coated Membrane“; CCM) oder als eine weitere Bipolarplattenlage 132' ausgebildet sein.
25 zeigt eine erste Variante der in den 19 bis 22 dargestellten fünften Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132, bei welcher die Bipolarplattenlage 132 im Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 mit einer Beschichtung 210, welche vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet ist, versehen ist.
Die Beschichtung 210 erstreckt sich dabei vorzugsweise - zumindest in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 - über die gesamte Breite des Kuppenbereichs 184, das heißt über dessen gesamte Ausdehnung längs der Querrichtung 208, hinweg.
Der konvex gekrümmte Kuppenbereich 184 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 kann ebenfalls mit einer Beschichtung 210, vorzugsweise aus einem Elastomermaterial, versehen sein. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Kuppenbereich 184 in den Öffnungsabschnitten 198 unbeschichtet bleibt.
Eine in 26 dargestellte zweite Variante der in den 19 bis 22 dargestellten fünften Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 unterscheidet sich von der in 25 dargestellten ersten Variante dadurch, dass die Beschichtung 210, mit welcher der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200 versehen ist, sich nicht über die gesamte Breite, das heißt die Ausdehnung längs der Querrichtung 208, des Kuppenbereichs 184 hinweg erstreckt, sondern nur über einen schmaleren Teil des Kuppenbereichs 184, vorzugsweise über einen mittig an dem Randsteg 178 angeordneten zentralen Abschnitt des Kuppenbereichs 184.
Auch bei dieser Variante kann der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 ebenfalls mit einer Beschichtung 210, vorzugsweise aus einem Elastomermaterial, versehen sein oder unbeschichtet bleiben.
Im Übrigen stimmen die in den 25 und 26 dargestellten ersten und zweiten Varianten der in den 19 bis 22 dargestellten fünften Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 19 bis 22 dargestellten fünften Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage (132) für eine Bipolarplatte (108) einer elektrochemischen Einheit (106) einer elektrochemischen Vorrichtung (100), umfassend Folgendes: - Bereitstellen eines Ausgangsmaterials für die Bipolarplattenlage (132); und - Umformen des Ausgangsmaterials derart, dass ein ein Strömungsfeld (144) der Bipolarplattenlage (132) berandender Randsteg (178) gebildet wird; gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt: - Heraustrennen von Gasdurchtrittsöffnungen (150) aus einem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials, wobei der Randstegabschnitt nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen (150) so umgeformt wird, dass aus dem Randstegabschnitt der Randsteg (178) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdurchtrittsöffnungen (150) durch Ausstanzen aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials herausgetrennt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen (150) so verformt wird, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen (150) berandenden Randbereiche des Randstegs (178) gegenüber einer Hauptebene (154) der Bipolarplattenlage (132), welche im montierten Zustand der Bipolarplatte (108) senkrecht zu einer Stapelrichtung (104) der elektrochemischen Vorrichtung (100) ausgerichtet ist, um einen Winkel (α) von weniger als 70° geneigt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen (150) so verformt wird, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen (150) berandenden Randbereiche des Randstegs (178) im Wesentlichen eben ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen (150) so verformt wird, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen (150) berandenden Randbereiche des Randstegs (178) zumindest abschnittsweise - von der Außenseite des Randstegs (178) aus gesehen - konvex gekrümmt ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen (150) so verformt wird, dass der Randsteg (178) in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung (150) versehenen Öffnungsabschnitten (198) dieselbe Höhe (H₀) aufweist wie in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten (198) liegenden Zwischenabschnitten (200) des Randstegs (178).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen (150) so verformt wird, dass der Randsteg (178) in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung (150) versehenen Öffnungsabschnitten (198) eine geringere Höhe (H₁; H₂; H₃) aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten (198) liegenden Zwischenabschnitten (200) des Randstegs (178).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen (150) so verformt wird, dass die Höhe (H₁; H₂; H₃) des Randstegs (178) in den Öffnungsabschnitten (198) weniger als 80 % der Höhe (H₀) des Randstegs (178) in den Zwischenabschnitten (200) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen (150) so verformt wird, dass ein Kuppenbereich (184) des Randstegs (178), an welchem der Randsteg (178) seine größte Höhe (H₀) aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg (178) eine wellenförmige Gestalt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kuppenbereich (184) des Randstegs (178) im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdurchtrittsöffnungen (150) sich nicht in den Kuppenbereich (184) des Randstegs (178) hinein erstrecken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kuppenbereich (184) des Randstegs (178) mit einer Beschichtung (210) aus einem Elastomermaterial versehen wird.
Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte (108) einer elektrochemischen Einheit (106) einer elektrochemischen Vorrichtung (100), umfassend einen ein Strömungsfeld (144) der Bipolarplattenlage (132) berandenden Randsteg (178), wobei an dem Randsteg (178) mehrere Gasdurchtrittsöffnungen (150) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdurchtrittsöffnungen (150) durch Ausstanzen aus einem Ausgangsmaterial der Bipolarplattenlage (132) herausgetrennt sind.
Bipolarplattenlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen (150) berandenden Randbereiche des Randstegs (178) gegenüber einer Hauptebene (154) der Bipolarplattenlage (132), welche im montierten Zustand der Bipolarplattenlage (132) senkrecht zu einer Stapelrichtung (104) der elektrochemischen Vorrichtung (100) ausgerichtet ist, um einen Winkel (α) von weniger als 70° geneigt sind.
Bipolarplattenlage nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Randsteg (178) in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung (150) versehenen Öffnungsabschnitten (198) dieselbe Höhe (H₀) aufweist wie in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten (198) liegenden Zwischenabschnitten (200) des Randstegs (178).
Bipolarplattenlage nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Randsteg (178) in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung (150) versehenen Öffnungsabschnitten (198) eine geringere Höhe (H₁; H₂; H₃) aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten (198) liegenden Zwischenabschnitten (200) des Randstegs (178).
Bipolarplattenlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kuppenbereich (184) des Randstegs (178), an welchem der Randsteg (178) seine größte Höhe (H₀) aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg (178) eine wellenförmige Gestalt aufweist.
Bipolarplattenlage nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kuppenbereich (184) des Randstegs (178) ganz oder teilweise mit einer Beschichtung (210) aus einem Elastomermaterial versehen ist.
Elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung (100), umfassend eine Bipolarplattenlage (132) nach einem der Ansprüche 13 bis 18 und eine Membran-Elektroden-Anordnung (110), die eine Gasdiffusionslage (112) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein Strömungsfeld der Bipolarplattenlage (132) berandender Randsteg (178) in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung (150) versehenen Öffnungsabschnitten (198) von der Gasdiffusionslage (112) beabstandet ist und in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten (198) liegenden Zwischenabschnitten (200) des Randstegs (178) in Kontakt mit der Gasdiffusionslage (112) steht.
Elektrochemische Einheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kuppenbereich (184) des Randstegs (178) im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit (106) in Kontakt mit einer Gasdiffusionslage (214), einer Membran (216), einem Dichtelement oder einer anderen Bipolarplattenlage (132') steht.