DE102022203814A1

DE102022203814A1 - Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102022203814A1
Application number: DE102022203814.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Schwendner; Johannes Amon; Thorsten LAUBE; Axel Bormann; Johannes Hagen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-04-19
Filing date: 2022-04-19
Publication date: 2023-10-19

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (10, 51) für eine elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: zur Verfügung stellen von einer ersten Platte (64) und einer zweiten Platte (65), Stapeln der ersten Platte (64) und der zweiten Platte (65) aufeinander, so dass Innenseiten (66) der ersten und zweiten Platte (64, 65) aufeinander liegen und ein Zwischenraum (79) zwischen der ersten und zweiten Platte (64, 65) ausgebildet wird, eine Kontaktkraft mit wenigstens einer mechanischen Niederhaltvorrichtung (90) auf die erste und/oder zweite Platte (64, 65) aufgebracht wird, so dass resultierend aus der aufgebrachten Kontaktkraft die Innenseiten (66) der ersten und zweiten Platte (64. 65) aufgrund der aufgebrachten Kontaktkraft mit einer Zusatzdruckkraft an einem Kontaktbereich (68) aufeinander liegen, Herstellen einer Schweißverbindung (69, 79, 89, 106) zwischen der ersten und der zweiten Platte (64, 65), wobei die Kontaktkraft mit der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung (90) auf die erste und/oder zweite Platte (64, 65) aufgebracht wird mittels eines Unterdruckes in einer Unterdruckkammer (98) und mittels eines Umgebungsdruckes, welche mittelbar und/oder mittelbar auf die wenigstens eine mechanische Niederhaltvorrichtung (90) wirken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden.
Elektrolysezelleneinheiten aus gestapelt angeordneten Elektrolysezellen, analog wie bei Brennstoffzelleneinheiten, dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können. Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleinheiten bilden elektrochemische Zelleneinheiten. Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bilden elektrochemische Zellen.
Für die Herstellung und Montage von elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, ist es notwendig, die Komponenten der Brennstoffzellen fluchtend gestapelt anzuordnen. Die scheibenförmigen Komponenten der Brennstoffzellen sind Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten. Wesentlicher Bestandteil des Stapels sind die elektrisch leitfähigen Bipolarplatten. Diese fungieren als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase sowie von flüssigem oder gasförmigem Kühlmittel durch Strömungsräume, insbesondere Kanäle bzw. Kanalstrukturen. Die Bipolarplatten liegen an Kontaktflächen an den Gasdiffusionsschichten auf.
Die Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei oder drei Platten aus Edelstahl ausgebildet. Bei der Herstellung der Bipolarplatten werden eine erste und zweite Platte aufeinandergelegt und anschließend werden die Platten miteinander verscheißt, so dass Schweißnähte ausgebildet werden. Die Schweißnähte haben nicht nur die Funktion, die Platten stoffschlüssig und elektrisch leitend miteinander zu verbinden, sondern dienen auch zum fluiddichten Abdichten von Kanälen für Kühlmittel, die zwischen je zwei Platten ausgebildet sind. Für je eine Bipolarplatte werden eine entsprechend gewellt geformte erste und zweite Platte aufeinandergelegt und gestapelt, so dass die Innenseiten der ersten und zweiten Platten an streifenförmigen Kontaktbereichen aufeinander liegen und zwischen den Innenseiten ist an den streifenförmigen Kontaktbereichen je ein Spalt mit einer Dicke vorhanden. Für eine zuverlässige und fluiddichte Ausbildung der Schweißnaht ist es notwendig, dass die Dicke der Spalten klein ist, d. h. die Spalten einen technischen Nullspalt kleiner als 20 µm ausbilden. Außerdem sind die ersten und zweiten Platten in einer korrekten lateralen Relativposition als Soll-Position aufeinander zu Stapeln, damit die Schweißverbindungen ausschließlich an den streifenförmigen Kontaktbereichen als Fügebereiche hergestellt werden.
Bei großen Dicken der Spalten können die Schweißnähte nicht mehr ohne Unterbrechungen zwischen den ersten und zweiten Platten hergestellt werden, so dass Fluide horizontal in Richtung der Ebene der ersten und zweiten Platten an Undichtigkeiten zwischen der ersten und zweiten Platte durchtreten würden. Darüber hinaus können durch einen Nahteinfall an einer Schweißnaht Fluide entlang der Schweißnaht vertikal und senkrecht zu der Ebene der ersten und zweiten Platte fließen. Undichtigkeiten der Schweißnähte können erst im späteren Produktionsablauf bei Dichtigkeitsprüfungen an der Brennstoffzelleneinheit nachgewiesen werden, so dass bereits bei der Undichtigkeit nur einer Schweißnaht in einer Brennstoffzelleneinheit mit beispielsweise 500 Brennstoffzellen die gesamte Brennstoffzelleneinheit nicht mehr verwendet werden kann und zu entsorgen ist. Zur Vermeidung von großen Spalten an den Kontaktbereichen, d. h. für die Ausbildung von technischen Nullspalten, werden mit mechanischen Niederhaltvorrichtungen während des Schweißvorganges im Wesentlichen punktuell Kontaktkräfte auf die erste und zweite Platte aufgebracht, so dass resultierend aus den aufgebrachten Kontaktkräften die Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufgrund der aufgebrachten Kontaktkräfte mit einer Zusatzdruckkraft an dem Kontaktbereich aufeinander liegen. Aufgrund der Zusatzdruckkraft wird der Nullspalt an den Kontaktbereichen ausgebildet. Die mechanischen Niederhaltvorrichtungen behindern jedoch die Ausbildung der Schweißnähte mittels Laserschweißen, weil der Laserstrahl von den mechanischen Niederhaltvorrichtungen blockiert ist, so dass während des Laserschweißens ständig Niederhaltvorrichtungen gelöst, d. h. deaktiviert, und andere auf die Platten aufgelegt, d. h. aktiviert, werden müssen. Es somit ein zeitaufwendiger ständiger Wechsel der Niederhaltvorrichtungen, z. B. von Greifzangen, während des Schweißens notwendig. Damit ist ein großer Zeitaufwand für das Ausbilden der Schweißverbindung zwischen der ersten und zweiten Platte aus einer großen Anzahl an Schweißnähten notwendig. Ferner treten hohe Kosten für die Niederhaltvorrichtungen auf. Damit treten bei der industriellen Herstellung der Brennstoffzelleneinheit in großen Stückzahlen aufgrund des hohen Zeitaufwandes hohe Kosten auf.
