DE102022119222A1

DE102022119222A1 - Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden einer ersten Bipolarplattenlage und einer zweiten Bipolarplattenlage, Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung und elektrochemische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102022119222A1
Application number: DE102022119222.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Schaich; Arno Bayer
Original assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Current assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2022-08-01
Filing date: 2022-08-01
Publication date: 2024-02-01
Also published as: WO2024028095A2; WO2024028095A3

Abstract

Um ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden einer ersten Bipolarplattenlage und einer zweiten Bipolarplattenlage einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten umfasst, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:- Inkontaktbringen der ersten Bipolarplattenlage und der zweiten Bipolarplattenlage an einem oder mehreren Kontaktbereichen der Bipolarplattenlagen;- Aufbringen einer Klemmkraft auf die erste Bipolarplattenlage und die zweite Bipolarplattenlage mittels eines oder mehrerer Klemmwerkzeuge; und- stoffschlüssiges Verbinden der ersten Bipolarplattenlage und der zweiten Bipolarplattenlage längs einer Verbindungsnaht; zu schaffen, welches es ermöglicht, die beiden Bipolarplattenlagen prozesssicher miteinander zu verbinden, ohne die strömungstechnischen Eigenschaften der Bipolarplatte zu verschlechtern oder die Abstützfunktion der Bipolarplatte für Bestandteile der elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung zu beeinträchtigen, wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Klemmwerkzeug an einer Abstützfläche mindestens einer Stützstruktur mindestens einer der Bipolarplattenlagen abgestützt wird, wobei die Abstützfläche der Stützstruktur gegenüber der Oberfläche der Bipolarplattenlage, an welcher die Stützstruktur ausgebildet ist, in dem Kontaktbereich längs der Stapelrichtung von der jeweils anderen Bipolarplattenlage weg versetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden einer ersten Bipolarplattenlage und einer zweiten Bipolarplattenlage einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten umfasst, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

- Inkontaktbringen der ersten Bipolarplattenlage und der zweiten Bipolarplattenlage an einem oder mehreren Kontaktbereichen der Bipolarplattenlagen;
- Aufbringen einer Klemmkraft auf die erste Bipolarplattenlage und die zweite Bipolarplattenlage mittels eines oder mehrerer Klemmwerkzeuge; und
- stoffschlüssiges Verbinden der ersten Bipolarplattenlage und der zweiten Bipolarplattenlage längs einer Verbindungsnaht.

Die Verbindungsnaht wird dabei vorzugsweise durch Verschweißung, insbesondere durch Laserschweißung, erzeugt.
Zur Erzeugung einer solchen Verbindungsnaht wird ein speziell angepasstes und hochpräzises Schweißwerkzeug benötigt, welches Klemmwerkzeuge zum Aufbringen einer Klemmkraft auf die erste Bipolarplattenlage und die zweite Bipolarplattenlage umfasst, damit die erste Bipolarplattenlage und die zweite Bipolarplattenlage in den Kontaktbereichen, in welchen die Bipolarplattenlagen miteinander verbunden werden sollen, nur um einen nahezu „technischen Nullspalt“ mit einer Höhe (längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung) von weniger als 0,03 mm voneinander beabstandet sind. Dazu müssen beispielsweise als Klemmstege ausgebildete Klemmwerkzeuge zu beiden Seiten der zu erzeugenden Verbindungsnaht auf flache Bereiche der Bipolarplattenlagen aufgesetzt werden, um eine ausreichende Klemmwirkung zu erzielen.
Die Verbindungsnähte und die zu beiden Seiten der Verbindungsnähte freizuhaltenden flachen Bereiche der Bipolarplattenlagen benötigen einen erheblichen Anteil des an der Bipolarplatte insgesamt zur Verfügung stehenden Raumes, was entwicklungs- und designtechnisch von Nachteil ist, da auch viel Platz für die Anordnung von in die Bipolarplattenlagen durch Umformung eingebrachte Elemente benötigt wird, welche die Strömung von der elektrochemischen Vorrichtung zuzuführenden Medien (Anodengas, Kathodengas, Kühlmittel) lenken und/oder der Bipolarplatte benachbarte Bestandteile von elektrochemischen Einheiten, beispielsweise Gasdiffusionslagen oder Bestandteile von Dichtungsanordnungen der elektrochemischen Einheiten, abstützen.
Zu große Flachbereiche der miteinander zu verbindenden Bipolarplattenlagen, welche für die Anordnung von Klemmwerkzeugen freigehalten werden müssen, beeinflussen die strömungsmechanischen Eigenschaften der Bipolarplatte negativ.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden einer ersten Bipolarplattenlage und einer zweiten Bipolarplattenlage einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welches es ermöglicht, die beiden Bipolarplattenlagen prozesssicher miteinander zu verbinden, ohne die strömungstechnischen Eigenschaften der Bipolarplatte zu verschlechtern oder die Abstützfunktion der Bipolarplatte für Bestandteile der elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung zu beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden einer ersten Bipolarplattenlage und einer zweiten Bipolarplattenlage einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Klemmwerkzeug an einer Abstützfläche mindestens einer Stützstruktur mindestens einer der Bipolarplattenlagen abgestützt wird, wobei die Abstützfläche der Stützstruktur gegenüber der Oberfläche der Bipolarplattenlage, an welcher die Stützstruktur ausgebildet ist, in dem Kontaktbereich längs der Stapelrichtung von der jeweils anderen Bipolarplattenlage weg versetzt ist.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt das Konzept zugrunde, ohnehin für die Lenkung der Medienströme und/oder zum Abstützen von Bestandteilen der elektrochemischen Einheiten erforderliche Strukturen, die vorzugsweise in mindestens eine der Bipolarplattenlagen eingeformt sind, zusätzlich zum Abstützen mindestens eines Klemmwerkzeugs während der Erzeugung einer Verbindungsnaht zwischen der ersten Bipolarplattenlage und der zweiten Bipolarplattenlage der Bipolarplatte zu verwenden.
Die mindestens eine Stützstruktur wird so ausgelegt, dass sie eine Abstützfläche zum Abstützen eines Klemmwerkzeugs während der Erzeugung der Verbindungsnaht aufweist, wobei diese Abstützfläche vorzugsweise auch zum Abstützen einer der Stützstruktur benachbarten Komponente einer elektrochemischen Einheit, beispielsweise einer Gasdiffusionslage oder eines Bestandteils einer Dichtungsanordnung einer elektrochemischen Einheit, dienen kann.
Die Höhe der Stützstruktur, das heißt der Abstand der Abstützfläche von der Oberfläche der Bipolarplattenlage, an welcher die Stützstruktur ausgebildet ist, in einem Kontaktbereich, in welchem diese Bipolarplattenlage an der jeweils anderen Bipolarplattenlage - vorzugsweise flächig - anliegt, wird auf die abzustützende benachbarte Komponente einer elektrochemischen Einheit, beispielsweise eine Membran-Elektroden-Anordnung, abgestimmt.
Die Form, insbesondere die Außenkontur, der Stützstruktur wird für den Erzeugungsprozess der Verbindungsnaht optimiert.
Somit kann an der Bipolarplatte Platz eingespart werden, welcher sonst für die Anordnung von Klemmwerkzeugen während der Erzeugung der Verbindungsnähte freigehalten werden müsste.
Die mindestens eine Stützstruktur kann beispielsweise die Form eines Napfes oder „Dimpels“ mit einem kreisrunden, ovalen oder freiförmigen Rand aufweisen.
Der Rand einer Stützstruktur ist dabei eine Linie, an welcher die Stützstruktur in einen parallel zur Stapelrichtung ausgerichteten ebenen Bereich übergeht.
Eine solche Stützstruktur kann an einer anodenseitigen Bipolarplattenlage oder an einer kathodenseitigen Bipolarplattenlage angeordnet sein.
Vorzugsweise ist eine solche Stützstruktur durch einen Umformvorgang an einer der Bipolarplattenlagen ausgebildet, beispielsweise durch einen Prägevorgang oder einen Tiefziehvorgang.
Die größte Ausdehnung einer solchen Stützstruktur längs einer senkrecht zur Stapelrichtung verlaufenden Richtung beträgt vorzugsweise ungefähr 3 mm bis ungefähr 7 mm, beispielsweise ungefähr 5 mm.
Eine solche Stützstruktur kann einseitig an der anodenseitigen Bipolarplattenlage oder an der kathodenseitigen Bipolarplattenlage ausgebildet sein, wobei die jeweils andere Bipolarplattenlage in dem entsprechenden Bereich eine ebene Freifläche aufweist, an welcher während der Erzeugung einer Verbindungsnaht ein Klemmwerkzeug anliegen kann.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass an der jeweils anderen Bipolarplattenlage ebenfalls eine, vorzugsweise napfförmige, Stützstruktur ausgebildet ist, welche - längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung gesehen - im Wesentlichen deckungsgleich mit der Stützstruktur an der ersten Bipolarplattenlage ausgebildet ist oder nur geringfügig gegenüber der Stützstruktur an der ersten Bipolarplattenlage versetzt ist. Durch die Verformung der in derselben Position angeordneten Stützstrukturen an den beiden miteinander zu verbindenden Bipolarplattenlagen wird bei Verpressung dieser Stützstrukturen mittels der Klemmwerkzeuge, welche mit den Stützstrukturen in Kontakt gebracht werden, ein Kräftegleichgewicht erzielt, gemäß welchem die von den Bipolarplattenlagen aufeinander und auf die Klemmwerkzeuge ausgebildeten Kräfte einander gleich sind („Actio gleich Reactio“).
Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, dass mindestens eine Stegstruktur an mindestens einer der miteinander zu verbindenden Bipolarplattenlagen stegförmig ausgebildet ist und im Wesentlichen parallel zu der Verbindungsnaht verläuft.
Eine an einer solchen stegförmigen Stützstruktur ausgebildete Auflagefläche weist vorzugsweise eine Ausdehnung senkrecht zur Stapelrichtung von weniger als 3 mm, besonders bevorzugt von weniger als 1,5 mm auf.
Eine solche stegförmige Stützstruktur kann einseitig nur an einer anodenseitigen Bipolarplattenlage oder nur an einer kathodenseitigen Bipolarplattenlage angeordnet sein, wobei die jeweils andere Bipolarplattenlage in diesem Bereich eine ebene Freifläche aufweist, an welche während der Erzeugung der Verbindungsnaht ein Klemmwerkzeug angelegt werden kann.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass auch die jeweils andere Bipolarplattenlage ebenfalls mit einer zweiten stegförmigen Stützstruktur versehen ist, welche - in Bezug auf die Kontaktebene der beiden Bipolarplattenlagen - symmetrisch zu der ersten stegförmigen Stützstruktur ausgebildet ist oder nur leicht von deren Form abweicht. Vorzugsweise ist die Position der zweiten stegförmigen Stützstruktur - längs der Stapelrichtung gesehen - im Wesentlichen deckungsgleich mit der Position der ersten stegförmigen Stützstruktur oder nur geringfügig gegenüber der Position der ersten stegförmigen Stützstruktur versetzt.
Die Ränder der Stützstrukturen, an welchen die Stützstrukturen in einen ebenen Bereich der jeweiligen Bipolarplattenlage übergehen, treffen sich vorzugsweise auf beiden einander gegenüberliegenden Seiten der stegförmigen Stützstruktur wieder so, dass die beiden Bipolarplattenlagen „auf Block“ aneinander anliegen. Hierdurch ergibt sich bei der Verpressung der stegförmigen Stützstrukturen mittels der Klemmwerkzeuge während der Erzeugung der Verbindungsnaht ein Kräftegleichgewicht, bei welchem die von den Bipolarplattenlagen aufeinander und auf die Klemmwerkzeuge ausgeübten Kräfte einander gleich groß sind („Actio gleich Reactio“).
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine der miteinander zu verbindenden Bipolarplattenlagen mehrere stegförmige Stützstrukturen aufweist, welche quer zu der Verbindungsnaht verlaufen und in geringem Abstand von der Verbindungsnaht enden.
Dabei kann die jeweils andere Bipolarplattenlage in dem Bereich dieser auslaufenden stegförmigen Stützstrukturen eine ebene Freifläche aufweisen, an welche während der Herstellung der Verbindungsnaht ein Klemmwerkzeug angelegt werden kann.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die jeweils andere Bipolarplattenlage in dem Bereich, in dem die erste Bipolarplattenlage quer zu der Verbindungsnaht verlaufende stegförmige Stützstrukturen aufweist, eine oder mehrere im Wesentlichen parallel zu der Verbindungsnaht verlaufende stegförmige Stützstrukturen aufweist.
Die Ränder der Stützstrukturen treffen sich dabei im Bereich zwischen den stegförmigen Stützstrukturen der ersten Bipolarplattenlage, welche quer zu der Verbindungsnaht verlaufen, und auf der der Verbindungsnaht abgewandten Seite der stegförmigen Stützstrukturen der zweiten Bipolarplattenlage derart, dass die beiden Bipolarplattenlagen an diesen Stellen „auf Block“ aneinander anliegen. Hierdurch wird bei der Verpressung der Stützstrukturen während der Erzeugung der Verbindungsnaht ein Kräftegleichgewicht erzielt, bei welchem die von den Bipolarplattenlagen aufeinander und auf die Klemmwerkzeuge ausgeübten Kräfte einander gleich groß sind („Actio gleich Reactio“).
Der Rand einer Stützstruktur, an welchem die Stützstruktur in einen ebenen Bereich der Bipolarplattenlage übergeht, weist vorzugsweise von der Verbindungsnaht einen Abstand auf, welcher kleiner ist als 1 mm, insbesondere kleiner als 0,5 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,1 mm.
Auf einer der Verbindungsnaht abgewandten Seite der Stützstruktur trifft der Rand der Stützstruktur, welche an einer der Bipolarplattenlagen ausgebildet ist, vorzugsweise mit dem Rand einer weiteren Stützstruktur, die an der jeweils anderen Bipolarplattenlage ausgebildet ist, zusammen, um zu erreichen, dass die Bipolarplattenlagen an diesem Abschnitt ihrer Ränder „auf Block“ aneinander anliegen, um durch das hierdurch hergestellte Kräftegleichgewicht („Actio gleich Reactio“) eine hinreichende Stützwirkung zu erzielen.
Diese der Verbindungsnaht abgewandten Abschnitte der Ränder der Stützstrukturen weisen vorzugsweise einen Abstand von der Verbindungsnaht auf, welcher größer ist als 1 mm und/oder kleiner ist 5 mm.
Die mindestens eine Stützstruktur der erfindungsgemäß hergestellten Bipolarplatte erlaubt es einerseits, ein Klemmwerkzeug während der Erzeugung einer Verbindungsnaht sehr nahe an der Verbindungsnaht anzuordnen. Andererseits kann die mindestens eine Stützstruktur dazu dienen, eine benachbarte Komponente einer elektrochemischen Einheit, beispielsweise eine Gasdiffusionslage oder ein Bauelement einer Dichtungsanordnung einer elektrochemischen Einheit, abzustützen.
Die mindestens eine Stützstruktur wird als stabiles Element zur Aufnahme der Klemmkraft der Klemmwerkzeuge während der Erzeugung der Verbindungsnaht ausgeführt und möglichst nahe an der Verbindungsnaht platziert.
Die mindestens eine Stützstruktur, welche an einer der Bipolarplattenlagen ausgebildet ist, stützt sich vorzugsweise sowohl auf ihrer der Verbindungsnaht zugewandten Seite als auch auf ihrer der Verbindungsnaht abgewandten Seite an einer Stützstruktur, welche an der jeweils anderen Bipolarplattenlage ausgebildet ist, ab.
Durch das Ausüben einer Klemmkraft mittels Klemmwerkzeugen auf die Stützstrukturen der Bipolarplatte wird erreicht, dass die miteinander zu verbindenden Bipolarplattenlagen in dem Kontaktbereich, in welchem sie - vorzugsweise flächig - aneinander anliegen und durch die Verbindungsnaht miteinander verbunden werden sollen, nur durch einen kleinen Spalt voneinander beabstandet sind, welcher eine Höhe (längs der Stapelrichtung) aufweist, die kleiner ist als 0,03 mm.
Die Abstützwirkung der Stützstruktur sorgt während des Betriebs der elektrochemischen Vorrichtung dafür, dass die an der Stützstruktur abgestützte Komponente einer elektrochemischen Einheit, beispielsweise eine Gasdiffusionslage, ein Sub-Gasket oder ein anderes Element einer Dichtungsanordnung einer elektrochemischen Einheit, nicht in den Zwischenraum zwischen einem Medium-Verteilbereich und einer Medium-Durchtrittsöffnung der Bipolarplatte eindringt und dadurch Medienauslässe von Abdichtsicken oder einen Medium-Verteilbereich verschließt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eines der Klemmwerkzeuge sich an mehreren Abstützflächen mehrerer verschiedener Stützstrukturen und an mehreren Kontaktbereichen der Bipolarplattenlagen, welche zwischen den Stützstrukturen liegen, abstützt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens ein erstes Klemmwerkzeug sich an mindestens einer ersten Stützstruktur abstützt, welche an der ersten Bipolarplattenlage ausgebildet ist, und mindestens ein zweites Klemmwerkzeug sich an mindestens einer zweiten Stützstruktur abstützt, welche an der zweiten Bipolarplattenlage ausgebildet ist.
Die erste Stützstruktur weist einen ersten Rand auf, an welchem die erste Stützstruktur in einen ebenen Bereich der ersten Bipolarplattenlage übergeht, und die zweite Stützstruktur weist einen zweiten Rand auf, an welchem die zweite Stützstruktur in einen ebenen Bereich der zweiten Bipolarplattenlage übergeht.
Dabei sind der erste Rand und der zweite Rand in einer Projektion auf eine senkrecht zu der Stapelrichtung ausgerichtete Ebene vorzugsweise im Wesentlichen miteinander kongruent oder weichen vorzugsweise um eine Distanz von höchstens 0,5 mm voneinander ab. Diese Distanz wird vorzugsweise senkrecht zu der Längsrichtung des ersten Randes oder senkrecht zu der Längsrichtung des zweiten Randes gemessen.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Stützstruktur an einer Stelle einer der Bipolarplattenlagen ausgebildet ist, welcher ein ebener Bereich der jeweils anderen Bipolarplattenlage, der nicht mit einer Stützstruktur versehen ist, gegenüberliegt.
