-
Die vorliegende Schrift betrifft eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System, ein Rückstellmuster für eine Bipolarplatte oder Strömungsplatte, ein System mit einem Rückstellmuster und einer Bipolarplatte oder Strömungsplatte, eine Strömungsplatte, ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte oder Strömungsplatte und ein Verfahren zum Prüfen eines Rückstellmusters einer Bipolarplatte oder Strömungsplatte. Bei dem elektrochemischen System kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor, eine Redox-Flow-Batterie, einen Befeuchter für ein elektrochemisches System oder um einen Elektrolyseur handeln.
-
Bekannte elektrochemische Systeme umfassen normalerweise einen Stapel elektrochemischer Zellen, die jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind. Solche Bipolarplatten können z. B. der indirekten elektrischen Kontaktierung der Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen (z. B. Brennstoffzellen) und/oder der elektrischen Verbindung benachbarter Zellen dienen (Serienschaltung der Zellen). Typischerweise sind die Bipolarplatten aus zwei zusammengefügten Einzelplatten gebildet, welche auch als Separatorplatten bezeichnet werden können. Die Separatorplatten der Bipolarplatte können stoffschlüssig zusammengefügt sein, z. B. durch eine oder mehrere Schweißverbindungen, insbesondere durch eine oder mehrere Laserschweißverbindungen.
-
Die Bipolarplatten bzw. die Separatorplatten können jeweils Strukturen aufweisen oder bilden, die z. B. zur Versorgung der von benachbarten Bipolarplatten begrenzten elektrochemischen Zellen mit einem oder mehreren Medien und/oder zum Abtransport von Reaktionsprodukten ausgebildet sind. Bei den Medien kann es sich um Brennstoffe (z. B. Wasserstoff oder Methanol) oder um Reaktionsgase (z. B. Luft oder Sauerstoff) handeln. Ferner können die Bipolarplatten bzw. die Separatorplatten Strukturen zum Führen eines Kühlmediums durch die Bipolarplatte aufweisen, insbesondere durch einen von den Separatorplatten der Bipolarplatte eingeschlossenen Hohlraum. Ferner können die Bipolarplatten zum Weiterleiten der bei der Umwandlung elektrischer bzw. chemischer Energie in der elektrochemischen Zelle entstehenden Abwärme sowie zum Abdichten der verschiedenen Medien- bzw. Kühlkanäle gegeneinander und/oder nach außen ausgebildet sein.
-
Ferner weisen die Bipolarplatten üblicherweise jeweils mehrere Durchgangsöffnungen auf. Durch die Durchgangsöffnungen hindurch können die Medien und/oder die Reaktionsprodukte zu den von benachbarten Bipolarplatten des Stapels begrenzten elektrochemischen Zellen oder in den von den Separatorplatten der Bipolarplatte gebildeten Hohlraum geleitet oder aus den Zellen bzw. aus dem Hohlraum abgeleitet werden. Die elektrochemischen Zellen umfassen typischerweise außerdem jeweils eine oder mehrere Membran-Elektrodeneinheiten (Membrane Electrode Assemblies bzw. MEA). Die MEA können eine oder mehrere Gasdiffusionslagen aufweisen, die üblicherweise zu den Bipolarplatten hin orientiert und z. B. als Metall- oder Kohlenstoffvlies ausgebildet sind.
-
Die Separatorplatten ebenso wie die Strömungsplatten können jeweils aus einem umgeformten Metallblech gebildet sein, z. B. aus einem geprägten oder tiefgezogenen Edelstahlblech. Dieses Metallblech hat oftmals eine Dicke von etwa 60 µm bis höchstens 150 µm. Da es sich somit um sehr filigrane, dennoch relativ große Bauteile handelt, kann das Handling von Bipolarplatten oder Separatorplatten unter Umständen schwierig sein. Zum einen können die Separator- oder Bipolarplatten bedingt durch die geringe Dicke der Separatorplatten empfindlich auf mechanische Verformungen reagieren. Außerdem sollen Verunreinigungen von noch zu beschichtenden oder bereits beschichteten Bereichen vermieden werden. Allerdings dürfen Separator- oder Bipolarplatten durch ihre vielfältige und sehr dicht mit Funktionen belegte Oberfläche meistens nur in ihrem im Wesentlichen unstrukturierten Randbereich angefasst werden. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass dies aufgrund von scharfen Kanten nicht immer möglich ist oder dass hierauf nicht immer geachtet wird. Menschen bzw. Maschinen, die mit diesen Separator- oder Bipolarplatten umgehen sollen, sind somit nicht immer in der Lage, die Separator- oder Bipolarplatten fach- und sachgerecht zu transportieren, positionieren, greifen oder anzufassen. Dadurch kommt es immer wieder entweder zu Verschmutzungen der Separator- bzw. Bipolarplatten, z.B. durch Fingerabdrücke von Menschen oder Rückstände von Saughebern, beispielsweise automatischer Greifersysteme, und/oder zu Verformungen der Separator- oder Bipolarplatten oder ungenauem Positionieren der Separator- oder Bipolarplatten.
-
Eine weitere Problematik besteht in der Qualitätssicherung der Separator-, Strömungs- oder Bipolarplatten, da auf dem fertigen Bauteil gängige Messverfahren nur bedingt anwendbar oder nur zerstörend möglich sind.
-
Es wäre zudem wünschenswert, wenn eine Rückverfolgung der fertigen Bipolarplatte oder Strömungsplatte geschaffen werden kann, beispielsweise im Falle von Reklamationen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zumindest eins oder mehrere der oben genannten Probleme zu lösen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtungen und Verfahren gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen gelöst. Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung offenbart.
-
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Bipolarplatte für ein elektrochemisches System bereitgestellt. Die Bipolarplatte umfasst zwei miteinander verbundene Separatorplatten, wobei mindestens eine der Separatorplatten einen Plattenkörper und mindestens eine einstückig mit dem Plattenkörper geformte, über eine Sollbruchstelle von dem Plattenkörper abtrennbare Lasche aufweist.
-
Die Lasche kann eine oder gleich mehrere Funktionen erfüllen. Insbesondere können durch die Lasche Transport, Rückverfolgung und/oder Prozessüberwachung der Bipolarplatte vereinfacht und/oder ermöglicht werden. Hierzu kann die Lasche insbesondere dafür ausgelegte Funktionselemente aufweisen. In der nachfolgenden Beschreibung werden verschiedene Aspekte der Lasche und/oder dieser Funktionselemente näher beschrieben.
-
Üblicherweise ist die Lasche zum Transportieren, Positionieren, Halten und/oder Greifen der Bipolarplatte oder der Separatorplatte ausgestaltet. Hierdurch kann die Separator- oder Bipolarplatte an der Lasche angefasst werden, ohne dass dabei der Plattenkörper durch Fingerabdrücke oder Rückstände eines Hebers, beispielsweise eines Saughebers, beispielsweise eines automatischen Greifersystems, verunreinigt wird oder mechanisch verformt wird. Oftmals ist die Sollbruchstelle derart ausgestaltet, dass diese unter dem Gewicht der Separator- oder Bipolarplatte nicht bricht bzw. sich nicht plastisch verformt. Ein Verformen der Lasche ist hingegen zulässig, insbesondere beim Abtrennen. Die Lasche kann eine Haltefläche aufweisen, welche für das Halten durch Menschen oder Maschinen vorgesehen ist und vorzugsweise entsprechend dimensioniert werden kann. Die Haltefläche kann zum Beispiel einen ebenen Flächenabschnitt auf der Lasche bilden. Zum Positionieren der Separator- oder Bipolarplatte kann es zweckmäßig sein, dass die Lasche eine Positionierungsöffnung zum Aufnehmen eines Zentrierstiftes aufweist. Dient die Lasche nur zum Transportieren, Positionieren, Halten und/oder Greifen einer Separatorplatte und/oder Bipolarplatte, kann das Abtrennen der Lasche zu jedem geeigneten Zeitpunkt während oder am Ende des Herstellprozesses oder auch erst während oder nach dem Einbauprozess erfolgen.