Die DE 10 2008 024 478 B4 zeigt ein Verfahren zum Erzeugen einer Bipolarplattenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel, das folgende Schritte umfasst: Vorsehen einer ersten Unipolarplatte mit einer ersten Innenfläche; Vorsehen einer zweiten Unipolarplatte mit einer zweiten Innenfläche; Positionieren der ersten Innenfläche benachbart der zweiten Innenfläche; und Verbinden der ersten Unipolarplatte und der zweiten Unipolarplatte mit mehreren punktuellen elektrisch leitenden Knoten, wobei beim Verbinden der ersten Unipolarplatte und der zweiten Unipolarplatte die mehreren punktuellen elektrisch leitenden Knoten in einem gleichmäßigen 2D-Rastermuster über der Fläche eines im Innenraum der Bipolarplattenanordnung ausgebildeten Kühlmittelströmungsfelds verteilt werden und der Schritt des Verbindens eines ersten Umfangsflansches der ersten Unipolarplatte mit einem zweiten Umfangsflansch der zweiten Unipolarplatte mit Laserschweißen ausgeführt wird.
Die DE 10 2021 206 581 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen von einer ersten Platte und einer zweiten Platte, Stapeln der ersten Platte und der zweiten Platte aufeinander, so dass Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufeinander liegen und ein Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte ausgebildet wird, Aufbringen von Kontaktkräften auf die erste und zweite Platte, so dass resultierend aus den aufgebrachten Kontaktkräften die Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufgrund der aufgebrachten Kontaktkräfte mit einer Zusatzdruckkraft an einem Kontaktbereich aufeinander liegen, Herstellen einer Schweißverbindung zwischen der ersten und der zweiten Platte, wobei der Zwischenraum mit einem Unterdruck im Vergleich zu einem Umgebungsdruck beaufschlagt wird, so dass die auf die erste und/oder zweite Platte aufgebrachten Kontaktkräfte von dem Umgebungsdruck auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: zur Verfügung stellen von einer ersten Platte und einer zweiten Platte, Stapeln der ersten Platte und der zweiten Platte aufeinander, so dass Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufeinander liegen und ein Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte ausgebildet wird, eine Kontaktkraft mit wenigstens einer mechanischen Niederhaltvorrichtung auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht wird, so dass resultierend aus der aufgebrachten Kontaktkraft die Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufgrund der aufgebrachten Kontaktkraft mit einer Zusatzdruckkraft an einem Kontaktbereich aufeinander liegen, Herstellen einer Schweißverbindung zwischen der ersten und der zweiten Platte, wobei vorzugsweise die Kontaktkraft mit der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht wird mittels eines Unterdruckes in einer Unterdruckkammer und mittels eines Umgebungsdruckes, welche mittelbar und/oder mittelbar auf die wenigstens eine mechanische Niederhaltvorrichtung wirken. Aufgrund der Geometrie der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung ist während der Herstellung der Schweißverbindung kein Wechseln der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung notwendig, weil die wenigstens eine Niederhaltvorrichtung im Wesentlichen zweidimensional und/oder scheibenförmig ausgebildet ist, so dass die Ausdehnung der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung in Richtung einer von der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung aufgespannten fiktiven Ebene wesentlich größer ist, insbesondere wenigstens um das 2-, 5-, 10-, oder 20-Fache größer ist, als senkrecht zu der fiktiven Ebene. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Niederhaltvorrichtung und/oder eine von der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung aufgespannte fiktive Ebene während der Herstellung der Schweißverbindung im Wesentlichen parallel, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, zu der ersten und/oder zweiten Platte und/oder zu einer fiktiven Ebene aufgespannt von der ersten und/oder zweiten Platte ausgerichtet. Vorzugsweise ist die Kontaktkraft während der Herstellung der Schweißverbindung im Wesentlichen konstant, vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Unterdruck in der Unterdruckkammer um wenigstens 100 mbar, 300 mbar oder 500 mbar kleiner als der Umgebungsdruck.