Die Abstützfläche mindestens einer Stützstruktur weist vorzugsweise eine kleinste Ausdehnung (a) senkrecht zu der Stapelrichtung auf, welche mindestens 0,1 mm, insbesondere mindestens 0,5 mm, beträgt.
Ferner weist die Abstützfläche mindestens einer Stützstruktur vorzugsweise eine kleinste Ausdehnung (a) senkrecht zur Stapelrichtung auf, welche höchstens 3 mm, insbesondere höchstens 1,5 mm, beträgt.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Abstützfläche mindestens einer Stützstruktur eine größte Ausdehnung senkrecht zu der Stapelrichtung aufweist, welche größer ist als 3 mm, insbesondere größer als 5 mm.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Stützstruktur einen Rand aufweist, an welchem die Stützstruktur in einen ebenen Bereich der Bipolarplattenlage, an der die Stützstruktur ausgebildet ist, übergeht, wobei der kleinste Abstand (d) des Randes der Stützstruktur von der Mittellinie der Verbindungsnaht höchstens 0,8 mm, insbesondere höchstens 0,5 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,3 mm, beträgt.
Dabei wird der kleinste Abstand (d) des Randes der Stützstruktur von der Mittellinie der Verbindungsnaht vorzugsweise senkrecht zur Mittellinie der Verbindungsnaht genommen.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass mindestens eine Stützstruktur einen Rand aufweist, an welchem die Stützstruktur in einen ebenen Bereich der Bipolarplattenlage, an der die Stützstruktur ausgebildet ist, übergeht, wobei der größte Abstand (D) des Randes der Stützstruktur von der Mittellinie der Verbindungsnaht höchstens 5 mm, insbesondere höchstens 3 mm, besonders bevorzugt höchstens 2 mm, beträgt.
Der größte Abstand (D) des Randes der Stützstruktur wird dabei vorzugsweise senkrecht zur Mittellinie der Verbindungsnaht genommen.
Mindestens eine der Stützstrukturen kann napfförmig ausgebildet sein.
Ferner kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Stützstruktur in einer Draufsicht längs der Stapelrichtung kreisförmig oder oval ausgebildet ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Stützstruktur stegförmig ausgebildet ist.
Eine stegförmige Stützstruktur kann zumindest abschnittsweise im Wesentlichen parallel zu der Verbindungsnaht verlaufen.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mehrere stegförmige Stützstrukturen quer zu der Verbindungsnaht verlaufen und in einem Abstand (d') von der Mittellinie der Verbindungsnaht von weniger als 0,8 mm, insbesondere von weniger als 0,5 mm, besonders bevorzugt von weniger als 0,3 mm, enden.
Der Abstand (d') von der Mittellinie der Verbindungsnaht wird dabei vorzugsweise senkrecht zur Mittellinie der Verbindungsnaht genommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten umfasst, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen,
wobei die Bipolarplatte Folgendes umfasst:

- eine erste Bipolarplattenlage und eine zweite Bipolarplattenlage, welche in einem Kontaktbereich der Bipolarplattenlagen längs einer Verbindungsnaht stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte der vorstehend genannten Art zu schaffen, bei welcher die erste Bipolarplattenlage und die zweite Bipolarplattenlage prozesssicher miteinander verbindbar sind, ohne dass die strömungsmechanischen Eigenschaften der Bipolarplatte verschlechtert werden und ohne dass die Funktion der Abstützung von der Bipolarplatte benachbarten Komponenten elektrochemischer Einheiten beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte nach Anspruch 15 gelöst, wobei an der ersten Bipolarplattenlage und/oder an der zweiten Bipolarplattenlage jeweils mindestens eine Stützstruktur ausgebildet ist,
wobei eine Abstützfläche der mindestens einen Stützstruktur gegenüber der Oberfläche der Bipolarplattenlage, an welcher die Stützstruktur ausgebildet ist, in dem Kontaktbereich längs der Stapelrichtung von der jeweils anderen Bipolarplattenlage weg versetzt ist und
wobei die mindestens eine Stützstruktur einen Rand aufweist, an welchem die Stützstruktur in einen ebenen Bereich der Bipolarplattenlage, an der die Stützstruktur ausgebildet ist, übergeht, wobei der kleinste Abstand (d, d') des Randes der Stützstruktur von der Mittellinie der Verbindungsnaht höchstens 0,8 mm, insbesondere höchstens 0,5 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,3 mm, beträgt.
Dabei wird der kleinste Abstand (d, d') des Randes der Stützstruktur von der Mittellinie der Verbindungsnaht vorzugsweise senkrecht zu der Mittellinie der Verbindungsnaht genommen.
Besondere Ausgestaltungen der Bipolarplatte sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden einer ersten Bipolarplattenlage und einer zweiten Bipolarplattenlage einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung erläutert worden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden einer ersten Bipolarplattenlage und einer zweiten Bipolarplattenlage einer Bipolarplatte kann insbesondere zum stoffschlüssigen Verbinden der Bipolarplattenlagen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte kann insbesondere unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden einer ersten Bipolarplattenlage und einer zweiten Bipolarplattenlage einer Bipolarplatte hergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung, welche mehrere elektrochemische Einheiten umfasst, die längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen und jeweils eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfassen.
Eine solche elektrochemische Vorrichtung kann beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung oder ein Elektrolyseur sein.
Beispielsweise kann die elektrochemische Vorrichtung als eine Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Einheiten umfasst, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei die Bipolarplatte eine erste Bipolarplattenlage und eine zweite Bipolarplattenlage, welche in einem Kontaktbereich der Bipolarplattenlagen längs einer Verbindungsnaht stoffschlüssig miteinander verbunden sind, umfasst, wobei an der ersten Bipolarplattenlage und/oder an der zweiten Bipolarplattenlage jeweils mindestens eine Stützstruktur ausgebildet ist, wobei eine Abstützfläche der mindestens einen Stützstruktur gegenüber der Oberfläche der Bipolarplattenlage, an welcher die Stützstruktur ausgebildet ist, in dem Kontaktbereich längs der Stapelrichtung von der jeweils anderen Bipolarplattenlage weg versetzt ist und wobei die mindestens eine Stützstruktur einen Rand aufweist, an welchem die Stützstruktur in einen ebenen Bereich der Bipolarplattenlage, an der die Stützstruktur ausgebildet ist, übergeht, wobei der senkrecht zur Mittellinie der Verbindungsnaht genommene kleinste Abstand des Randes der Stützstruktur von der Mittellinie der Verbindungsnaht höchstens 0,8 mm beträgt, mit der Blickrichtung auf die Anodenseite der Bipolarplatte;
2 eine Draufsicht auf einen linken Endbereich der Bipolarplatte aus 1;
3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus 2;
4 eine ausschnittsweise, teilweise geschnittene Darstellung des Bereichs der Bipolarplatte aus 3, geschnitten längs der Linie 4 - 4 in 3;
5 eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine Verbindungsnaht der Bipolarplatte aus 3 und der Verbindungsnaht benachbarte Stützstru ktu ren;
6 eine Draufsicht auf den Endbereich der Bipolarplatte aus 2, mit der Blickrichtung auf die Kathodenseite der Bipolarplatte;
7 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs II aus 6;
8 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch eine stegförmig ausgebildete Stützstruktur der Bipolarplatte, längs der Linie 8 - 8 in 7;
9 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs III aus 6;
10 eine schematische Schnittdarstellung, welche zeigt, wie auf die erste Bipolarplattenlage und die zweite Bipolarplattenlage mittels mehrerer Klemmwerkzeuge eine Klemmkraft aufgebracht wird, wobei die Klemmwerkzeuge sich auf beiden Seiten einer herzustellenden Verbindungsnaht an jeweils einer Stützstruktur der ersten Bipolarplattenlage und an jeweils einer Stützstruktur der zweiten Bipolarplattenlage abstützen;
11 einen schematischen Längsschnitt durch Klemmwerkzeuge, die sich an napfförmigen Stützstrukturen, welche an der ersten Bipolarplattenlage und an der zweiten Bipolarplattenlage ausgebildet sind, und an zwischen den Stützstrukturen liegenden ebenen Bereichen der ersten Bipolarplattenlage beziehungsweise der zweiten Bipolarplattenlage abstützen, längs der Linie 11 - 11 in 10;
12 einen der 10 entsprechenden schematischen Schnitt durch die Bipolarplattenlagen und die an Stützstrukturen der Bipolarplattenlagen abgestützten Klemmwerkzeuge, wobei auf der in 12 links von der Verbindungsnaht liegenden Seite solche Stützstrukturen nur an der ersten Bipolarplattenlage ausgebildet sind;
13 einen der 11 entsprechenden schematischen Längsschnitt durch die Klemmwerkzeuge und die Stützstrukturen, welche an der ersten Bipolarplattenlage ausgebildet sind, längs der Linie 13 - 13 in 12;
14 eine ausschnittsweise Draufsicht auf einen Mediumverteilbereich einer zweiten Ausführungsform einer Bipolarplatte, wobei stegförmige Stützstrukturen eines Medium-Strömungsfelds schräg zu Abschnitten einer Verbindungsnaht der Bipolarplatte verlaufen;
15 eine Draufsicht auf die Rückseite des Bereichs der Bipolarplatte aus 14, wobei stegförmige Stützstrukturen eines Medium-Strömungsfelds parallel zu den Abschnitten der Verbindungsnaht der Bipolarplatte verlaufen; und
16 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch die Bipolarplatte aus den 15 und 16, längs der Linie 16 - 16 in 14, wobei der Verlauf der Schnittebene in 15 durch die Linie 16' - 16' angegeben ist.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den 1 bis 9 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Bipolarplatte bildet einen Bestandteil einer (nicht als Ganzes dargestellten) elektrochemischen Einheit 102, welche außer der Bipolarplatte 100 eine Membran-Elektroden-Anordnung, Gasdiffusionslagen und eine Dichtungsanordnung umfassen kann.