-
Die mindestens eine Lasche kann an verschiedenen geeigneten Stellen der Bipolarplatte vorgesehen werden. Oftmals erstreckt sich die Lasche oder eine Laschenebene in oder parallel zu einer durch den Plattenkörper definierten Plattenebene. Alternativ kann die Lasche zumindest abschnittsweise auch winklig zur Plattenebene ausgerichtet sein. In einer Ausführungsform ist die Lasche an einem Außenrand des Plattenkörpers angeordnet. Die Lasche kann zum Beispiel als Auskragung ausgestaltet sein, welche seitlich von dem Plattenkörper absteht. Die Bipolarplatte kann mindestens eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Fluides aufweisen. Die Lasche kann z.B. an einem Innenrand einer solchen Durchgangsöffnung angeordnet sein. Vorzugsweise nimmt die gemeinsame Kante von Lasche und Rand des Plattenkörpers nur einen Teil der Länge des betreffenden Randes des Plattenkörpers ein, beispielsweise bis zu einem Drittel oder bis zur Hälfte der Länge eines Innenrandes einer Durchgangsöffnung oder bis zu einem Zwanzigstel der Länge eines umlaufenden Außenrandes des Plattenkörpers oder bis zu einem Achtel der Länge eines Außenrandes, also einer Seitenkante, des Plattenkörpers.
-
Üblicherweise ist die Sollbruchstelle derart ausgebildet, dass ein definiertes Abtrennen der Lasche entlang der Sollbruchstelle möglich ist. Das definierte Abtrennen erlaubt es, Beschädigungen der Bipolarplatte und/oder der Lasche nach dem Abtrennen der Lasche weitgehend zu vermeiden. Es kann vorgesehen sein, dass auf mindestens einer Seite der Sollbruchstelle, vorzugsweise auf beiden Seiten der Sollbruchstelle, eine zumindest abschnittsweise entlang der Sollbruchstelle laufende Versteifungsstruktur für ein definiertes Abtrennen der Lasche entlang der Sollbruchstelle angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Lasche mindestens eine weitere Versteifungsstruktur zum Versteifen der Lasche aufweisen. Hierbei kann die jeweilige Versteifungsstruktur als Prägestruktur, Sicke oder Gruppe von Prägungen ausgestaltet sein. Die Sicke kann z.B. als Halbsicke oder Vollsicke ausgestaltet sein. Weiter können Dome oder Noppen als Prägestrukturen vorgesehen sein, welche zum Beispiel in mindestens einer Reihe angeordnet sein können.
-
Die Sollbruchstelle kann zum Beispiel mindestens eine Kerbe und/oder mindestens eine Perforierung umfassen. Es kann auch eine Vielzahl von in Reihe angeordneten, voneinander beabstandeten Kerben und/oder Perforierungen vorgesehen sein. Die Perforierung ist im Sinne dieser Schrift als durchgängige Öffnung ausgestaltet, während die Kerbe als nicht-durchgängige Materialschwächungen ausgestaltet ist. Die Sollbruchstelle ist üblicherweise als Sollbruchlinie ausgestaltet und kann sich beispielsweise in Längsrichtung bogenförmig oder geradlinig erstrecken oder aus aneinander gereihten borgenförmigen und/oder geradlinigen Abschnitten zusammengesetzt sein.
-
Optional weist die Lasche eine erste Kodierung auf, welche der jeweiligen Separatorplatte und/oder der Bipolarplatte zugeordnet ist. In diesem Fall kann die erste Kodierung der Lasche als Identifikationsmerkmal der entsprechenden Bipolarplatte verwendet werden. Oftmals weist die Separatorplatte und/oder die Bipolarplatte eine zweite Kodierung auf, welche mit der ersten Kodierung der Lasche korrespondiert. Die jeweilige Kodierung (also die erste und/oder zweite Kodierung) erlaubt somit eine Rückverfolgung der Bipolarplatte insbesondere nach der Herstellung der Bipolarplatte. In manchen Ausführungsformen weist die jeweilige Kodierung eine Beschriftung und/oder ein Muster auf. Das Muster kann wiederum als Strichcode, 2D-Code, wie Data-Matrix-Code oder QR-Code, Farbmuster, Stanzmuster und/oder Prägemuster ausgestaltet sein. Die jeweilige Kodierung kann auch einen Chip wie einen RFID-Chip umfassen. Beispielsweise lässt sich die Charge des verwendeten Plattenmaterials auf diese Weise nachvollziehen.
-
Optional kann die Lasche mindestens eine Prozessüberwachungsfläche aufweisen. Die mindestens eine Prozessüberwachungsfläche kann auf einer Seite insbesondere einer flächigen Oberfläche der Lasche, oder auf beiden Seiten der Lasche angeordnet sein. Auf die Prozessüberwachungsfläche der Lasche können Elemente ein- oder aufgebracht werden, die während und/oder nach der Herstellung der Bipolarplatte überprüft werden können und somit eine Überwachung von bestimmten Prozessparametern erlauben. Das auf die Prozessüberwachungsfläche ein- oder aufgebrachte Element ist üblicherweise in gleicher, repräsentativer oder zumindest ähnlicher Form auf dem Plattenkörper der Separatorplatte bzw. Bipolarplatte vorhanden, sodass Prüfungsergebnisse der Prozessüberwachungsfläche auf die Separatorplatte bzw. Bipolarplatte übertragbar sind, dies gilt insbesondere auch, weil Lasche und übriger Plattenkörper aus demselben Material derselben Charge bestehen. Beispielsweise kann die Lasche direkt nach der Herstellung der zugeordneten Bipolarplatte und vor dem Einbau der Bipolarplatte in ein elektrochemisches System geprüft werden. Hierdurch kann verhindert werden, dass minderwertige Bipolarplatten in das System eingebaut werden. Die Prozessüberwachungsfläche kann zum Beispiel eine Beschichtung, Oberflächenbehandlung und/oder Strukturierung aufweisen.
-
Die mindestens eine Prozessüberwachungsfläche kann zum Beispiel eine Beschichtung, vorzugsweise eine dichtende Beschichtung, eine Klebebeschichtung, eine elektrisch leitfähige Beschichtung oder eine Korrosionsschutzbeschichtung aufweisen. Die Beschichtung kann eine mittels Siebdruck aufgebrachte Beschichtung, eine mittels Rakel aufgebrachte Beschichtung, eine Sprühbeschichtung, eine mittels PVD (physical vapour deposition - physikalische Gasphasenabscheidung) aufgebrachte Beschichtung, eine mittels CVD (chemical vapour deposition - chemische Gasphasenabscheidung) aufgebrachte Beschichtung und/oder eine mittels Tampondruck aufgebrachte Beschichtung aufweisen. Weiter kann die Prozessüberwachungsfläche eine Stanzstruktur oder eine Umformstruktur, beispielsweise Prägestruktur wie eine Sicke oder eine Kanalstruktur umfassen. Die Umformstruktur ist vorzugsweise mittels Prägens, Tiefziehens oder Hydroformens in die Lasche eingebracht. Weiter kann die Prozessüberwachungsfläche eine Laserstrukturierung, welche mittels eines Lasers erzeugt wurde oder eine Schmelzstruktur, welche durch Aufschmelzen des Laschenmaterials erzeugt wurde, aufweisen. Außerdem kann die Prozessüberwachungsfläche mit einem Lösungsmittel, einem Reinigungsmittel oder einem Plasma behandelt sein.
-
Zusätzlich oder alternativ zu den expliziten Elementen, die auf die Oberfläche ein- oder aufgebracht werden, kann die Lasche auch der Überprüfung des Blechmaterials als solchem dienen. In diesem Fall kann zumindest ein Teilbereich der Prozessüberwachungsfläche zur Prüfung des Blechmaterials zumindest unbehandelt und unbeschichtet bleiben.
-
Insbesondere ist es mittels der Lasche möglich, zumindest einzelne oder auch sämtliche Bearbeitungsschritte unter identischen Bearbeitungsbedingungen auf dem identischen Plattenmaterial abzubilden.