In einer ergänzenden Variante wird die erste Platte zuerst auf eine Auflageplatte aufgelegt und anschließend wird die zweite Platte auf die erste Platte aufgelegt.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird die wenigstens eine mechanische Niederhaltvorrichtung auf die zweite Platte aufgelegt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die Unterdruckkammer von der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung begrenzt, so dass aufgrund des Unterdruckes in der Unterdruckkammer und des Umgebungsdruckes auf die Niederhaltvorrichtung mittelbar und/oder unmittelbar eine Unterdruckkraft aufgebracht wird und diese Unterdruckraft von der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, als die wenigstens eine Kontaktkraft auf die erste und/oder zweite Platte übertragen wird.
In einer zusätzlichen Variante ist die Unterdruckkammer von einer mit Unterdruck beaufschlagten Oberseite der Auflageplatte und wenigstens einer mit Unterdruck beaufschlagten Unterseite der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung begrenzt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die wenigstens eine mit Unterdruck beaufschlagte Unterseite der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung der ersten und/oder zweiten Platte zugewandt und wenigstens eine zu der wenigstens einen mit Unterdruck beaufschlagten Unterseite der wenigstens Niederhaltvorrichtung gegenüberliegende Oberseite der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung ist der ersten und/oder zweiten Platte abgewandt, so dass auf die wenigstens eine mit Umgebungsdruck beaufschlagte Oberseite der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung von dem Umgebungsdruck eine Primärdruckkraft aufgebracht wird und von dem Unterdruck in der Unterdruckkammer auf die wenigstens eine Unterdruckseite der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung eine Gegendruckkraft aufgebracht wird und von dem Unterdruck in der Unterdruckkammer auf die wenigstens eine Unterdruckseite der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung eine Gegendruckkraft aufgebracht wird und aus der vektoriellen Addition der Primärdruckkraft und der Gegendruckkraft die Unterdruckkraft resultiert. Die Primärdruckkraft und die Gegendruckkraft sind entgegengesetzt ausgerichtet, die Primärdruckkraft ist in Richtung der wenigstens einen Kontaktkraft ausgerichtet, so dass aus der vektoriellen Addition der großen Primärdruckkraft und der Gegendruckkraft eine Unterdruckkontaktkraft resultiert. Die Kontaktkraft ergibt sich aus der vektoriellen Addition der Unterdruckkontaktkraft und einer Zusatzkontaktkraft und vorzugsweise einer elastischen Gegendruckraft aufgrund einer elastischen Verformung wenigstens eines elastischen Elementes, insbesondere wenigstens einer Dichtung, aufgebracht von dem wenigstens einen elastischen Element auf die Niederhaltvorrichtung. Die Zusatzkontaktkraft resultiert insbesondere aus der Schwerkraft der Niederhaltvorrichtung. Vorzugsweise resultiert wenigstens 50%, 70% oder 90% der Kontaktkraft aus der Unterdruckkontaktkraft. Vorzugsweise wird von dem wenigstens einen elastischen Element auf die Niederhaltvorrichtung die elastischen Gegendruckkraft aufgebracht. Vorzugsweise ist die elastische Gegendruckkraft entgegengesetzt zu der Primärdruckkraft ausgerichtet. Das wenigstens eine elastische Element ist insbesondere ein in einer Nut angeordnete Dichtung.
Vorzugsweise ist an der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung wenigstens ein Kontaktelement ausgebildet und das wenigstens eine Kontaktelement, insbesondere ausschließlich, an wenigstens einer Kontaktfläche auf der ersten und/oder zweiten Platte aufliegt, so dass die Kontaktkraft mit dem wenigstens einen Kontaktelement auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht wird. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Kontaktfläche im Wesentlichen linienförmige ausgebildet. Vorzugsweise bedeutet im Wesentlichen linienförmig, dass die Länge wesentlich größer ist als Breite, insbesondere die Länge um das wenigstens 2-, 5-, 10-, 20- oder 30-Fache größer ist als die Breite.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine umlaufende Schweißverbindung zwischen der ersten und zweiten Platte hergestellt zur fluiddichten Abdichtung des Zwischenraumes zwischen der ersten und zweiten Platte, insbesondere während des Unterdruckes in der Unterdruckkammer. Insbesondere ist die umlaufende Schweißverbindung ohne Unterbrechung als geschlossener Ring ausgebildet und/oder wird ohne Unterbrechung als geschlossener Ring ausgebildet.
In einer zusätzlichen Variante wird eine Ergänzungskontaktkraft auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht, so dass resultierend aus der aufgebrachten Ergänzungskontaktkraft die Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufgrund der aufgebrachten Ergänzungskontaktkraft mit einer Ergänzungsdruckkraft an dem Kontaktbereich aufeinander liegen. Die Kontaktkraft und/oder Ergänzungskontaktkraft wird simultan und/oder zeitlich aufeinanderfolgend auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht.
Zweckmäßig wird die Ergänzungskontaktkraft von wenigstens einer mechanischen Ergänzungsniederhaltvorrichtung, insbesondere aufgrund der Schwerkraft der wenigstens einen mechanischen Ergänzungsniederhaltvorrichtung, aufgebracht. Die Ergänzungskontaktkraft wird vorzugsweise großflächig auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht, insbesondere auf einer Fläche, welche wenigstens 50% oder 70% der Fläche der Außenseite der ersten und/oder zweiten Platte entspricht.