Mehrere solcher elektrochemischer Einheiten 102 folgen längs einer Stapelrichtung 104 aufeinander, um einen Stapel aus elektrochemischen Einheiten 102 zu bilden, welcher ein Bestandteil einer elektrochemischen Vorrichtung 106, beispielsweise einer Brennstoffzellenvorrichtung, ist.
Die Bipolarplatte 100 weist eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt auf, wobei sich lange Seiten 107 der Bipolarplatte 100 längs einer Längsrichtung 108 und kurze Seiten 109 der Bipolarplatte 100 längs einer Querrichtung 110 der Bipolarplatte 100 erstrecken.
Die Längsrichtung 108 und die Querrichtung 110 sind vorzugsweise senkrecht zueinander und senkrecht zu der Stapelrichtung 104 ausgerichtet.
Die Längsrichtung 108 wird auch als die x-Richtung bezeichnet, die Querrichtung 110 wird als die y-Richtung bezeichnet, und die Stapelrichtung 104 wird als die z-Richtung bezeichnet.
Die x-Richtung, die y-Richtung und die z-Richtung spannen ein rechtwinkliges Koordinatensystem auf.
Die Bipolarplatte 100 weist zwei Endbereiche 112 und einen zwischen den Endbereichen 112 liegenden elektrochemisch aktiven Bereich 114 auf.
Der elektrochemisch aktive Bereich 114 der Bipolarplatte 100 umfasst ein von einem Anodengas durchströmbares Anodengas-Strömungsfeld 116, ein von einem Kathodengas durchströmbares Kathodengas-Strömungsfeld 118 und ein von einem Kühlmittel durchströmbares Kühlmittel-Strömungsfeld 120.
Die Bipolarplatte 100 ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel zweilagig ausgebildet und umfasst eine erste Bipolarplattenlage 121 und eine zweite Bipolarplattenlage 123.
Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Bipolarplattenlage 121 eine anodenseitige Bipolarplattenlage 122, an welcher das Anodengas-Strömungsfeld 116 ausgebildet ist, und die zweite Bipolarplattenlage 123 eine kathodenseitige Bipolarplattenlage 124, an welcher das Kathodengas-Strömungsfeld 118 ausgebildet ist.
Grundsätzlich kann aber auch die erste Bipolarplattenlage 121 eine kathodenseitige Bipolarplattenlage 124 und die zweite Bipolarplattenlage 123 eine anodenseitige Bipolarplattenlage 122 sein.
Die Bipolarplattenlagen 121 und 123 bestehen aus einem elektrisch gut leitfähigen Material, vorzugsweise aus einem metallischen Material.
Die Bipolarplattenlagen 121 und 123 sind längs Verbindungsnähten 294 stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise verschweißt, insbesondere durch Laserschweißung.
Das Anoden-Strömungsfeld 116 der Bipolarplatte 100 steht - gegebenenfalls über eine anodenseitige Gasdiffusionslage - in Fluidverbindung mit einer anodenseitigen Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung.
Das Kathoden-Strömungsfeld 118 der Bipolarplatte 100 steht - gegebenenfalls über eine kathodenseitige Gasdiffusionslage - in Fluidverbindung mit einer kathodenseitigen Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung.
Somit können Anodengas und Kathodengas aus dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zu den elektrochemisch aktiven Bereichen jeweils einer Membran-Elektroden-Anordnung gelangen. Deshalb wird der mit dem Anodengas-Strömungsfeld 116 und dem Kathodengas-Strömungsfeld 118 versehene Bereich der Bipolarplatte 100 als deren elektrochemisch aktiver Bereich 114 bezeichnet, obwohl an der Bipolarplatte 100 selbst keine elektrochemischen Reaktionen stattfinden.
Das Anodengas-Strömungsfeld 116 umfasst Anodengas-Strömungskanäle 126, deren Hauptströmungsrichtung parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 ausgerichtet ist.
Das Kathodengas-Strömungsfeld 118 umfasst Kathodengas-Strömungskanäle 128, deren Hauptströmungsrichtung sich parallel zu der Längsrichtung 108 (x-Richtung) der Bipolarplatte 100 erstreckt.
In ihren Endbereichen 112, von denen in den 2 bis 9 ein erster Endbereich 112a dargestellt ist, weist die Bipolarplatte 100 jeweils mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 130 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 106 zuzuführendes fluides Medium (ein Anodengas (Brenngas, beispielsweise Wasserstoff), ein Kathodengas (Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft) oder ein Kühlmittel (beispielsweise Wasser)) durch die Bipolarplatte 100 hindurchtreten kann. Die Medium-Durchtrittsöffnungen 130 der im Stapel aus elektrochemischen Einheiten 102 aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 100 und die in der Stapelrichtung 104 zwischen den Medium-Durchtrittsöffnungen 130 liegenden Zwischenräume bilden zusammen jeweils einen Mediumkanal 132.
Jedem der Mediumkanäle 132 in einem der Endbereiche 112 der Bipolarplatte 100, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils ein anderer Mediumkanal 132 in dem jeweils gegenüberliegenden Endbereich 112 zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 106 abführbar ist.
Dabei gelangen die fluiden Medien durch das Anodengas-Strömungsfeld 116, das Kathodengas-Strömungsfeld 118 bzw. das Kühlmittel-Strömungsfeld 120 im elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 von dem einen Endbereich 112 zu dem anderen Endbereich 112.
In dem in den 2 bis 9 dargestellten ersten Endbereich 112a der Bipolarplatte 100 sind eine Anodengas-Durchtrittsöffnung 134, eine Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 und eine Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 angeordnet.
Dabei kann jede dieser Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 grundsätzlich wahlweise der Zufuhr des betreffenden Mediums zu der elektrochemischen Vorrichtung 106 oder der Abfuhr des betreffenden Mediums aus der elektrochemischen Vorrichtung 106 dienen.
Grundsätzlich kann jedes der drei Medien Anodengas, Kathodengas und Kühlmittel den elektrochemisch aktiven Bereich 114 parallel zu den jeweils anderen Medien oder mit entgegengesetzter Hauptströmungsrichtung in Bezug auf die Hauptströmungsrichtungen von einem oder zwei der anderen Medien durchströmen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle im ersten Endbereich 112a der Bipolarplatte 100 angeordneten Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 der Zufuhr des jeweiligen Mediums zu der elektrochemischen Vorrichtung 106 und die im zweiten Endbereich 112b der Bipolarplatte 100 angeordneten Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 der Abfuhr des jeweiligen Mediums aus der elektrochemischen Vorrichtung 106 dienen.
Um ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus den jeweils zugeordneten Durchtrittsöffnungen 134, 136 und 138 zu verhindern, ist jede dieser Durchtrittsöffnungen mit jeweils einer Abdichtsicke 140 versehen.
Die Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 ist von einer Anodengas-Abdichtsicke 142 umgeben.
Um das Anodengas aus der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 dem Anodengas-Strömungsfeld 136 zuführen zu können, ist die Anodengas-Abdichtsicke 142 an ihrer der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 zugewandten Innenseite mit mehreren Anodengaseinlässen 144 versehen, durch welche Anodengas aus der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 in den Innenraum der Anodengas-Abdichtsicke 142 einströmen kann (siehe 2).
Die Anodengaseinlässe 144 münden jeweils an einem Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134.
Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 viereckig ausgebildet; der polygonale Rand 146 der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 kann aber auch mehr oder weniger als vier Ecken aufweisen.
Die Ecken der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 sind vorzugsweise gerundet ausgebildet, um ein Einreißen der Bipolarplattenlagen 122 und 124 im Bereich dieser Ecken zu vermeiden.
Um ein Austreten des Anodengases aus dem Innenraum der Anodengas-Abdichtsicke 142 zu ermöglichen, ist die Anodengas-Abdichtsicke 142 an ihrer der Anodengas-Durchtrittsöffnung 134 abgewandten Außenseite mit mehreren Anodengasauslässen 154 versehen.
Die Anodengasauslässe 154 sind vorzugsweise an einem Abschnitt 156 der Anodengas-Abdichtsicke 142 angeordnet, welcher dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt ist.