-
Wie vorstehend beschrieben, kann lediglich eine Separatorplatte die Lasche aufweisen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass beide Separatorplatten jeweils die genannte mindestens eine Lasche aufweisen. Die Laschen können an unterschiedlichen Stellen der jeweiligen Separatorplatten angeordnet sein. Optional können die Laschen sich in einer Richtung senkrecht zu einer Plattenebene der Bipolarplatte zumindest bereichsweise oder komplett überlappen. Manchmal können die Laschen der Separatorplatten sich berühren, zum Beispiel in einem Kontaktbereich. Zur Prüfung der Qualität der Verbindung der beiden Separatorplatten können die abtrennbaren überlappenden Laschen ebenfalls miteinander verbunden sein. Nach Abtrennen der Laschen kann dann die Verbindung der Laschen Informationen und Rückschlüsse über die Verbindung der beiden Separatorplatten geben. In einer möglichen Ausgestaltung sind die Laschen mittels einer stoffschlüssigen Verbindung miteinander verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung kann insbesondere in den dafür vorgesehenen Prozessüberwachungsflächen vorgesehen werden. Mögliche stoffschlüssige Verbindungen schließen Schweißverbindungen, Lötverbindungen und/oder Klebeverbindungen ein.
-
Die Separatorplatten oder Strömungsplatten sind vorzugsweise jeweils aus einem Metallblech gefertigt, wobei für das Metallblech Metalle wie Edelstahl und/oder Titan in Frage kommen. Die Lasche und der Plattenkörper der mindestens einen Separatorplatte sind aus dem gleichen Grundmaterial gefertigt. Eine Oberflächenstruktur der Lasche kann sich allerdings lokal von einer Oberflächenstruktur des Plattenkörpers unterscheiden, vgl. obige Ausführungen zur Prozessüberwachungsfläche.
-
Während eine am Außenrand der Separator- oder Bipolarplatte ausgebildete Lasche theoretisch auch während des Betriebs eines Brennstoffzellsystems noch an dem Außenrand verbleiben kann, muss eine am Innenrand einer Durchgangsöffnung der Separator- oder Bipolarplatte ausgebildete Lasche spätestens unmittelbar vor Inbetriebnahme des Brennstoffzellsystems abgetrennt werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Rückstellmuster einer Bipolarplatte für ein elektrochemisches System bereitgestellt. Das Rückstellmuster umfasst eine über eine Sollbruchstelle von der Bipolarplatte abgetrennte Lasche mit einer ersten Bruchkante. Mit anderen Worten verlief die Sollbruchstelle entlang der ersten Bruchkante. Die Lasche weist eine Prozessüberwachungsfläche und/oder eine erste Kodierung auf, welche der Bipolarplatte und/oder einer Separatorplatte der Bipolarplatte zugeordnet ist. Die Bipolarplatte kann insbesondere der zuvor genannten Bipolarplatte entsprechen, wobei die Lasche von der Bipolarplatte abgetrennt ist und als Rückstellmuster verwendet wird. Das Rückstellmuster erlaubt eine Rückverfolgung der Bipolarplatte nach ihrer Herstellung. Insbesondere erlaubt das Rückstellmuster stellvertretende repräsentative Untersuchungen von Elementen der Bipolarplatte beim Hersteller, wenn die fertigen Bipolarplatten bereits an den Kunden ausgeliefert oder beim Kunden verbaut sind. Eine Rücksendung der Bipolarplatten an den Hersteller ist somit nicht notwendig.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein System bereitgestellt, welches das zuvor genannte Rückstellmuster sowie die zugehörige Bipolarplatte für ein elektrochemisches System umfasst. Die Bipolarplatte weist zwei miteinander verbundene Separatorplatten auf, wobei die Bipolarplatte eine zweite Bruchkante aufweist, welche eine zur ersten Bruchkante komplementäre Form aufweist. Die erste Bruchkante und/oder zweite Bruchkante können jeweils eine für die verwendete Art des Abtrennens (Laser, Stromstoß, Schneiden usw.) charakteristische Kantengeometrie aufweisen.
-
Das zuvor gesagte gilt nicht nur für die Mehrzahl gleichartig ausgeführter Bipolarplatten, wie sie in einem Brennstoffzellenstapel zum Einsatz kommen, sondern auch für die einzelnen Strömungsplatten des jeweils letzten Paars von Separatorplatten im Stapel, d.h. für sogenannte Unipolarplatten. Mindestens eine der Strömungsplatten dieses Paars von Separatorplatten kann gegenüber den vorgenannten Separatorplatten einige abweichende Eigenschaften aufweisen, kann aber genauso mindestens eine Lasche für die diversen vorgenannten Zwecke aufweisen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Strömungsplatte für ein elektrochemisches System vorgeschlagen, wobei die Strömungsplatte einen Plattenkörper und mindestens eine einstückig mit dem Plattenkörper geformte, über eine Sollbruchstelle von dem Plattenkörper abtrennbare Lasche aufweist.
-
Während die oben beschriebene Bipolarplatte zwei miteinander verbundene Separatorplatten aufweist, müssen bei der hier genannten Strömungsplatte nicht notwendigerweise zwei miteinander verbundene Platten vorgesehen sein. Insbesondere kann die Strömungsplatte als einlagige Platte, insbesondere einlagige Separatorplatte, ausgestaltet sein. Oben beschriebene Merkmale der Sollbruchstelle, Lasche und/oder des Rückstellmusters, welche im Zusammenhang mit der Bipolarplatte bzw. den Separatorplatten offenbart sind, können auch mit der Strömungsplatte kombiniert werden, soweit sie mit einer Anwendung in einer einlagigen Einzelplatte kompatibel sind. Das oben genannte Rückstellmuster und das oben genannte System können auch mit der Strömungsplatte verwendet und beansprucht werden. Die Strömungsplatte kann z.B. als Unipolarplatte, Bipolarplatte, Befeuchterplatte und/oder Separatorplatte ausgestaltet sein. Die Strömungsplatte kann zum Beispiel aus einem Metall oder einem Kunststoff gefertigt sein.
-
Ferner wird ein elektrochemisches System vorgeschlagen, welches eine Vielzahl von gestapelten Bipolarplatten und/oder Strömungsplatten der zuvor beschriebenen Art aufweist. Bei dem elektrochemischen System kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor, eine Redox-Flow-Batterie, einen Befeuchter für ein anderes elektrochemisches System oder um einen Elektrolyseur handeln.
-
Außerdem wird ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen einer Platte,
- - Ausbilden einer ersten Separatorplatte mit einem Plattenkörper und mindestens einer einstückig mit dem Plattenkörper geformten Lasche,
- - Einbringen einer Materialschwächung in die erste Separatorplatte zum Ausbilden einer Sollbruchstelle, über die die Lasche von dem Plattenkörper abtrennbar ist,
- - Bereitstellen einer zweiten Separatorplatte,
- - Ausbilden der Bipolarplatte durch Verbinden der ersten Separatorplatte mit der zweiten Separatorplatte.
-
Anschließend kann das Verfahren den zusätzlichen Schritt umfassen:
- - Abtrennen der Lasche von der ersten Separatorplatte entlang der Sollbruchstelle.
-
Durch das Abtrennen der Lasche kann das oben genannte Rückstellmuster erlangt werden. Das Abtrennen der Lasche kann durch einen Energieeintrag wie Hitzeeintrag erfolgen, insbesondere mittels Laserstrahlung, eines Stromstoßes oder Induktion. Hierfür kann eine entsprechende Energiequelle genutzt werden, also insbesondere ein Laser, eine Stromquelle oder eine Induktionsquelle. Ein Vorteil der genannten Vorgehensweise ist, dass scharfe Kanten und Grate, welche typischerweise beim mechanischem Abtrennen entstehen, vermieden werden können. Alternativ kann die Lasche mechanisch oder chemisch abgetrennt werden. Die Lasche wird in der Regel erst nach dem Verbinden der beiden Separatorplatten von der jeweiligen Separatorplatte abgetrennt.
-
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen einer Strömungsplatte für ein elektrochemisches System bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen einer Platte,
- - Ausbilden einer Strömungsplatte mit einem Plattenkörper und mindestens einer einstückig mit dem Plattenkörper geformten Lasche,
- - Einbringen einer Materialschwächung in die Strömungsplatte zum Ausbilden einer Sollbruchstelle, über die die Lasche von dem Plattenkörper abtrennbar ist.
-
Anschließend kann die Lasche von der Strömungsplatte entlang der Sollbruchstelle abgetrennt werden, insbesondere gemäß der zuvor beschriebenen Weise.