Insbesondere wird der Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte mit einem Unterdruck im Vergleich zu einem Umgebungsdruck beaufschlagt, so dass die auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht Ergänzungskontaktkraft von dem Umgebungsdruck auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Ergänzungskontaktkraft während der Herstellung wenigstens einer Schweißverbindung an einem Innenbereich der ersten und zweiten Platte aufgebracht und der Innenbereich der ersten und zweiten Platte ein Bereich der ersten und zweiten Platte ist, welcher von der umlaufenden Schweißverbindung umrahmt ist.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten der elektrochemischen Zellen, nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, Stapeln der schichtförmigen Komponenten zu elektrochemischen Zellen und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit, wobei die Bipolarplatten zur Verfügung gestellt werden indem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei die elektrochemische Zelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt ist und/oder die erste und/oder zweite Platte keine punktuellen Spannmarkierungen aufweisen und/oder die erste und/oder zweite Platte wenigstens eine im Wesentlichen linienförmige Spannmarkierung im Bereich und/oder parallel zu der umlaufenden Schweißverbindung aufweist. Vorzugsweise ist die wenigstens eine im Wesentlichen linienförmige Spannmarkierung im Wesentlichen parallel zu der umlaufenden Schweißverbindung ausgerichtet und/oder in einem im Wesentlichen konstanten Abstand von weniger als 10 cm, 5 cm, 3 cm, 2 cm oder 1 cm, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, zu der umlaufenden Schweißverbindung ausgerichtet. Im Stand der Technik werden die Kontaktkräfte im Wesentlichen punktuell auf die Außenseiten der ersten und zweiten Platten mit Niederhaltvorrichtungen als Greifzangen aufgebracht, sodass resultierend hieraus im Wesentlichen punktuelle Spannmarkierungen ausgebildet werden. Diese Spannmarkierungen sind beispielsweise optisch sichtbare Ritzen, Rillen, Schleifspuren oder Einkerbungen und/oder mit Methoden der Werkstoffanalyse erfassbare Veränderungen der Struktur an der Oberfläche und/oder im Inneren der ersten und/oder zweiten Platte, insbesondere eine Veränderung der Gitterstruktur der Atome und/oder Moleküle.
In einer weiteren Variante ist die Primärdruckkraft größer, insbesondere wenigstens um das 2-Fache oder 3-Fache größer, als die Gegendruckkraft.
In einer zusätzlichen Ausführungsform entspricht die Länge der Kontaktfläche des Kontaktelementes, insbesondere des umlaufenden Kontaktvorsprunges, oder die Summe der Längen der Kontaktflächen der Kontaktelemente, insbesondere der umlaufenden Kontaktvorsprünge, auf der ersten und/oder zweiten Platte im Wesentlichen der Länge der umlaufenden Schweißverbindung. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%. Die wenigstens eine Kontaktfläche erzeugt an der ersten und/oder zweiten Platte die im Wesentlichen wenigstens eine linienförmige Spannmarkierung.
In einer zusätzlichen Ausführungsform entspricht die Länge des Kontaktelementes, insbesondere des umlaufenden Kontaktvorsprunges, oder die Summe der Längen der Kontaktelemente, insbesondere der umlaufenden Kontaktvorsprünge, im Wesentlichen der Länge der umlaufenden Schweißverbindung. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist der Unterdruck in dem Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte um wenigstens 100 mbar, 300 mbar oder 500 mbar kleiner als der Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck beträgt im Allgemeinen ungefähr 1000 mbar, sodass bei einem Unterdruck in dem Zwischenraum von 300 mbar eine Druckdifferenz zwischen dem Zwischenraum und der Umgebung von 700 mbar auftritt. Auf die Außenseiten der ersten und zweiten Platte wirkt somit der Umgebungsdruck von 1000 mbar und auf die Innenseiten der ersten und zweiten Platte wirkt damit der Unterdruck von 300 mbar, sodass aufgrund dieser Druckdifferenz die Druckkräfte an den Außenseiten größer sind als an den Innenseiten und damit als resultierende Gesamtkraft hieraus die erste und zweite Platte mit der Ergänzungskontaktkraft aufeinanderliegen ohne Berücksichtigung der Schwerkraft.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung weist die Auflageplatte eine elastische Dichtschicht an der Oberseite auf, so dass die erste Platte auf die elastische Dichtschicht der Auflageplatte aufgelegt wird. Zweckmäßig beträgt der Elastizitätsmodul der elastischen Dichtschicht zwischen 0,1 und 10 GPa. Vorzugsweise ist die Dichtschicht stoffschlüssig, insbesondere mittels Spritzgießen und/oder 3D-Drucken, mit der übrigen Auflageplatte verbunden. Vorzugsweise ist die übrige Auflageplatte aus Metall, insbesondere Stahl, ausgebildet und/oder mit einem Elastizitätsmodul größer als 100 GPa. Vorzugsweise ist die Auflageplatte einteilig oder mehrteilig ausgebildet in einer Richtung parallel und/oder senkrecht zu einer Richtung von einer fiktiven Ebene aufgespannt von der Auflageplatte.