Die Anodengaseinlässe 144, welche an demselben Abschnitt 156 der Anodengas-Abdichtsicke 142 angeordnet sind, sind vorzugsweise längs der Umfangsrichtung der Anodengas-Abdichtsicke 142 gegenüber den Anodengasauslässen 154 versetzt.
Das Anodengas strömt durch die Anodengasauslässe 154 an dem Abschnitt 156 der Anodengas-Abdichtsicke 142 in einen Anodengas-Verteilbereich 170 aus, welcher dazu dient, das Anodengas möglichst gleichmäßig auf die Anodengas-Strömungskanäle 126 des Anodengas-Strömungsfelds 116 zu verteilen.
Der Anodengas-Verteilbereich 170 umfasst jeweils mehrere gerichtete Verteilerstrukturen 172 und mehrere ungerichtete Verteilerstrukturen 174, welche dazu dienen, das Anodengas aus seiner ursprünglichen Strömungsrichtung abzulenken.
Dabei sind die gerichteten Verteilerstrukturen 172 beispielsweise als sich im Wesentlichen linear erstreckende Verteilerstege 176 ausgebildet.
Die ungerichteten Verteilerstrukturen 174 sind beispielsweise als im Wesentlichen napfförmige Verteilernoppen 178 ausgebildet.
Die Verteilerstrukturen 172 und 174 sind, ebenso wie alle anderen vorstehend und nachstehend beschriebenen Strukturen der Bipolarplatte 100, vorzugsweise einstückig mit dem Material der Bipolarplattenlagen 121 oder 123 ausgebildet und in die jeweilige Bipolarplattenlage 121 bzw. 123 durch einen Umformvorgang, beispielsweise durch einen Prägevorgang oder einen Tiefziehvorgang, eingebracht.
Die Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 ist von einer Kathodengas-Abdichtsicke 162 umgeben.
Die Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 ist von einer Kühlmittel-Abdichtsicke 164 umgeben.
Nahe des äußeren Randes 180 der Bipolarplatte 100 läuft eine ringförmig geschlossene Randsicke 182 um.
Die Randsicke 182 umschließt den elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100, die Anodengas-Durchtrittsöffnungen 134 und die Anodengas-Abdichtsicken 142 in beiden Endbereichen 112, die Kathodengas-Durchtrittsöffnungen 136 und die Kathodengas-Abdichtsicken 162 in beiden Endbereichen 112 und die Kühlmittel-Durchtrittsöffnungen 138 und die Kühlmittel-Abdichtsicken 164 in beiden Endbereichen 112 der Bipolarplatte 100.
Die Randsicke 182 dient dazu, ein Austreten der der elektrochemischen Vorrichtung 106 zuzuführenden Medien, insbesondere des Anodengases, des Kathodengases und des Kühlmittels, aus den elektrochemischen Einheiten 102 in den Außenraum 184 der elektrochemischen Vorrichtung 106 zu verhindern.
Um das Kathodengas aus der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 durch die Kathodengas-Abdichtsicke 162 ausströmen lassen zu können, ist die Kathodengas-Abdichtsicke 162 an ihrer der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 zugewandten Innenseite mit mehreren Kathodengaseinlässen 194 versehen (siehe insbesondere 6).
Durch die Kathodengaseinlässe 194 gelangt Kathodengas aus der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 in den Innenraum der Kathodengas-Abdichtsicke 162.
Die Kathodengaseinlässe 194 münden vorzugsweise an dem Rand 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136.
In der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform ist der Rand 198 der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 viereckig ausgebildet. Die Anzahl der Ecken des polygonalen Randes 198 kann aber auch kleiner oder größer als vier sein.
Kathodengasauslässe 214, welche an der der Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 abgewandten Außenseite der Kathodengas-Abdichtsicke 162 angeordnet sind und durch welche das Kathodengas aus dem Innenraum der Kathodengas-Abdichtsicke 162 ausströmt, sind vorzugsweise alle an einem Abschnitt 200 der Kathodengas-Abdichtsicke 162 angeordnet, welcher dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 100 zugewandt ist.
Vorzugsweise sind die Kathodengaseinlässe 194, welche an demselben Abschnitt 200 der Kathodengas-Abdichtsicke 162 angeordnet sind, längs der Umfangsrichtung der Kathodengas-Abdichtsicke 162 gegenüber den Kathodengasauslässen 214 versetzt angeordnet.
Vorzugsweise sind an der Kathodengas-Abdichtsicke 162 insgesamt zwei oder mehr, insbesondere vier oder mehr, besonders bevorzugt sechs oder mehr, im dargestellten Ausführungsbeispiel acht, Kathodengasauslässe 214 vorgesehen.
Durch die Kathodengasauslässe 214 strömt das Kathodengas in einen Kathodengas-Verteilbereich 216 der Bipolarplatte 100 aus, welcher dazu dient, das Kathodengas möglichst gleichmäßig auf die Kathodengas-Strömungskanäle 128 des Kathodengas-Strömungsfelds 118 zu verteilen.
Zu diesem Zweck umfasst der Kathodengas-Verteilbereich Verteilerstrukturen 218, welche als gerichtete Verteilerstrukturen 220 oder als ungerichtete Verteilerstrukturen 221 ausgebildet sind.
Die gerichteten Verteilerstrukturen 220 sind vorzugsweise als sich linear erstreckende Verteilerstege 222 ausgebildet.
Die ungerichteten Verteilerstrukturen 221 sind beispielsweise als im Wesentlichen napfförmige Verteilernoppen 223 ausgebildet.
Um das Kühlmittel aus der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 in das Kühlmittel-Strömungsfeld 120 der Bipolarplatte 100 ausströmen zu lassen, ist die Kühlmittel-Abdichtsicke 164 an ihrer der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 zugewandten Innenseite mit mehreren Kühlmitteleinlässen 224 versehen (siehe insbesondere die 2 und 6).
Durch die Kühlmitteleinlässe 224 gelangt das Kühlmittel aus der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 in den Innenraum der Kühlmittel-Abdichtsicke 164.
Der Rand 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 ist bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform viereckig ausgebildet. Die Anzahl der Ecken des polygonalen Randes 228 der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 kann aber auch größer oder kleiner als vier sein.
Kühlmittelauslässe 225, welche an der der Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 abgewandten Außenseite der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 angeordnet sind und durch welche das Kühlmittel aus dem Innenraum der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 ausströmt, sind vorzugsweise alle an einem Abschnitt 230 der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 angeordnet, welcher dem elektrochemisch aktiven Bereich 114 der Bipolarplatte 114 zugewandt ist.
Vorzugsweise sind die Kühlmitteleinlässe 224, welche an demselben Abschnitt 230 der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 angeordnet sind, längs der Umfangsrichtung der Kühlmittel-Abdichtsicke 164 gegenüber den Kühlmittelauslässen 225 versetzt angeordnet.
Durch die Kühlmittelauslässe 225 strömt das Kühlmittel in einen Kühlmittel-Verteilbereich 242 der Bipolarplatte 100 aus, welcher dazu dient, das Kühlmittel möglichst gleichmäßig auf die Kühlmittel-Strömungskanäle des Kühlmittel-Strömungsfelds zu verteilen.
In diesem Kühlmittel-Verteilbereich 242 sind die anodenseitige Bipolarplattenlage 122 und die kathodenseitige Bipolarplattenlage 124 so gegenüber einer senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten Längsmittelebene der Bipolarplatte 100 in einander entgegengesetzte Richtungen längs der Stapelrichtung 104 versetzt, dass für die Strömung des Kühlmittels durch den Kühlmittel-Verteilbereich 242 ein großer durchströmbarer Querschnitt zur Verfügung steht.
Die Bipolarplatte 100 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch bezüglich einer Rotation um 180° um eine durch den Mittelpunkt des elektrochemisch aktiven Bereichs 114 der Bipolarplatte 100 und parallel zur Stapelrichtung 104 (z-Richtung) verlaufende Drehachse ausgebildet.
Die im zweiten Endbereich 112b angeordneten Medium-Durchtrittsöffnungen 130, insbesondere die dort angeordnete Anodengas-Durchtrittsöffnung 134, die dort angeordnete Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 und die dort angeordnete Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138, sind daher vorzugsweise im Wesentlichen genauso aufgebaut und angeordnet wie die Anodengas-Durchtrittsöffnung 134, die Kathodengas-Durchtrittsöffnung 136 bzw. die Kühlmittel-Durchtrittsöffnung 138 im ersten Endbereich 112a, welche vorstehend beschrieben worden sind.
Da die vorstehend beschriebene und in den 1 bis 9 dargestellte Bipolarplatte 100 mehrlagig ausgebildet ist, müssen die erste Bipolarplattenlage 121 und die zweite Bipolarplattenlage 123 längs der Verbindungsnähte 294 fluiddicht abdichtend miteinander verbunden sein, um zu verhindern, dass eines der der elektrochemischen Vorrichtung 106 zuzuführenden Medien (Anodengas, Kathodengas, Kühlmittel) durch Spalte zwischen der ersten Bipolarplattenlage 121 und der zweiten Bipolarplattenlage 123 hindurch zu einer Medium-Durchtrittsöffnung 130 eines anderen Mediums oder in einen Medium-Verteilbereich oder in ein Medium-Strömungsfeld eines anderen Mediums gelangt.