-
Oftmals wird ein Strömungsfeld in die Strömungsplatte eingeformt, z.B. durch Prägen, Hydroformen und/oder Tiefziehen. Das Strömungsfeld umfasst in der Regel eine Vielzahl von Kanälen und/oder Stegen, welche ausgebildet sind, ein Fluid entlang der Strömungsplatte zu führen. Typischerweise wird die Lasche erst nach dem Ausbilden des Strömungsfeldes von der Strömungsplatte abgetrennt.
-
Das Abtrennen kann insbesondere dann erfolgen, wenn sämtliche Herstellschritte bei der Herstellung der Strömungsplatte, Separatorplatte und/oder Bipolarplatte bereits durchlaufen wurden. Ebenso ist es aber möglich, dass der Abtrennschritt nach Abschluss eines Teils der Herstellschritte erfolgt. Während es zwar prinzipiell möglich ist, dass die Lasche von einer Reihe von Platten (Separatorplatten, Strömungsplatten und/oder Bipolarplatten) abgetrennt wird, die noch in einem Bandmaterial zusammenhängen, ist es jedoch bevorzugt, dass das Abtrennen erfolgt, während die Platten bereits als Einzelplatten, d.h. aus einem Bandmaterial abgetrennte Platten vorliegen.
-
Die Verfahren eignen sich insbesondere zur Herstellung der oben beschriebenen Bipolarplatte, Strömungsplatte und/oder des Rückstellmusters. Merkmale, die nur im Zusammenhang mit der Bipolarplatte, Strömungsplatte und/oder des Rückstellmusters beschrieben wurden, können auch für die Verfahren beansprucht werden und andersherum.
-
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Prüfen eines Rückstellmusters einer Bipolarplatte oder Strömungsplatte vorgeschlagen. Die Bipolarplatte umfasst zwei miteinander verbundene Separatorplatten, wobei mindestens eine der Separatorplatten einen Plattenkörper und mindestens eine einstückig mit dem Plattenkörper geformte, über eine Sollbruchstelle von dem Plattenkörper abtrennbare Lasche, aufweist. Die Strömungsplatte umfasst einen Plattenkörper und mindestens eine einstückig mit dem Plattenkörper geformte, über eine Sollbruchstelle von dem Plattenkörper abtrennbare Lasche.
-
Die Lasche ist während der Herstellung der Bipolarplatte bzw. Strömungsplatte mit dem Plattenkörper verbunden und wird anschließend von dem Plattenkörper abgetrennt. Insbesondere kann die Lasche während der kompletten Herstellungsdauer mit der Bipolarplatte bzw. Strömungsplatte verbunden sein.
-
Zudem ist die abgetrennte Lasche als das Rückstellmuster der Bipolarplatte bzw. Strömungsplatte ausgebildet. Das Verfahren umfasst den folgenden Schritt:
- - Prüfen mindestens einer Materialeigenschaft oder eines Bearbeitungsparameters der Lasche.
-
In einem weiteren Schritt können Rückschlüsse über die Beschaffenheit der Bipolarplatte bzw. Strömungsplatte, insbesondere ihrer Oberfläche, anhand des Rückstellmusters gezogen werden. Hierbei sei angemerkt, dass die Schritte des Abtrennens und des Prüfens direkt aufeinanderfolgend durchgeführt werden können, sodass beide Schritte zum Beispiel innerhalb eines Tages oder innerhalb einer Stunde oder kürzer durchgeführt werden können. Der Schritt des Prüfens kann jedoch auch später erfolgen, zum Beispiel beim Hersteller, während sich die Bipolarplatte oder Strömungsplatte bei einem Abnehmer oder Kunden befindet. Folglich können etwaige Reklamationen nachverfolgt und ausgewertet werden. Eine rückführbare Kodierung (vgl. die oben genannte erste Kodierung) kann weiter zur zeitlich versetzten Analyse des Rückstellmusters beitragen.
-
Insgesamt kann mit dem Rückstellmuster eine Probe der Bipolarplatte bzw. Strömungsplatte bereitgestellt werden, die dieselben Verarbeitungsschritte wie die Bipolarplatte bzw. Strömungsplatte durchlaufen hat. Somit können Eigenschaften der Bipolarplatte bzw. Strömungsplatte anhand des Rückstellmusters untersucht werden, ohne dass die Bipolarplatte bzw. Strömungsplatte selbst untersucht werden muss. Das Prüfen der Lasche kann zerstörungsfrei erfolgen. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine zerstörende Prüfung der Lasche stattfindet. Bei einer zerstörenden Prüfung hat eine Untersuchung des Rückstellmusters den Vorteil, dass die Bipolarplatte bzw. Strömungsplatte nicht zerstört oder beschädigt werden muss. Gleiches gilt auch für eine Strömungsplatte oder eine Separatorplatte vor dem Zusammenbau zweier Separatorplatten zu einer Bipolarplatte.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Lasche mindestens eine Prozessüberwachungsfläche aufweist, wobei die Prozessüberwachungsfläche und der Plattenkörper während der Herstellung der Strömungs-, Separator- oder Bipolarplatte jeweils strukturiert, behandelt und/oder beschichtet werden.
-
Merkmale des Herstellungsverfahrens und des Prüfverfahrens können miteinander kombiniert werden. Ebenfalls können Merkmale der Bipolarplatte, der Strömungsplatte des Rückstellmusters und des Systems mit dem Prüfverfahren kombiniert werden und andersherum.
-
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand beigefügter Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung ein elektrochemisches System mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneten Separatorplatten oder Bipolarplatten;
- 2 schematisch in einer perspektivischen Darstellung zwei Bipolarplatten des Systems gemäß 1 mit einer zwischen den Bipolarplatten angeordneten Membranelektrodeneinheit (MEA);
- 3 schematisch eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte mit mehreren abtrennbaren Laschen, welche im Stapel der 1 verwendet werden kann;
- 4 schematisch eine Draufsicht auf einen Teil einer Bipolarplatte mit mehreren abtrennbaren Laschen, welche im Stapel der 1 verwendet werden kann;
- 5 schematisch einen Schnitt durch einen Teilbereich der Bipolarplatte der 4;
- 6 schematisch eine Detailansicht einer Lasche, welche über eine Sollbruchstelle mit einer Bipolarplatte verbunden ist;
- 7 in drei 7A, 7B, 7C schematisch Schnittdarstellungen von möglichen Sollbruchstellen der 6;
- 8 schematisch eine Draufsicht auf einen Teil einer Bipolarplatte mit zwei abschnittsweise übereinander angeordneten abtrennbaren Laschen;
- 9 schematisch einen Schnitt entlang der Schnittlinie B-B der 8 sowie Verfahrensschritte zum Abtrennen der Laschen der Bipolarplatte der 8;
- 10 schematisch eine Draufsicht auf einen Teil einer Bipolarplatte mit zwei vollflächig übereinander angeordneten abtrennbaren Laschen; und
- 11 schematisch einen Schnitt entlang der Schnittlinie C-C der 10.
-
In der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren sind wiederkehrende und funktionsgleiche Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt ein elektrochemisches System 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen metallischen Bipolarplatten 2, die in einem Stapel 6 angeordnet und entlang einer z-Richtung 7 gestapelt sind. Die Bipolarplatten 2 des Stapels 6 sind zwischen zwei Endplatten 3, 4 eingespannt. Die z-Richtung 7 wird auch Stapelrichtung genannt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem System 1 um einen Brennstoffzellenstapel. Je zwei benachbarte Bipolarplatten 2 des Stapels schließen also zwischen sich eine elektrochemische Zelle ein, die z. B. der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Zur Ausbildung der elektrochemischen Zellen des Systems 1 ist zwischen benachbarten Bipolarplatten 2 des Stapels jeweils eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 10 angeordnet (siehe z. B. 2). Die MEA beinhalten typischerweise jeweils wenigstens eine Membran, z. B. eine Elektrolytmembran samt Elektroden. Ferner kann auf einer oder beiden Oberflächen der MEA eine Gasdiffusionslage (GDL) angeordnet sein.