In einer weiteren Ausführungsform wird zwischen der ersten Platte und der Auflageplatte ein Prozesszwischenraum ausgebildet und der Prozesszwischenraum wird mit einem Unterdruck im Vergleich zu einem Umgebungsdruck beaufschlagt, so dass die erste Platte resultierend aus dem Unterdruck mit einer Prozesszusatzdruckkraft auf der Auflageplatte aufliegt, insbesondere ohne Berücksichtigung der Schwerkraft, zur Fixierung der ersten und zweiten Platte auf der Auflageplatte gegen Verrutschen. Vorzugsweise ist der Prozesszwischenraum von mehreren Prozesszwischenteilräumen gebildet, die vorzugsweise fluidleitend miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise wird der Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte bezüglich der Umgebung mit wenigstens einem Dichtmittel abgedichtet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird der Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte bezüglich der Umgebung mit wenigstens einem Dichtmittel abgedichtet nach dem Auflegen der zweiten Platte auf die erste Platte.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird ein äußerer Rand der aufeinander liegenden ersten und zweiten Platte mit einem Dichtrahmen abgedichtet. Zweckmäßig bildet der Dichtrahmen ein Dichtmittel.
Zweckmäßig sind in der ersten und zweiten Platte fluchtende Fluidöffnungen ausgebildet und die Fluidverbindungen zwischen den Fluidöffnungen und dem Zwischenraum werden mit Prozessdichtungen abgedichtet. Zweckmäßig bilden die Prozessdichtungen ein Dichtmittel.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte Kanäle für Kühlmittel. Vorzugsweise umfasst der Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte technische Nullspalte an dem Kontaktbereich.
In einer ergänzenden Variante wird die Schweißverbindung mittels Laserschweißen hergestellt.
In einer weiteren Ausführungsform wird während der Herstellung der Schweißverbindung, insbesondere kontinuierlich, der Zwischenraum und/oder die Unterdruckkammer mit dem Unterdruck im Vergleich zu dem Umgebungsdruck beaufschlagt. Vorzugsweise wird der Unterdruck in dem Zwischenraum und/oder der Unterdruckkammer kontinuierlich und im Wesentlichen konstant während der Herstellung der gesamten Schweißverbindung und/oder von sämtliche Schweißverbindungen aufrechterhalten. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30 %, 20 % oder 10 %.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird während der Herstellung der Schweißverbindung, insbesondere kontinuierlich, der Prozesszwischenraum mit einem Unterdruck im Vergleich zu einem Umgebungsdruck beaufschlagt. Vorzugsweise wird der Unterdruck in dem Prozesszwischenraum kontinuierlich und im Wesentlichen konstant während der Herstellung der gesamten Schweißverbindung und/oder von sämtlichen Schweißverbindungen aufrechterhalten. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30 %, 20 % oder 10 %.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Dichtmittel keine Schweißverbindung und/oder keine Schweißnaht.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird das Dichtmittel, insbesondere vollständig, nach der Herstellung der Schweißverbindung von der Bipolarplatte entfernt, so dass das Dichtmittel keinen Kontakt zu der Bipolarplatte aufweist.
In einer weiteren Variante ist während des Vorhaltens des Unterdruckes in dem Zwischenraum der Zwischenraum mit einem Schutzgas, insbesondere Stickstoff oder ein Edelgas, befüllt. Der Unterdruck in dem Zwischenraum wird hergestellt indem mit einer Vakuumpumpe aus einem Behälter mit Schutzgas das Schutzgas durch den Zwischenraum gesaugt wird, anschließend der Unterdruck in dem Zwischenraum hergestellt wird und optional anschließend während des Vorhaltens des Unterdruckes in dem Zwischenraum Schutzgas durch den Zwischenraum geleitet wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird während des Auftreffens des Laserstrahls auf einen Brennfleck an der Außenseite der ersten Platte zu dem Brennfleck ein Schutzgas geleitet, insbesondere mittels einer beweglichen Düse.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung liegt nach dem Stapeln der ersten und zweiten Platte die erste Platte mit einem Teilbereich der Innenseite der ersten Platte auf einem Teilbereich der Innenseite der zweiten Platte an dem Kontaktbereich auf und außerhalb des Kontaktbereiches ist zwischen den Innenseiten der ersten und zweiten Platte wenigstens ein Kanal, vorzugsweise mehrere Kanäle, für Kühlmittel ausgebildet aufgrund des Abstandes zwischen den Innenseiten der ersten und zweiten Platte in einer Richtung senkrecht zu einer von der Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebene. Vorzugsweise sind die fiktiven Ebenen, aufgespannt von der ersten und zweiten Platte, nach dem Stapeln im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, parallel zueinander ausgerichtet.
Vorzugsweise wird von der wenigstens einen mit Laserstrahlschweißen hergestellte Schweißnaht, insbesondere umlaufende Schweißnaht, eine Dichtung zur Abdichtung des wenigstens einen Kanales für Kühlmittel zwischen der ersten und zweiten Platte nach außen ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung werden wenigstens 90% der Bipolarplatten, insbesondere sämtliche Bipolarplatten, der Brennstoffzelleneinheit zur Verfügung gestellt indem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
In einer ergänzenden Variante werden die erste und zweite Platte wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Edelstahl und/oder Aluminium, und/oder Kunststoff und/oder Kompositwerkstoff zur Verfügung gestellt.