Solche Verbindungsnähte 294, an denen die erste Bipolarplattenlage 121 und die zweite Bipolarplattenlage 123 stoffschlüssig, vorzugsweise durch Verschweißung, insbesondere durch Laserschweißung, miteinander verbunden sind, sind beispielsweise im Bereich zwischen der Außenseite der Anodengas-Abdichtsicke 142 einerseits und dem Anodengas-Verteilbereich 170 andererseits (siehe insbesondere die 3 bis 5) sowie zwischen der Kathodengas-Abdichtsicke 162 einerseits und dem Kathodengas-Verteilbereich 216 andererseits (siehe insbesondere die 9) und zwischen der Anodengas-Abdichtsicke 142 einerseits und dem Kühlmittel-Verteilbereich 242 andererseits (siehe insbesondere die 7) angeordnet.
Wie beispielsweise in den 3 bis 5 zu ersehen ist, sind vorzugsweise zu beiden Seiten der Verbindungsnaht 294 Stützstrukturen 296 ausgebildet, welche während der Herstellung der Verbindungsnaht 294 dazu dienen, Klemmwerkzeuge abzustützen, welche in Kontakt mit Abstützflächen 298 der Stützstrukturen 296 und optional auch in Kontakt mit zwischen den Stützstrukturen 296 liegenden ebenen Kontaktbereichen 300 der Bipolarplattenlagen 121, 123 stehen, um die erste Bipolarplattenlage 121 und die zweite Bipolarplattenlage 123 während des Verbindungsvorgangs, insbesondere eines Schweißvorgangs, mit einer ausreichenden Klemmkraft gegeneinander zu pressen. Hierdurch wird erreicht, dass vor dem Verbindungsvorgang zwischen den beiden Bipolarplattenlagen 121, 123 allenfalls ein „technischer Nullspalt“ von weniger als 0,03 mm Höhe (längs der Stapelrichtung 104) verbleibt.
Wie aus den 3 bis 5 zu ersehen ist, sind die Stützstrukturen 296 auf der der Abdichtsicke 140 (Anodengas-Abdichtsicke 142) zugewandten Seite der Verbindungsnaht 294 durch die vorstehend bereits erwähnten ungerichteten Verteilerstrukturen 174 in Form von Verteilernoppen 178 gebildet.
Diese napfförmigen Stützstrukturen 302 weisen jeweils eine Abstützfläche 298 auf, welche senkrecht zur Stapelrichtung 104 (z-Richtung) der Bipolarplatte 100 ausgerichtet ist und gegenüber der Oberfläche 299 der ersten Bipolarplattenlage 121, an welcher diese napfförmigen Stützstrukturen 302 durch Umformung ausgebildet sind, in dem ebenen Kontaktbereich 300, in welchem die beiden Bipolarplattenlagen 121 und 123 flächig aneinander anliegen, längs der Stapelrichtung 104 (z-Richtung) der Bipolarplatte 100 von der zweiten Bipolarplattenlage 123 weg versetzt ist.
Die Abstützfläche 298 der napfförmigen Stützstrukturen 302 weist vorzugsweise eine kleinste Ausdehnung a senkrecht zu der Stapelrichtung 104 (z-Richtung) der Bipolarplatte 100 auf, welche mindestens 0,1 mm, insbesondere mindestens 0,5 mm, beträgt.
Ferner beträgt die kleinste Ausdehnung a der Abstützflächen 298 dieser napfförmigen Stützstrukturen 302 senkrecht zur Stapelrichtung 104 (z-Richtung) der Bipolarplatte 100 vorzugsweise höchstens 3 mm, insbesondere höchstens 1,5 mm.
Wie ferner am besten aus 5 zu ersehen ist, weist jede der napfförmigen Stützstrukturen 302 einen Rand 304 auf, an welchem die betreffende Stützstruktur 302 in einen ebenen Bereich der ersten Bipolarplattenlage 121, an welcher die Stützstrukturen 302 ausgebildet sind, übergeht, wobei der - senkrecht zur Mittellinie 306 der Verbindungsnaht 294 genommene - kleinste Abstand d des Randes 304 der jeweiligen Stützstruktur 296 von der Mittellinie 306 der Verbindungsnaht 294 höchstens 0,8 mm, insbesondere höchstens 0,5 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,3 mm, beträgt.
Der - senkrecht zu der Mittellinie 306 der Verbindungsnaht 294 genommene - größte Abstand D des Randes 304 der jeweiligen Stützstruktur 296 von der Mittellinie 306 der Verbindungsnaht 294 beträgt vorzugsweise höchstens 5 mm, insbesondere höchstens 3 mm, besonders bevorzugt höchstens 2 mm.
Wie ferner aus den 3 bis 5 zu ersehen ist, sind die Stützstrukturen 296 auf der der Abdichtsicke 140 (Anodengas-Abdichtsicke 142) abgewandten Seite der Verbindungsnaht 294 durch die gerichteten Verteilerstrukturen 172 des Anoden-Verteilbereichs 170 in Form der Verteilerstege 176 gebildet.
Auch diese stegförmigen Stützstrukturen 308 umfassen jeweils eine Abstützfläche 298, deren kleinste Ausdehnung a' senkrecht zur Stapelrichtung 104 (z-Richtung) der Bipolarplatte 100 vorzugsweise mindestens 0,1 mm, insbesondere mindestens 0,5 mm, beträgt.
Ihre größte Ausdehnung senkrecht zur Stapelrichtung 104 (z-Richtung) der Bipolarplatte 100 weisen die stegförmigen Stützstrukturen 308 längs ihrer Längsrichtung 310 auf, und diese größte Ausdehnung ist vorzugsweise größer als 3 mm, insbesondere größer als 5 mm.
Die stegförmigen Stützstrukturen 308 verlaufen quer zu der Verbindungsnaht 294, und deren der Abdichtsicke 140 (Anodengas-Abdichtsicke 142) zugewandte Enden 292 liegen vorzugsweise in einem - senkrecht zur Mittellinie 306 der Verbindungsnaht 294 genommenen - Abstand d' von der Mittellinie 306 der Verbindungnaht 294, welcher weniger als 0,8 mm, insbesondere weniger als 0,5 mm, besonders bevorzugt weniger als 0,3 mm, beträgt.
Die Enden 292 der stegförmigen Stützstrukturen 308 liegen auf einem Rand 312 der jeweiligen Stützstruktur 296, an welchem die Stützstruktur 296 in einen ebenen Bereich der ersten Bipolarplattenlage 121, an welcher die Stützstruktur 296 ausgebildet ist, übergeht, wobei der - senkrecht zur Mittellinie 306 der Verbindungsnaht 294 genommene - kleinste Abstand d' des Randes 312 der Stützstruktur 296 von der Mittellinie 306 der Verbindungsnaht 294 vorzugsweise höchstens 0,8 mm, insbesondere höchstens 0,5 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,3 mm, beträgt.
Im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 106 stützen sich an den Abstützflächen 298 der Stützstrukturen 296 benachbarte Komponenten von elektrochemischen Einheiten 102 ab, beispielsweise Gasdiffusionslagen oder Sub-Gaskets von Membran-Elektroden-Einheiten von elektrochemischen Einheiten 102.
Die Abstände zwischen diesen Abstützflächen 298 sollten daher nicht zu groß sein, um zu vermeiden, dass diese benachbarten Komponenten von elektrochemischen Einheiten 102 in den Bereichen zwischen den Abstützflächen 298 durchhängen und die dort jeweils vorhandenen durchströmbaren Querschnitte verringern.
Ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden der ersten Bipolarplattenlage 121 und der zweiten Bipolarplattenlage 123 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 10 und 11 erläutert.
Dabei beziehen sich die schematischen Darstellungen der 10 und 11 auf einen Fall, in welchem auf beiden Seiten der herzustellenden Verbindungsnaht 294 jeweils napfförmige Stützstrukturen 302 an der ersten Bipolarplattenlage 121 ausgebildet sind und an Positionen, welche mit den Positionen der napfförmigen Stützstrukturen 302 an der ersten Bipolarplattenlage 121 im Wesentlichen deckungsgleich sind oder nur geringfügig gegenüber diesen Positionen versetzt sind, an der zweiten Bipolarplattenlage 123 ebenfalls napfförmige Stützstrukturen 302' angeordnet sind.
Die ersten Stützstrukturen 296, welche an der ersten Bipolarplattenlage 121 ausgebildet sind, weisen jeweils einen ersten Rand 304 auf, an welchem diese ersten Stützstrukturen 296 in einen ebenen Bereich der ersten Bipolarplattenlage 121 übergehen, und die zweiten Stützstrukturen 296', welche an der zweiten Bipolarplattenlage 123 ausgebildet sind, weisen jeweils einen zweiten Rand 304' auf, an welchem die zweiten Stützstrukturen 296' in einen ebenen Bereich der zweiten Bipolarplattenlage 123 übergehen, wobei die ersten Ränder 304 und die zweiten Ränder 304' in einer Projektion auf eine senkrecht zu der Stapelrichtung 104 (z-Richtung) der Bipolarplatte 100 ausgerichtete Ebene 314 im Wesentlichen miteinander kongruent sind oder um eine Distanz von höchstens 0,5 mm - senkrecht zur Längsrichtung des jeweiligen ersten Randes 304 oder des jeweiligen zweiten Randes 304' genommen - voneinander abweichen.