-
Bei alternativen Ausführungsformen kann das System 1 ebenso als Elektrolyseur, elektrochemischer Verdichter, Befeuchter für ein elektrochemisches System oder als Redox-Flow-Batterie ausgebildet sein. Bei diesen elektrochemischen Systemen können ebenfalls Bipolarplatten verwendet werden. Der Aufbau dieser Bipolarplatten kann dann dem Aufbau der hier näher erläuterten Bipolarplatten 2 entsprechen, auch wenn sich die auf bzw. durch die Bipolarplatten geführten Medien bei einem Elektrolyseur, bei einem elektrochemischen Verdichter, einem Befeuchter für ein elektrochemisches System oder bei einer Redox-Flow-Batterie jeweils von den für ein Brennstoffzellensystem verwendeten Medien unterscheiden können.
-
Die z-Achse 7 spannt zusammen mit einer x-Achse 8 und einer y-Achse 9 ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem auf. Die Bipolarplatten 2 definieren jeweils eine Plattenebene, wobei die Plattenebenen der Separatorplatten jeweils parallel zur x-y-Ebene und damit senkrecht zur Stapelrichtung bzw. zur z-Achse 7 ausgerichtet sind. Die Endplatte 4 weist eine Vielzahl von Medienanschlüssen 5 auf, über die dem System 1 Medien zuführbar und über die Medien aus dem System 1 abführbar sind. Diese dem System 1 zuführbaren und aus dem System 1 abführbaren Medien können z. B. Brennstoffe wie molekularen Wasserstoff oder Methanol, Reaktionsgase wie Luft oder Sauerstoff, Reaktionsprodukte wie Wasserdampf oder abgereicherte Brennstoffe oder Kühlmittel wie Wasser und/oder Glykol umfassen.
-
2 zeigt perspektivisch zwei benachbarte Bipolarplatten 2, 2' eines elektrochemischen Systems von der Art des Systems 1 aus 1 sowie eine zwischen diesen benachbarten Bipolarplatten 2, 2' angeordnete aus dem Stand der Technik bekannte Membranelektrodeneinheit (MEA) 10, wobei die MEA 10 in 2 zum größten Teil durch die dem Betrachter zugewandte Bipolarplatte 2 verdeckt ist. Die Bipolarplatte 2 ist aus zwei stoffschlüssig zusammengefügten Separatorplatten 2a, 2b gebildet, von denen in 2 jeweils nur die dem Betrachter zugewandte erste Separatorplatte 2a sichtbar ist, die die zweite Separatorplatte 2b verdeckt. Die Separatorplatten 2a, 2b sind in der Regel als Einzelplatten gebildet, welche jeweils aus einem Metallblech gefertigt sind, z. B. aus einem Edelstahlblech. Die Separatorplatten 2a, 2b sind in der Regel stoffschlüssig miteinander verbunden und können z. B. miteinander verschweißt sein, z. B. durch Laserschweißen.
-
Die Separatorplatten 2a, 2b weisen typischerweise miteinander fluchtende Durchgangsöffnungen auf, die Durchgangsöffnungen 11a-c der Bipolarplatte 2 bilden. Bei Stapelung einer Mehrzahl von Bipolarplatten von der Art der Bipolarplatte 2 bilden die Durchgangsöffnungen 11a-c Leitungen, die sich in der Stapelrichtung 7 durch den Stapel 6 erstrecken (siehe 1). In der Regel ist jede der durch die Durchgangsöffnungen 11a-c gebildeten Leitungen jeweils in Fluidverbindung mit einem der Ports 5 in der Endplatte 4 des Systems 1. Über die von den Durchgangsöffnungen 11a gebildeten Leitungen kann z. B. Kühlmittel in den Stapel eingeleitet oder aus dem Stapel abgeleitet werden. Die von den Durchgangsöffnungen 11b, 11c gebildeten Leitungen dagegen können zur Versorgung der elektrochemischen Zellen des Brennstoffzellenstapels 6 des Systems 1 mit Brennstoff und mit Reaktionsgas sowie zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus dem Stapel ausgebildet sein. Die medienführenden Durchgangsöffnungen 11a-11c sind im Wesentlichen parallel zur Plattenebene ausgebildet.
-
Zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c gegenüber dem Inneren des Stapels 6 und gegenüber der Umgebung weisen die ersten Separatorplatten 2a üblicherweise jeweils Dichtanordnungen, hier in Gestalt von Dichtsicken 12a-c, auf, die jeweils um die Durchgangsöffnungen 11a-c herum angeordnet sind und die die Durchgangsöffnungen 11a-c jeweils vollständig umschließen. Die zweiten Separatorplatten 2b weisen an der vom Betrachter der 2 abgewandten Rückseite der Bipolarplatten 2 entsprechende Dichtsicken zum Abdichten der Durchgangsöffnungen 11a-c auf (nicht gezeigt).
-
In einem elektrochemisch aktiven Bereich 18 weisen die ersten Separatorplatten 2a an ihrer dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite ein Strömungsfeld 17 mit Strukturen zum Führen eines Reaktionsmediums entlang der Vorderseite der Separatorplatte 2a auf. Diese Strukturen sind in 2 durch eine Vielzahl von Stegen und zwischen den Stegen verlaufenden und durch die Stege begrenzten Kanälen gegeben. Der elektrochemisch aktive Bereich 18 kann abschnittsweise, beispielsweise im Bereich der Stege, oder vollflächig, mindestens eine Beschichtung aufweisen. Insbesondere kann eine vollflächige korrosionsmindernde Beschichtung und/oder eine zumindest abschnittsweise die Leitfähigkeit verbessernde Beschichtung 130 vorhanden sein. An der dem Betrachter der 2 zugewandten Vorderseite der Bipolarplatten 2, 2' weisen die ersten Separatorplatten 2a zudem jeweils einen Verteil- oder Sammelbereich 20 auf. Der Verteil- oder Sammelbereich 20 umfasst Strukturen, die eingerichtet sind, ein ausgehend von einer ersten der beiden Durchgangsöffnungen 11b in den Verteil- oder Sammelbereich 20 eingeleitetes Medium über den aktiven Bereich 18 zu verteilen und/oder ein ausgehend vom aktiven Bereich 18 zur zweiten der Durchgangsöffnungen 11b hin strömendes Medium zu sammeln oder zu bündeln. Die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 sind in 2 ebenfalls durch Stege und zwischen den Stegen verlaufende und durch die Stege begrenzte Kanäle gegeben. Generell können die Elemente 17, 18, 20 also als medienleitende Prägestrukturen aufgefasst werden.
-
Die Dichtsicken 12a-12c weisen in der Regel Durchführungen 13a-13c, die hier als lokale Anhebungen der Sicke ausgeführt sind, auf, von denen die Durchführungen 13a sowohl auf der Unterseite der oben liegenden (dem Betrachter zugewandten) Separatorplatte 2a als auch auf der Oberseite der unten liegenden (dem Betrachter abgewandten) Separatorplatte 2b ausgeführt sind, während die Durchführungen 13b in der oben liegenden Separatorplatte 2a und die Durchführungen 13c in der unten liegenden Separatorplatte 2b ausgebildet sind. Beispielsweise ermöglichen die Durchführungen 13a eine Passage von Kühlmittel zwischen der Durchgangsöffnung 11a und dem Verteilbereich, so dass das Kühlmittel in den Verteilbereich zwischen den Separatorplatten gelangt bzw. aus diesem herausgeführt wird. Weiterhin ermöglichen die Durchführungen 13b eine Passage von Wasserstoff zwischen der Durchgangsöffnung 11b und dem Verteilbereich 20 auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a, diese Durchführungen 13b sind durch von dem Verteilbereich zugewandte, schräg zur Plattenebene verlaufende Perforationen charakterisiert. Durch die Durchführungen 13b strömt also beispielsweise Wasserstoff von der Durchgangsöffnung 11b zum Verteilbereich auf der Oberseite der oben liegenden Separatorplatte 2a oder in entgegengesetzter Richtung. Die Durchführungen 13c ermöglichen eine Passage von beispielsweise Luft zwischen der Durchgangsöffnung 11c und dem Verteilbereich, so dass Luft in den Verteilbereich auf der Unterseite der unten liegenden Separatorplatte 2b gelangt bzw. aus diesem Verteilbereich herausgeführt wird. Die zugehörigen Perforationen sind hier nicht sichtbar.