In einer ergänzenden Variante werden die erste und zweite Platte wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, wellenförmig und/oder scheibenförmig und/oder schichtförmig zur Verfügung gestellt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Bipolarplatte aus zwei oder drei Platten ausgebildet und die zwei oder drei Platten werden mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren mit der Schweißverbindung miteinander verbunden.
In einer ergänzenden Variante wird die wenigstens eine Schweißverbindung der Bipolarplatte, insbesondere ausschließlich, an dem Kontaktbereich hergestellt.
In einer weiteren Ausgestaltung liegt die Dicke der ersten und zweiten Platte zwischen 5 µm und 1000 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 300 µm.
Vorzugsweise sind die Membranelektrodenanordnungen von je einer Protonenaustauschermembran, je einer Anode und je einer Kathode gebildet, insbesondere als CCM (catalyst coated membran) mit Katalysatormaterial in den Anoden und Kathoden.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit wenigstens 50, 100, 200 oder 400 gestapelte elektrochemische Zellen.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
In einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.
In einer weiteren Variante sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit Brennstoffzellen.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Stapel ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit ausgebildet ist.
Erfindungsgemäßes Elektrolysesystem und/oder Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolysezelleneinheit als Elektrolysezellenstapel mit Elektrolysezellen, vorzugsweise einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, einen Speicherbehälter für flüssigen Elektrolyten, eine Pumpe zur Förderung des flüssigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Elektrolysezelleneinheit und/oder Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit als reversible Brennstoffzelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder die Elektrolysezelleneinheit, wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.
Insbesondere umfasst die elektrochemischen Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit, wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
7 einen vergrößerten Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle und Elektrolysezelle im Bereich einer Schweißnaht,
8 einen Längsschnitt durch eine Bipolarplatte umfassend zwei Platten, die mit einer Schweißnaht als Durchschweißung miteinander verbunden sind sowie ferner eine Einschweißung ausgebildet ist,
9 einen Längsschnitt durch eine Bipolarplatte umfassend zwei Platten, die mit einer Schweißnaht als Einschweißung miteinander verbunden sind während des Schweißvorganges mit einem Laserstrahl und
10 einen Längsschnitt durch zwei Platten während des Aufliegens auf einer Auflagerplatte während des Schweißvorganges mit einer mechanischen Niederhaltvorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
11 einen Längsschnitt durch die zwei Platten während des Aufliegens auf der Auflagerplatte während des Schweißvorganges mit der mechanischen Niederhaltvorrichtung und einer mechanischen Ergänzungsniederhaltvorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, 12 eine Draufsicht auf die Auflagerplatte,
13 eine Draufsicht auf die mechanische Niederhaltvorrichtung und die mechanische Ergänzungsniederhaltvorrichtung in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 11,
14 einen Schnitt A-A durch die Auflageplatte, die mechanische Niederhaltvorrichtung und die mechanische Ergänzungsniederhaltvorrichtung gemäß 13

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 H₂O
Anode: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 7, 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 (2 und 3) wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 bzw. Elektroden 7, 8 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier als Träger- und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe und/oder Graphit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31, 32 bzw. Kanäle 12, 13 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel als Stack der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 59 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtungen 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spanplatten 34 verbunden.
In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47. Die Bipolarplatte 10 weist eine Länge 61 und eine Breite 62 auf. Der Kanal 14 bzw. die Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 weisen eine Länge 63 auf und die Breite der Kanalstruktur 29 entspricht im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 20% oder 10%, der Breite 62 der Bipolarplatte 10.
Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte 51 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte 51 subsumiert und umgekehrt. Die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 sind auch an der elektrochemische Zelle 52 ausgebildet, jedoch mit einer anderen Funktion.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinheit 1 als eine alkalische Brennstoffzelleneinheit 1 ausgebildet. Als mobiler Elektrolyt wird Kalilauge als Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die Brennstoffzellen 2 sind gestapelt angeordnet. Dabei kann ein monopolarer Zellaufbau oder ein bipolarer Zellaufbau ausgebildet sein. Die Kaliumhydroxid-Lösung zirkuliert zwischen einer Anode und Kathode und transportiert Reaktionswasser, Wärme und Verunreinigungen (Carbonate, Gelöstgase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 49, betrieben werden.
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H₂SO₄) = 1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H₃O⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:

Kathode: 4 H₃O⁺ + 4 e^- → 2 H₂ + 4 H₂O
Anode: 6 H₂O → O₂ + 4 H₃O⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H₂ als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H₂ von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O₂ als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O₂ wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Das 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21, sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1, welche auch als Elektrolysezelleneinheit 49 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 8 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10. Die Elektrolysezelleneinheit 49 mit dem Speicherbehälter 54, der Pumpe 56 und den Abscheidern 57, 58 und vorzugsweise dem 3-Wege-Ventil 55 bildet ein elektrochemisches Zellensystem 60.
An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Die Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten.