Die Konfiguration der Stützstrukturen 296, welche in den 10 und 11 dargestellt ist, unterscheidet sich somit von der konkreten Konfiguration der Stützstrukturen 296, wie sie in den 3 bis 5 für den Bereich zwischen der Anodengas-Abdichtsicke 142 und dem Anodengas-Verteilbereich 170 dargestellt ist; abgesehen von der konkreten Ausgestaltung der Klemmwerkzeuge 316, welche für die Durchführung des Verbindungsverfahrens verwendet werden, ergeben sich hieraus aber keine grundsätzlichen Abweichungen.
Zunächst werden die erste Bipolarplattenlage 121 und die zweite Bipolarplattenlage 123 so angeordnet, dass sie an einem oder an mehreren Kontaktbereichen 300, vorzugsweise flächig, miteinander in Kontakt stehen.
Mittels mehrerer Klemmwerkzeuge 316, 316' wird eine Klemmkraft auf die erste Bipolarplattenlage 121 und die zweite Bipolarplattenlage 123 aufgebracht, durch welche die erste Bipolarplattenlage 121 und die zweite Bipolarplattenlage 123 in den Kontaktbereichen 300 gegeneinander gepresst werden, so dass in den Kontaktbereichen 300 allenfalls ein „technischer Nullspalt“ mit einer Höhe (Ausdehnung längs der Stapelrichtung 104) von weniger als 0,03 mm verbleibt.
Die Klemmwerkzeuge 316 liegen an Abstützflächen 298 der Stützstrukturen 296 an, welche gegenüber der Oberfläche 299 der Bipolarplattenlage 121, an welcher die Stützstrukturen 296 ausgebildet sind, in den Kontaktbereichen 300 um eine Höhe H längs der Stapelrichtung 104 von der jeweils anderen Bipolarplattenlage 123 weg versetzt sind.
Dabei sind die kleinsten Abstände d, d' der Ränder 304, 304' der Stützstrukturen 296, 296' von der Mittellinie 306 der herzustellenden Verbindungsnaht 294 so klein, vorzugsweise höchstens 0,8 mm, insbesondere höchstens 0,5 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,3 mm, dass die längs der Ränder 304, 304' in die Kontaktbereiche 300 der Bipolarplattenlagen 121, 123 eingeleiteten Klemmkräfte ausreichend hoch sind, um in den ebenen Kontaktbereichen 300 eine stabile Klemmwirkung zwischen den Bipolarplattenlagen 121 und 123 zu erzeugen.
Wie am besten aus dem Längsschnitt der 11 zu ersehen ist, liegen die Klemmwerkzeuge 316, 316', welche im gezeigten Ausführungsbeispiel als sich in einer Längsrichtung erstreckende Klemmstege 318 ausgebildet sind, sowohl an den Abstützflächen 298 der Stützstrukturen 296 als auch, in den Bereichen jeweils zwischen zwei längs der Längsrichtung eines Klemmwerkzeugs 316, 316' aufeinander folgenden Stützstrukturen 296, an jeweils einem ebenen Kontaktbereich 300 der ersten Bipolarplattenlage 121 beziehungsweise der zweiten Bipolarplattenlage 123 an, um an diesen Flächen jeweils Klemmkräfte auf die Bipolarplattenlagen 121, 123 zu übertragen.
Während die Klemmkräfte mittels der Klemmwerkzeuge 316 auf die Bipolarplattenlagen 121, 123 aufgebracht werden, werden die erste Bipolarplattenlage 121 und die zweite Bipolarplattenlage 123 längs der Verbindungsnaht 294 stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise durch Verschweißung, beispielsweise durch Laserschweißung.
Dabei kann ein Laser zur Erzeugung einer Verbindungsnaht 294 mittels Laserverschweißung auf der der zweiten Bipolarplattenlage 123 abgewandten Seite der ersten Bipolarplattenlage 121 oder auf der der ersten Bipolarplattenlage 121 abgewandten Seite der zweiten Bipolarplattenlage 123 angeordnet sein.
Nach der Erzeugung der Verbindungsnaht 294 werden die Klemmwerkzeuge 316, 316' von den Bipolarplattenlagen 121, 123 gelöst.
Eine in den 12 und 13 dargestellte zweite Ausführungsform eines Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden der ersten Bipolarplattenlage 121 und der zweiten Bipolarplattenlage 123 unterscheidet sich von der in den 10 und 11 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass an der zweiten Bipolarplattenlage 123 links von der zu erzeugenden Verbindungsnaht 294 keine Stützstrukturen 296' für ein Klemmwerkzeug 316' vorgesehen sind, sondern stattdessen in diesem Bereich das Klemmwerkzeug 316' an einem ebenen Bereich der zweiten Bipolarplattenlage 123 anliegt.
Wie aus dem Längsschnitt der 13 zu ersehen ist, weist dieses Klemmwerkzeug 316' daher in seiner Längsrichtung überall denselben Querschnitt und somit insgesamt eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt auf.
Im Übrigen stimmt die in den 12 und 13 dargestellte zweite Ausführungsform eines Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden der ersten Bipolarplattenlage 121 und der zweiten Bipolarplattenlage 123 mit der in 10 und 11 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Wie aus den 6 und 9 zu ersehen ist, ist auch die Kathodengas-Abdichtsicke 162 von einer geschlossenen Verbindungsnaht 294 umgeben.
Wie am besten aus 9 zu ersehen ist, sind, ebenso wie bei der vorstehend beschriebenen, die Anodengas-Abdichtsicke 142 umgebenden Verbindungsnaht 294, beiderseits der Verbindungsnaht 294 Stützstrukturen 296 zum Abstützen von Klemmwerkzeugen 316 während des Erzeugens der Verbindungsnaht 294 vorgesehen.
Dabei sind die Stützstrukturen 296, welche auf der der Abdichtsicke 140 (Kathodengas-Abdichtsicke 162) zugewandten Seite der Verbindungsnaht 294 angeordnet sind, als in die zweite Bipolarplattenlage 123 eingeformte napfförmige Stützstrukturen 302 ausgebildet, während die auf der der Abdichtsicke 140 (Kathodengas-Abdichtsicke 162) abgewandten Seite der Verbindungsnaht 294 angeordneten Stützstrukturen 296 als in die zweite Bipolarplattenlage 123 eingeformte stegförmige Stützstrukturen 308 ausgebildet sind, deren Längsrichtung 310 quer zu der Mittellinie 306 der Verbindungsnaht 294 verläuft. Vorzugsweise schließt die Längsrichtung 310 einen Winkel α von mehr als 75°, insbesondere von mehr als 80°, mit der Mittellinie 306 der Verbindungsnaht 294 ein.
Im Übrigen stimmen die Stützstrukturen 296 zu den beiden Seiten der die Kathodengas-Abdichtsicke 162 umgebenden Verbindungsnaht 294 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit den Stützstrukturen 296 zu den beiden Seiten der die Anodengas-Abdichtsicke 142 umgebenden Verbindungsnaht 294 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Das Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden der ersten Bipolarplattenlage 121 und der zweiten Bipolarplattenlage 123 längs der Verbindungsnaht 294, welche die Kathodengas-Abdichtsicke 162 umgibt, stimmt - bis auf die Vertauschung der ersten Bipolarplattenlage 121 und der zweiten Bipolarplattenlage 123 miteinander - mit dem vorstehend unter Bezugnahme auf die 10 bis 13 dargestellten Verfahren überein, auf dessen vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Wie aus den 6 und 7 zu ersehen ist, ist auf der Kathodenseite der Bipolarplatte 100 längs der die Anodengas-Abdichtsicke 142 umgebenden Verbindungsnaht 294, auf der der Abdichtsicke (Anodengas-Abdichtsicke 142) abgewandten Seite, eine Stützstruktur 296 vorgesehen, welche sich parallel zu der Verbindungsnaht 294 erstreckt.
Auch diese stegförmige Stützstruktur 308 kann zum Abstützen eines Klemmwerkzeugs 316 während der Erzeugung der Verbindungsnaht 294 dienen.
Die 14 bis 16 zeigen eine zweite Ausführungsform einer Bipolarplatte 100, bei welcher eine Verbindungsnaht 294, längs welcher eine erste Bipolarplattenlage 121 und eine zweite Bipolarplattenlage 123 stoffschlüssig miteinander verbunden sind, zumindest abschnittsweise parallel zu einer Sicke 320 verläuft, an deren der Verbindungsnaht 294 zugewandter Flanke 322 mehrere Medium-Austrittsöffnungen 324 angeordnet sind.
Auf der der Sicke 320 abgewandten Seite der Verbindungsnaht 294 ist ein Medium-Strömungsfeld 326 angeordnet, welches Stege 328 aufweist, die unter einem Winkel von ungefähr 45° in Bezug auf die Längsrichtung der Verbindungsnaht 294 verlaufen.