-
Die ersten Separatorplatten 2a weisen ferner typischerweise jeweils eine weitere Dichtanordnung, hier in Gestalt einer Perimetersicke 12d auf, die das Strömungsfeld 17 des aktiven Bereichs 18, den Verteil- oder Sammelbereich 20 und die Durchgangsöffnungen 11b, 11c umläuft und diese gegenüber der Durchgangsöffnung 11a, d. h. gegenüber dem Kühlmittelkreislauf, und gegenüber der Umgebung des Systems 1 abdichtet. Die zweiten Separatorplatten 2b umfassen jeweils entsprechende Perimetersicken. Die Strukturen des aktiven Bereichs 18, die Verteilstrukturen des Verteil- oder Sammelbereichs 20 und die Dichtsicken 12a-d sind jeweils einteilig mit den Separatorplatten 2a ausgebildet und in die Separatorplatten 2a eingeformt, z. B. in einem Präge-, Hydroforming- oder Tiefziehprozess. Dasselbe gilt für die entsprechenden Verteilstrukturen und Dichtsicken der zweiten Separatorplatten 2b. Außerhalb des von der Perimetersicke 12d umgebenen Bereichs ergibt sich in jeder Separatorplatte 2a, 2b ein überwiegend unstrukturierter Außenrandbereich 22.
-
Zumindest ein Teil der vorgenannten Dichtsicken kann zumindest auf einer ihrer Oberfläche(n) zumindest abschnittsweise beschichtet sein, beispielsweise zumindest auf einem Sickendach. Hierfür kommt eine die Mikroabdichtung verbessernde Beschichtung auf Polymerbasis in Frage. Vor Aufbringen der Beschichtung kann eine Vorbehandlung, wie beispielsweise ein Reinigungsschritt oder eine Oberflächenbehandlung durchgeführt werden.
-
Alternativ zu den vorgenannten, einstückig mit den Separatorplatten geformten Dichtsicken können auch andere Dichtelemente verwendet werden, beispielsweise in eine Vertiefung der Oberfläche eingebrachte Dichtprofile oder auf die Oberfläche aufgebrachte Dichtprofile 120, wie dies in 10 und 11 gezeigt ist.
-
Die Separatorplatten 2a, 2b sind typischerweise jeweils aus einem Metallblech mit einer Blechstärke zwischen 60 um und 150 um gebildet. Durch die geringe Stärke der einzelnen Platten 2a, 2b einerseits und die relativ große Ausdehnung der Platten in y- und x-Richtung andererseits können die Platten 2, 2a, 2b relativ leicht mechanisch verformt und beschädigt werden. Durch die vielen Funktionsflächen, zum Beispiel das Strömungsfeld 17, den aktiven Bereich 18, den Verteil- oder Sammelbereich 20, die Durchgangsöffnungen 11a-c, die Sickenanordnungen 12a-d, dürfen die Platten 2, 2a, 2b jedoch nur in ihrem weitgehend unstrukturierten Randbereich 22 angefasst werden, um Verschmutzungen der Platten 2, 2a, 2b zu vermeiden. Insgesamt kann das Handling der Platten 2, 2a, 2b somit schwierig sein, dies gilt sowohl für ein manuelles Handling als auch für ein Handling mittels automatischer Greifersysteme.
-
Die 3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 2 mit Separatorplatten 2a, 2b, welche im Stapel 6 des elektrochemischen Systems 1 benutzt werden kann. In der 3 ist nur die erste Separatorplatte 2a erkennbar, da diese die zweite Separatorplatte 2b vollständig überdeckt. Im Unterschied zu den in 2 gezeigten Platten 2, 2', 2a, 2b umfasst die Separatorplatte 2a einen Plattenkörper 21 sowie zusätzlich mindestens eine Lasche 30, 31. Die Lasche 30, 31 ist einstückig mit dem Plattenkörper 21 geformt und über eine Sollbruchstelle 33 von dem Plattenkörper 21 abtrennbar.
-
In den Ausführungsbeispielen der 3-11 erstreckt sich die Lasche 30, 31 parallel zu einer durch den Plattenkörper 21 definierten Plattenebene. In alternativen Ausführungsformen kann die Lasche 30, 31 auch winklig zur Plattenebene angeordnet sein. Die Lasche 30, 31 kann an verschiedenen Stellen der Bipolarplatte angeordnet sein. Beispielsweise ist die Lasche 30 an einem Außenrand der Bipolarplatte 2 angeordnet und steht seitlich ab von dem Plattenkörper 21, wodurch der Lasche 30 relativ viel Platz zur Verfügung steht und sich das Abtrennen der Lasche 30 sowie das Anfassen der Lasche 30 vergleichsweise einfach gestalten. Die Lasche 31 ist an einem Innenrand der Durchgangsöffnung 11c angeordnet. Infolgedessen kann für die Herstellung der Lasche 31 in der Durchgangsöffnung 11c Material des Metallblechs verwendet werden, das ansonsten bei der Herstellung der Durchgangsöffnung 11c weggeworfen worden wäre.
-
In den 5 und 7A-C sind Schnitte von verschiedenen Sollbruchstellen 33 gezeigt. Die Sollbruchstelle 33 hat eine Breite b gemessen senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung der Sollbruchstelle 33. Dementsprechend kann die Sollbruchstelle 33 eine Kerbe 34 aufweisen, welche zum Beispiel V-förmig mit einem Öffnungswinkel α (7A) oder U-förmig mit einer maximalen Breite b ausgestaltet ist (7B). Die Kerbe 34 ist hierbei als Materialschwächung mit einer maximalen Tiefe t ausgebildet, wobei eine Reststärkte des Materials durch die Differenz der Dicke d der Lasche 30 und der Tiefe T der Kerbe 34 gebildet wird. Die Sollbruchstelle 33 kann alternativ oder zusätzlich auch eine Vielzahl von durchgehenden Perforationen 35 mit einem Durchmesser b aufweisen (7C). Die Sollbruchstelle 33 kann zum Beispiel durch Einprägen, Stanzen, Laserstrahlung oder Abbrennen mit Strom eingebracht werden. Wie in den 3, 4, 6, 8 und 10 gezeigt, kann die Sollbruchstelle 33 in eine sich ausweitende Aussparung zwischen der Lasche 30 und dem Plattenkörper 21 münden. Die Sollbruchstelle 33 kann sich entlang der Plattenebene überwiegend bogenförmig erstrecken.
-
Um das Abtrennen der Lasche entlang der Sollbruchstelle 33 zu erleichtern und die Bipolarplatte 2 nicht zu beschädigen, kann mindestens eine Versteifungsstruktur 36, 37, 12c vorgesehen sein, welche entlang der Sollbruchstelle 33 verläuft. Bei der Lasche 30 der 3 ist eine Versteifungsstruktur 36 auf dem Plattenkörper 21 vorgesehen, während die Lasche 30 der 4, 6 und 8 beidseitig der Sollbruchstelle 33 Versteifungsstrukturen 36, 37 auf dem Plattenkörper 21 bzw. der Lasche 30 aufweist. Bei der Lasche 31 der 3 und 4 bildet die Sickenanordnung 12c der Durchgangsöffnung 11c die Versteifungsstruktur. Die Lasche 30, 31 kann zur Verstärkung der Lasche 30, 31 mindestens eine Versteifungsstruktur 38 aufweisen. Die genannten Versteifungsstrukturen 36, 37, 38 können als Prägestrukturen wie Sicken (s. 3-9), Noppen oder Dome (s. 10) ausgebildet sein.
-
Mithilfe der Lasche 30, 31 kann zum Beispiel das Handling der Bipolarplatte 2 bzw. der einzelnen Separatorplatten 2a, 2b vereinfacht werden. Oftmals ist die Lasche 30, 31 zum Transportieren, Positionieren, Halten und/oder Greifen der Bipolarplatte 2 bzw. der einzelnen Separatorplatten 2a, 2b ausgestaltet. Beispielsweise weist die Lasche 30, 31 eine im Wesentlichen ebene oder strukturierte Haltefläche 43 auf, an der die Lasche 30, 31 angefasst und gehalten werden kann, ohne dass der Plattenkörper 21 der Separatorplatte 2a, 2b verunreinigt oder mechanisch deformiert wird. Dies ist in den 4, 6 und 8 durch einen Fingerabdruck symbolisiert. Die Haltefläche 43 kann auch durch einen Saugheber, sonstigen Heber oder Saugnapf festgehalten werden. Als weitere Maßnahme zum Transportieren, Halten, Positionieren und Greifen kann die Lasche 30, 31 eine Positionierungsöffnung 45 zum Aufnehmen eines Zentrierstiftes einer Zentriervorrichtung oder zur Überprüfung der relativen Position der beiden Separatorplatten 2a, 2b einer Bipolarplatte 2 aufweisen. Vorzugsweise ist die Sollbruchstelle 33 derart ausgestaltet, dass diese unter dem Gewicht der Bipolarplatte 2 nicht bricht bzw. sich nicht plastisch verformt.