Die Bipolarplatten 10 werden mit Laserstahlschweißen aus der ersten Platte 64 und der zweite Platte 65 als Monopolarplatten 64, 65 hergestellt. Hierzu wird für je eine Bipolarplatte 10 eine entsprechend gewellt geformte erste und zweite Platte 64, 65 aufeinandergelegt und gestapelt, so dass die Innenseiten 66 der ersten und zweiten Platten 64, 65 an streifenförmigen Kontaktbereichen 68 als Fügestoß aufeinander liegen. Die fiktiven Ebenen 59, aufgespannt von der scheibenförmigen ersten und zweiten Platte 64, 65, sind anschließend im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Die ersten und zweiten Platten 64, 65 aus Edelstahl weisen gegenüberliegend zu den Innenseiten 66 je eine Außenseite 67 auf. Nach dem Anordnen der zwei Platten 64, 65 als Ausgangsplatten 64, 65 für die Herstellung der Bipolarplatten 10 bilden sich außerhalb der streifenförmigen Kontaktbereiche 68 zwischen den Innenseiten 66 der ersten und zweiten Platte 64, 65 streifenförmige Kanäle 14 für Kühlmittel aus, welche einen Zwischenraum 79 ausbilden. Die Geometrie der zur Verfügung gestellten ersten und zweiten Platte 64, 65 mit einer großen Anzahl an Wellen bedingt, dass eine große Anzahl an Kanälen 14 zwischen den Kontaktbereichen 68 ausgebildet sind.
Die erste und zweite Platte 64, 65 als Monopolarplatten 64, 65 werden mit Laserstrahlschweißen zur Bipolarplatte 10 stoffschlüssig miteinander verbunden, so dass eine Schweißverbindung 69 als große Anzahl an Schweißnähten 70 zwischen der ersten und zweiten Platte 64, 65 hergestellt werden. Ein Lasersystem umfasst einen Laser 73, der einen Laserstrahl 74 emittiert (9). Der Laser 73 emittiert einen Laserstrahl 74 als gebündelte elektromagnetische Welle. Der Laserstrahl 74 wird mit einem optischen System 75 auf die Außenseite 67 der zweite Platte 65 emittiert, so dass der Laserstrahl 74 an einem Brennfleck mit einem Durchmesser von ungefähr 70 µm auf der Außenseite 67 der zweiten Platte 65 auftrifft. Eine nicht dargestellte Bewegungseinheit bewegt entweder den Laserstrahl 74 über die Außenseite 67 der zweiten Platte 65 und/oder die erste und zweiten Platte 64, 65 unter dem Laserstrahl 74, so dass sich eine relative Vorschubrichtung 78 des Laserstrahles 74 zu der ersten und zweiten Platte 64, 65 ergibt. Der Laserstrahl 74 wird von der Außenseite 67 der zweiten Platte 65 absorbiert, so dass während des Schweißvorganges die Temperatur des Edelstahls der ersten und zweiten Platte 64, 65 über der Schmelztemperatur ansteigt und sich dadurch eine flüssige Schmelze 77 während des Schweißvorganges bildet, die anschließend wieder abkühlt und erstarrt zur Schweißverbindung 69 als der Schweißnaht 70. Ferner bildet sich optional ein Keyhole 76 als Dampfkapillare in der flüssigen Schmelze 76 in der Strahlrichtung des Laserstrahls 74 aus, der als ein schlauchförmiger Hohlraum aus Metalldampf und/oder teilionisierten Metalldampf ausgebildet ist jeweils unter dem Laserstrahl 74, der relativ zu der ersten und zweiten Platte 64, 65 in Vorschubrichtung 78 bewegt wird. Je nach der Tiefe des optionalen Keyholes 76 und der flüssigen Schmelze 77 bildet sich eine Durchschweißung 71 oder eine Einschweißung 72 (8) der Schweißnaht 70 aus. Die Breite B (8) der Schweißnaht 70 entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser des Laserstrahls 74 oder des Brennfleckes.
Die Schweißnaht 70 wird am Rand der Bipolarplatte 10 bzw. der ersten und zweiten Platte 64, 65 in der Nähe der Längsseiten und Breitseiten vollständig durchgehend (als durchgehende Linie in 6 dargestellt) als umlaufende Schweißverbindung 89 ausgeführt, damit der Zwischenraum 79 zwischen der ersten und zweiten Platte 64, 65 für das Kühlmittel nach außen abgedichtet ist. Eine weitere, in 6 strichliert dargestellte Schweißverbindung 69, 70 ist unterbrochen ausgebildet und für Kühlmittel durchlässig, damit das Kühlmittel von dem Zufuhrkanal 46 für Kühlmittel in die Kanalstruktur 29 eingeleitet werden kann und von der Kanalstruktur 29 in den Abfuhrkanal 47 für Kühlmittel ausgeleitet werden kann. Hierzu sind in der Bipolarplatte 10 nicht dargestellte Strukturen zur Leitung des Kühlmittels von dem Zufuhrkanal 46 für Kühlmittel in die Kanalstruktur 29 und von der Kanalstruktur 29 in den Abfuhrkanal 47 für Kühlmittel ausgebildet. Zusätzlich sind weitere, abschnittsweise ausgebildete Zusatzschweißverbindungen 106 (als durchgehende Gerade in 6 dargestellt) an einem Innenbereich 105 vorhanden, die keine Dichtfunktion für das Kühlmittel in die Umgebung bzw. nach außen aufweisen und lediglich der stoffschlüssigen Verbindung der zwei Platten 64, 65 dienen und optional zusätzlich zur Abdichtung zwischen zwei Kanälen 14 für Kühlmittel fungieren. Ein Innenbereich 105 ist von der umlaufenden Schweißverbindung 89 umrahmt.