Zwischen jeweils zwei Stegen 328 ist jeweils ein Medium-Strömungskanal 330 ausgebildet, in welchen aus den Medium-Austrittsöffnungen 324 der Sicke 320 ausströmendes Medium einströmt.
Dabei kann das in 14 dargestellte Medium-Strömungsfeld 326 beispielsweise das Anodengas-Strömungsfeld 116 der Bipolarplatte 100 sein.
15 zeigt die Rückseite der Bipolarplatte 100 in dem in 14 dargestellten Bereich und somit ein Medium-Strömungsfeld 326', welches einem anderen Medium, das der elektrochemischen Vorrichtung 106 zuzuführen ist, zugeordnet ist.
Wenn 14 das Anodengas-Strömungsfeld 116 zeigt, so zeigt 15 das Kathodengas-Strömungsfeld 118 der Bipolarplatte 100.
Die Anodenseite und die Kathodenseite der Bipolarplatte 100 können aber auch miteinander vertauscht sein.
Wie aus 15 zu ersehen ist, verlaufen die Stege 328 des Medium-Strömungsfelds 326' zumindest abschnittsweise parallel zu der Verbindungsnaht 294.
Die Mediumkanäle 330' des Medium-Strömungsfelds 326' und die Mediumkanäle 330 des Medium-Strömungsfelds 326 kreuzen sich daher, wodurch sich parallel zu der Verbindungsnaht 294 eine Abfolge von lokalen Auflagezentren 332 bildet, an denen die erste Bipolarplattenlage 121 und die zweite Bipolarplattenlage 123 sich aneinander abstützen, so dass an diesen lokalen Auflagezentren 332 bei einer Verpressung der Bipolarplattenlagen 121 und 123 sich ein Kräftegleichgewicht einstellen kann und diesen lokalen Auflagezentren 332 benachbarte Erhebungen in der ersten Bipolarplattenlage 121 oder zweiten Bipolarplattenlage 123 als Stützstrukturen 296 für die Abstützung von Klemmwerkzeugen 316 dienen können (siehe 16).
Auch bei dieser Ausgestaltung der Bipolarplatte 100 kann somit das vorstehend unter Bezugnahme auf die 10 bis 13 beschriebene Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden der ersten Bipolarplattenlage 121 und der zweiten Bipolarplattenlage 123 mittels Klemmwerkzeugen 316 durchgeführt werden, welche sich an Stützstrukturen 296 abstützen, die in die erste Bipolarplattenlage 121 oder in die zweite Bipolarplattenlage 123 eingeformt sind.

Claims

Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden einer ersten Bipolarplattenlage (121) und einer zweiten Bipolarplattenlage (123) einer Bipolarplatte (100) für eine elektrochemische Einheit (102) einer elektrochemischen Vorrichtung (106), die mehrere elektrochemische Einheiten (102) umfasst, welche längs einer Stapelrichtung (104) aufeinander folgen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - Inkontaktbringen der ersten Bipolarplattenlage (121) und der zweiten Bipolarplattenlage (123) an einem oder mehreren Kontaktbereichen (300) der Bipolarplattenlagen (121, 123); - Aufbringen einer Klemmkraft auf die erste Bipolarplattenlage (121) und die zweite Bipolarplattenlage (123) mittels eines oder mehrerer Klemmwerkzeuge (316); und - stoffschlüssiges Verbinden der ersten Bipolarplattenlage (121) und der zweiten Bipolarplattenlage (123) längs einer Verbindungsnaht (294); dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Klemmwerkzeug (316) an einer Abstützfläche (298) mindestens einer Stützstruktur (296) mindestens einer der Bipolarplattenlagen (121, 123) abgestützt wird, wobei die Abstützfläche (298) der Stützstruktur (296) gegenüber der Oberfläche (299) der Bipolarplattenlage (121, 123), an welcher die Stützstruktur (296) ausgebildet ist, in dem Kontaktbereich (300) längs der Stapelrichtung (104) von der jeweils anderen Bipolarplattenlage (123, 121) weg versetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Klemmwerkzeuge (316) sich an mehreren Abstützflächen (298) mehrerer verschiedener Stützstrukturen (296) und an mehreren Kontaktbereichen (300) der Bipolarplattenlagen (121, 123), welche zwischen den Stützstrukturen (296) liegen, abstützt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Klemmwerkzeug (316) sich an mindestens einer ersten Stützstruktur (296) abstützt, welche an der ersten Bipolarplattenlage (121) ausgebildet ist, und mindestens ein zweites Klemmwerkzeug (316') sich an mindestens einer zweiten Stützstruktur (296') abstützt, welche an der zweiten Bipolarplattenlage (123) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stützstruktur (296) einen ersten Rand (304) aufweist, an welchem die erste Stützstruktur (296) in einen ebenen Bereich der ersten Bipolarplattenlage (121) übergeht, und die zweite Stützstruktur (296') einen zweiten Rand (304') aufweist, an welchem die zweite Stützstruktur (296') in einen ebenen Bereich der zweiten Bipolarplattenlage (123) übergeht, wobei der erste Rand (304) und der zweite Rand (304') in einer Projektion auf eine senkrecht zu der Stapelrichtung (104) ausgerichtete Ebene (314) im Wesentlichen miteinander kongruent sind oder um eine Distanz von höchstens 0,5 mm voneinander abweichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stützstruktur (296) an einer Stelle einer der Bipolarplattenlagen (121, 123) ausgebildet ist, welcher ein ebener Bereich der jeweils anderen Bipolarplattenlage (123, 121), welcher nicht mit einer Stützstruktur (296) versehen ist, gegenüberliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche (298) mindestens einer Stützstruktur (296) eine kleinste Ausdehnung (a) senkrecht zu der Stapelrichtung (104) aufweist, welche mindestens 0,1 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche (298) mindestens einer Stützstruktur (296) eine kleinste Ausdehnung (a) senkrecht zur Stapelrichtung (104) aufweist, welche höchstens 3 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche (298) mindestens einer Stützstruktur (296) eine größte Ausdehnung senkrecht zu der Stapelrichtung (104) aufweist, welche größer ist als 3 mm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stützstruktur (296) einen Rand (304, 312) aufweist, an welchem die Stützstruktur (296) in einen ebenen Bereich der Bipolarplattenlage (121, 123), an der die Stützstruktur (296) ausgebildet ist, übergeht, wobei der kleinste Abstand (d) des Randes (304, 312) der Stützstruktur (296) von der Mittellinie (306) der Verbindungsnaht (294) höchstens 0,8 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stützstruktur (296) einen Rand (304) aufweist, an welchem die Stützstruktur (296) in einen ebenen Bereich der Bipolarplattenlage (121, 123), an der die Stützstruktur (296) ausgebildet ist, übergeht, wobei der größte Abstand (D) des Randes (304) der Stützstruktur (296) von der Mittellinie (306) der Verbindungsnaht (294) höchstens 5 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stützstruktur (296) in einer Draufsicht längs der Stapelrichtung (104) kreisförmig oder oval ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stützstruktur (296) stegförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine stegförmige Stützstruktur (308) zumindest abschnittsweise im Wesentlichen parallel zu der Verbindungsnaht (294) verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere stegförmige Stützstrukturen (308) quer zu der Verbindungsnaht (294) verlaufen und in einem Abstand (d') von der Mittellinie (306) der Verbindungsnaht (294) von weniger als 0,8 mm enden.
Bipolarplatte für eine elektrochemische Einheit (102) einer elektrochemischen Vorrichtung (106), die mehrere elektrochemische Einheiten (102) umfasst, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, wobei die Bipolarplatte (100) Folgendes umfasst: - eine erste Bipolarplattenlage (121) und eine zweite Bipolarplattenlage (123), welche in einem Kontaktbereich (300) der Bipolarplattenlagen (121, 123) längs einer Verbindungsnaht (294) stoffschlüssig miteinander verbunden sind; wobei an der ersten Bipolarplattenlage (121) und/oder an der zweiten Bipolarplattenlage (123) jeweils mindestens eine Stützstruktur (296) ausgebildet ist, wobei eine Abstützfläche (298) der mindestens einen Stützstruktur (296) gegenüber der Oberfläche (299) der Bipolarplattenlage (121, 123), an welcher die Stützstruktur (296) ausgebildet ist, in dem Kontaktbereich (300) längs der Stapelrichtung (104) von der jeweils anderen Bipolarplattenlage (123, 121) weg versetzt ist und wobei die mindestens eine Stützstruktur (296) einen Rand (304, 312) aufweist, an welchem die Stützstruktur (296) in einen ebenen Bereich der Bipolarplattenlage (121, 123), an der die Stützstruktur (296) ausgebildet ist, übergeht, wobei der kleinste Abstand (d, d') des Randes (304, 312) der Stützstruktur (296) von der Mittellinie (306) der Verbindungsnaht (294) höchstens 0,8 mm beträgt.
Elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere elektrochemische Einheiten (102), die längs einer Stapelrichtung (104) aufeinander folgen und jeweils eine Bipolarplatte (100) nach Anspruch 15 umfassen.