-
Die Lasche 30, 31 kann als Rückstellmuster ausgebildet sein. Die Lasche 30, 31 wird dazu von der Bipolarplatte 2 abgetrennt und aufbewahrt. Durch das Abtrennen entlang der Sollbruchstelle 33 entstehen Bruchkanten sowohl auf der Seite der Lasche 30, 31 als auch auf der Seite der Bipolarplatte. Die von der Bipolarplatte 2 abgetrennte und als Rückstellmuster ausgebildete Lasche 30, 31 weist daher eine erste Bruchkante auf, welche eine komplementäre Form zu einer zweiten Bruchkante der Bipolarplatte 2 hat. Mit der als Rückstellmuster ausgebildeten Lasche 30, 31 kann eine Rückverfolgung der Bipolarplatte 2 ermöglicht werden. Insbesondere kann ein System aus dem Rückstellmuster 30, 31 und der Bipolarplatte 2 gebildet werden, welches zur Qualitätskontrolle verwendet werden kann.
-
Um die Rückverfolgung zu vereinfachen kann die Lasche 30, 31 eine erste Kodierung 41 aufweisen, welche der Bipolarplatte 2 zugeordnet ist (s. 4, 6 und 10). Außerdem kann die Bipolarplatte 2 eine zweite Kodierung 42 aufweisen, welche der Lasche 30, 31 zugeordnet ist und mit der ersten Kodierung 41 korrespondiert. Die jeweilige Kodierung 41, 42 ist in den Ausführungsbeispielen der 4 und 10 als Beschriftung, insbesondere Zifferncode, ausgestaltet, kann aber alternativ oder zusätzlich als Muster wie ein Strichcode, 2D-Code, insbesondere Data-Matrix-Code oder wie in 6 als QR-Code, oder als Farbmuster, Stanzmuster und/oder Prägemuster ausgestaltet sein. Die jeweilige Kodierung 41, 42 kann auch einen Chip wie ein RFID umfassen.
-
In den Ausführungsformen der 4, 6 und 10 umfasst die Lasche 30, 31 mindestens eine Prozessüberwachungsfläche 44. Beispielsweise können auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Lasche 30, 31 mehrere Prozessüberwachungsflächen 44 vorgesehen sein. Auf der Prozessüberwachungsfläche 44 kann mindestens eine hier geringfügig abtragend wirkende Oberflächenbehandlung 141, Beschichtung 121, 131 - wobei im Beispiel der 10 und 11 ein aufgebrachtes Dichtelement ebenfalls als Dichtbeschichtung 121 anzusehen ist - und/oder Strukturierung auf- oder eingebracht werden, welche ebenfalls zumindest in einem Teilbereich der Bipolarplatte 2 vorgenommen wird, nämlich als Oberflächenbehandlung 140, als profilförmige Dichtbeschichtung 120 und als Leitfähigkeitsbeschichtung 130. Als Beschichtung kommen zum Beispiel eine dichtende Beschichtung 120, 121, hier ein Dichtprofil, eine Klebebeschichtung, eine elektrisch leitfähige Beschichtung 130, 131, eine Korrosionsschutzbeschichtung in Frage. Die mindestens eine Beschichtung 121, 131 kann eine Siebdruckbeschichtung, eine mittels Rakel aufgebrachte Beschichtung, eine Sprühbeschichtung, eine mittels PVD (physical vapour deposition - physikalische Gasphasenabscheidung) aufgebrachte Beschichtung, eine mittels CVD (chemical vapour deposition - chemische Gasphasenabscheidung) aufgebrachte Beschichtung und/oder eine mittels Tampondruck aufgebrachte Beschichtung sein. Derartige Beschichtungen werden oftmals bei Bipolarplatten 2 bzw. Separatorplatten 2a, 2b vorgenommen. Als Strukturierung kommen zum Beispiel eine Prägestruktur, eine Laserstrukturierung und/oder eine Schmelzstruktur in Frage. Als Oberflächenbehandlung eignet sich eine Behandlung der Laschenoberfläche mit einem Lösungsmittel, Reinigungsmittel und/oder einem Plasma. In 10 wurde auf ein Bezugszeichen 44 verzichtet, die Elemente 111 (Laserschweißnaht), 121 (Dichtbeschichtung, Dichtprofil) ,131 (Leitfähigkeitsbeschichtung) und 141 (Vorbehandlung) stellen für sich jeweils eine Prozessüberwachungsfläche für analoge Elemente im Plattenkörper dar, die dort mit den Bezugszeichen 110 (Laserschweißnaht), 120 (Dichtbeschichtung, Dichtprofil), 130 (Leitfähigkeitsbeschichtung) und 140 (Vorbehandlung) bezeichnet sind.
-
Zusätzlich oder alternativ zu den expliziten Elementen, die auf die Prozessüberwachungsfläche 44 ein- oder aufgebracht werden, kann die Prozessüberwachungsfläche 44 auch der Überprüfung des Blechmaterials der Separatorplatten 2a, 2b dienen. In diesem Fall kann zumindest ein Teilbereich der Prozessüberwachungsfläche 44 zur Prüfung des Blechmaterials unstrukturiert, unbehandelt und unbeschichtet bleiben.
-
Mithilfe der Prozessüberwachungsfläche 44 lässt sich eine nachträgliche indirekte Analyse der Bipolarplatte 2 durchführen, ohne dass die bereits in dem elektrochemischen System 1 verbaute Bipolarplatte 2 ausgebaut werden muss. Hierfür kommen sowohl zerstörungsfreie als auch zerstörende Analysen der Lasche 30, 31 in Frage.
-
Das Grundmaterial der Lasche 30, 31, 32 und das Grundmaterial des Plattenkörpers 21 sind gleich. Es kann aber sein, dass die Oberflächenstruktur der Lasche, insbesondere der Prozessüberwachungsfläche 44, sich lokal von der Oberflächenstruktur des Plattenkörpers 21 unterscheidet.
-
Die Lasche 30, 31 kann lediglich in einer der beiden Separatorplatten 2a, 2b vorgesehen sein. Es kann aber auch vorkommen, dass beide Separatorplatten 2a, 2b die Lasche 30, 31 aufweisen. So sind in der 8 zwei Laschen 30, 32 gezeigt, wobei die Lasche 30 Bestandteil der Separatorplatte 2a ist und die Lasche 32 Bestandteil der Separatorplatte 2b ist. Die Lasche 32 kann die gleichen Eigenschaften haben wie die Lasche 30; die Laschen 30, 32 können aber auch unterschiedliche Merkmale aufweisen. So kann jede Lasche mit verschiedenen Funktionselementen wie Kodierungen 41, Prozessüberwachungsflächen 44, Halteflächen 43 und/oder Positionierungsöffnungen 45 ausgestattet sein. Wie in den 8 und 9 angedeutet, sind die Laschen 30, 32 an unterschiedlichen Stellen der jeweiligen Separatorplatten 2a, 2b angeordnet. Die Laschen 30, 32 können derart angeordnet sein, dass die Laschen 30, 32 sich in einer Richtung (z-Richtung) senkrecht zur Plattenebene der Bipolarplatte 2 bereichsweise überlappen. Die Laschen 30, 32 können optional in einem Kontaktbereich zusammengeschweißt oder andersartig stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Die dafür verwendeten Schweißstellen 111 können zum Beispiel in den jeweiligen Prozessüberwachungsflächen 44 vorgesehen sein, damit die Schweißstellen später auf ihre Güte oder Fehler untersucht werden können und damit eine Aussage über die Güte oder Fehler der Schweißstellen 110 des Plattenkörpers ermöglichen. Weiterhin kann im Fall einer zweilagigen, von einer Bipolarplatte abgetrennten Lasche 39, wie sie in den 10 und 11 im noch nicht abgetrennten Zustand dargestellt ist, über ein Positionierungselement 45 in jeder der Lagen überprüft werden, ob auch die Plattenkörper der Separatorplatten in korrekter Position zueinander sind bzw. auch schon vor der Verbindung waren. Sind die Ränder der Positionierungselemente 45 beider Laschen 30,32 umlaufend bündig, sind beide Separatorplatten 2a, 2b optimal zueinander positioniert, wobei vorteilhafterweise entsprechende Positionierungselemente 45 in mindestens zwei Laschenpaaren vorgesehen werden.
-
Weiter wird ein Verfahren zum Herstellen der Bipolarplatte 2 vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen einer Platte,
- - Ausbilden einer ersten Separatorplatte 2a mit einem Plattenkörper 21 und mindestens einer einstückig mit dem Plattenkörper 21 geformten Lasche 30, 31,
- - Einbringen einer Materialschwächung in die erste Separatorplatte 2a zum Ausbilden einer Sollbruchstelle 33, über die die Lasche 30, 31 von dem Plattenkörper 21 abtrennbar ist,
- - Bereitstellen einer zweiten Separatorplatte 2b,
- - Ausbilden der Bipolarplatte 2 durch stoffschlüssiges Verbinden der ersten Separatorplatte 2a mit der zweiten Separatorplatte 2b.
-
Anschließend kann die Lasche 30, 31 von der ersten Separatorplatte 2a entlang der Sollbruchstelle abgetrennt werden. Das Abtrennen kann hierbei durch Hitzeeinwirkung, z.B. mittels Laserstrahlung, eines Stromstoßes oder Induktion erfolgen. Alternativ kann die Lasche 30, 31 mechanisch vom Plattenkörper 21 getrennt werden, z.B. durch Schneiden oder Abreißen.
-
Auch die zweite Separatorplatte 2b kann eine entsprechende Lasche 32 aufweisen. Das Zusammenbringen der Laschen 30, 32 und das stoffschlüssige Verbinden der teilweise überlappenden Laschen 30, 32 der Bipolarplatte 2 der 8 ist durch die Pfeile in der 9 angedeutet. Danach können die Laschen 30, 32 jeweils gegen den Uhrzeigersinn (s. Pfeile) von der Bipolarplatte 2 gerissen werden. Werden die beiden Laschen 30, 32 (bzw. die Laschen 31 und 32) vor dem Abtrennen verbunden, bilden sie eine zweilagige Lasche 39, wie sie in 10 und 11 gezeigt ist, dort ist die Schweißverbindung 111 explizit dargestellt.
-
In dem Herstellungsprozess können der Plattenkörper 21 einerseits und die Prozessüberwachungsfläche 44 der Lasche 30, 31, 32, 39 andererseits die gleichen Verarbeitungsschritte, insbesondere Beschichtungen, Oberflächenbehandlungen und/oder Strukturierungen, erfahren, sodass die später abgetrennte Lasche 30, 31, 32, 39 beispielsweise zur Qualitätskontrolle bzw. - sicherung verwendet werden kann.
-
Außerdem wird ein Verfahren zum Prüfen eines Rückstellmusters 30, 31, 32, 39 der Bipolarplatte 2 vorgeschlagen. Zunächst werden die noch mit dem Plattenkörper 21 verbundene Lasche 30, 31, 32 und der Plattenkörper 21 jeweils in gleicher oder zumindest ähnlicher Weise strukturiert, oberflächenbehandelt, beschriftet, beschichtet, geprägt, gestanzt und/oder verschweißt. Danach wird das Rückstellmuster 30, 31, 32, 39 von dem Plattenkörper 21 abgetrennt. Das Verfahren enthält zumindest den Schritt:
- - Prüfen mindestens einer Materialeigenschaft oder eines Bearbeitungsparameters der Lasche 30, 31, 32, 39.
-
Für die Prüfung eignet sich insbesondere die Prozessüberwachungsfläche 44 der Lasche 30, 31, 32, 39. Dadurch, dass die Prozessüberwachungsfläche 44 dieselben Verarbeitungsschritte wie der Plattenkörper 21 erfahren hat, können Eigenschaften der Bipolarplatte 2 anhand des Rückstellmusters 30, 31, 32, 39 untersucht werden, ohne dass die Bipolarplatte 2 selbst untersucht werden muss. Im Beispiel der 10 sind sowohl das aufgebrachte Dichtelement 121, die Leitfähigkeitsbeschichtung 131, die Schweißnaht 111 als auch die Oberflächenvorbehandlung 141 auf dem Plattenkörper 21 und auf der Lasche 30 der oberen Separatorplatte 2a bzw. der Lasche 32 der unteren Separatorplatte 2b auf- bzw. eingebracht.
-
Zum Beispiel ist eine zerstörende Prüfung des Rückstellmusters 30, 31, 32, 39 möglich, ohne dass die Bipolarplatte 2 selbst zerstört werden muss. Selbstverständlich kann auch eine zerstörungsfreie Prüfung vorgenommen werden.
-
Merkmale der genannten Verfahren können mit den Merkmalen der Bipolarplatten 2 und Separatorplatten 2a, 2b kombiniert werden und andersherum.
-
Die oben beschriebenen und in den Figuren gezeigten Merkmale der Sollbruchstelle 33, Lasche 30, 31 und/oder des Rückstellmusters 30, 31, welche im Zusammenhang mit der zweilagigen Bipolarplatte 2 bzw. den Separatorplatten 2a, 2b offenbart sind, können auch mit einer einlagigen Strömungsplatte (nicht gezeigt) kombiniert werden, soweit sie mit einer Anwendung in einer einlagigen Strömungsplatte kompatibel sind. Das oben genannte Rückstellmuster 30, 31 und das oben genannte System können somit auch mit der Strömungsplatte verwendet und beansprucht werden. Die Strömungsplatte kann z.B. als Unipolarplatte, Bipolarplatte, Befeuchterplatte und/oder Separatorplatte ausgestaltet sein und kann z.B. aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- elektrochemisches System
- 2
- Bipolarplatte
- 2'
- Bipolarplatte
- 2a
- Separatorplatte
- 2b
- Separatorplatte
- 3
- Endplatte
- 4
- Endplatte
- 5
- Medienanschluss
- 6
- Stapel
- 7
- z-Richtung
- 8
- x-Richtung
- 9
- y-Richtung
- 10
- Membranelektrodeneinheit
- 11a-d
- Durchgangsöffnungen
- 12
- Sickenanordnung
- 12'
- Sickenanordnung
- 12a-d
- Sickenanordnung
- 13a-c
- Durchführungen
- 17
- Strömungsfeld
- 18
- elektrochemisch aktiver Bereich
- 20
- Verteil- und/oder Sammelbereich
- 21
- Plattenkörper
- 22
- unstrukturierter Außenbereich
- 30
- abtrennbare Lasche, ggf. auch Rückstellmuster
- 31
- abtrennbare Lasche, ggf. auch Rückstellmuster
- 32
- abtrennbare Lasche, ggf. auch Rückstellmuster
- 33
- Sollbruchstelle
- 34
- Kerbe
- 35
- Perforierung
- 36
- Versteifungsstruktur
- 37
- Versteifungsstruktur
- 38
- Versteifungsstruktur
- 39
- Rückstellmuster bzw. abtrennbare zweilagige Lasche
- 41
- erste Kodierung
- 42
- zweite Kodierung
- 43
- Haltefläche
- 44
- Prozessüberwachungsfläche
- 45
- Positionierungsöffnung
- 110
- Schweißnaht (Plattenkörper)
- 111
- Schweißnaht (Lasche)
- 120
- Dichtelement (Plattenkörper)
- 121
- Dichtelement (Lasche)
- 130
- Leitfähigkeitsbeschichtung (Plattenkörper)
- 131
- Leitfähigkeitsbeschichtung (Lasche)
- 140
- Oberflächenvorbehandlung (Plattenkörper)
- 141
- Oberflächenvorbehandlung (Lasche)
- t
- Tiefe der Kerbe
- d
- Dicke der Lasche
- b
- Breite der Sollbruchstelle