Für die Herstellung der Bipolarplatte 10 erfolgt zunächst ein zur Verfügung stellen der ersten Platte 64 und der zweiten Platte 65 aus Edelstahl. Die erste und zweite Platte 64, 65 weist eine Dicke von ungefähr 70 µm auf. Eine horizontale und im Wesentlichen ebene Auflageplatte 80 aus Stahl weist an der Oberseite 99 eine optionale elastische Dichtschicht 81 (nur in 10) aus Gummi auf. In dieser elastischen Dichtschicht 81 sind mehrere Aussparungen als Prozesszwischenraum 82 ausgebildet, welche nach dem Auflegen der ersten Platte 64 auf die elastische Dichtschicht 81 jeweils Prozesszwischenteilräume 83 ausbilden. Anstelle der Dichtschicht 81 als oberstes Schicht 81 kann eine Schicht 81 aus Metall ausgebildet sein, die einteilig oder mehrteilig mit der übrigen Auflageplatte 80 ausgebildet ist. Nach dem Auflegen der ersten Platte 64 auf die elastische Dichtschicht 81 der Auflageplatte 80 wird mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe in den Prozesszwischenteilräumen 83 (10) ein Vakuum erzeugt. Hierzu ist in der Auflageplatte 80 ein Saugkanal 88 ausgebildet. Der Saugkanal 88 ist fluidleitend mit sämtlichen Prozesszwischenteilräumen 83 verbunden und die Prozesszwischenteilräume 83 bilden insgesamt den Prozesszwischenraum 82. Der Unterdruck in dem Prozesszwischenraum 82 einerseits zwischen der Außenseite 67 der ersten Platte 64 und der Oberseite 99 der Auflageplatte 80 ist gering und liegt im Bereich von etwa 800 mbar, d. h. die Differenz zwischen dem Unterdruck und dem Umgebungsdruck beträgt ungefähr 200 mbar. Aufgrund dieses Unterdruckes in dem Prozesszwischenraum 82 und dem Umgebungsdruck liegt die erste Platte 64 mit einer Prozesszusatzdruckkraft auf der Oberseite der Auflageplatte 80 auf. Die Außenseite 67 der ersten Platte 64 liegt somit mit einer Druckkraft gebildet aus der Summe aus der Prozesszusatzdruckkraft und der Schwerkraft der ersten Platte 64 auf der Auflageplatte 80 auf. Dadurch wird eine zuverlässige formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der unteren Außenseite 67 der ersten Platte 64 und der Oberseite der Auflageplatte 80 hergestellt, sodass dadurch die erste Platte 64 exakt bezüglich der Auflageplatte 80 unverschieblich positioniert ist (kein Verrutschen), sodass damit die Schweißnähte 80 exakt hergestellt werden können an den korrekten Positionen.
Anschließend wird die zweite Platte 65 auf die erste Platte 64 exakt positioniert aufgelegt. Darauffolgend wird an den äußeren Rand 87 der beiden aufeinanderliegenden Platten 64,65 ein Dichtmittel 84 angeordnet, nämlich ein mehrteiliger Dichtrahmen 85 mit einem innenseitigen Dichtring aus Gummi und einem außenseitigen Metallrahmen (nicht dargestellt). Ferner werden sämtliche Fluidöffnungen 41, abgesehen von dem Abführkanal 47 für Kühlmittel, mit einer Prozessdichtung 86 als einem weiteren Dichtmittel 84 abgedichtet. Die Prozessdichtungen 86 sind in 6 strichliert dargestellt. Anschließend wird an dem Abführkanal 47 für Kühlmittel, der von zwei fluchtenden Fluidöffnungen 41 der erste und zweite Platte 64, 65 an der Abdichtplatte 39 gebildet ist, mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe ein großer Unterdruck erzeugt. Hierzu ist die Vakuumpumpe mit einem Unterdruckschlauch (nicht dargestellt) verbunden und der Unterdruckschlauch wird in fluidleitender Verbindung mit der Oberseite als Außenseite 67 der zweiten Platte 65 gebracht. Die Außenseite 67 als die Unterseite der ersten Platte 64 ist fluiddicht mit einem Abdichtmittel verschlossen. Da der äußere Rand 87 und die übrigen Fluidöffnungen 41 abgedichtet sind, wird damit in dem Zwischenraum 79, gebildet im Wesentlichen von den Kanälen 14 für Kühlmittel, ein starker Unterdruck von ungefähr 400 mbar erzeugt. Die Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem Unterdruck in dem Zwischenraum 79 beträgt damit ungefähr 600 mbar. Der Umgebungsdruck der Luft bringt damit auf die Außenseite 67 der zweiten Platte 65 eine im Wesentlichen konstante Kontaktkraft als Ergänzungskontaktkraft auf. Diese Kontaktkraft als Ergänzungskontaktkraft ist dabei pro Flächeneinheit im Wesentlichen konstant, sodass dadurch in vorteilhafter Weise die Außenseite 67 der zweiten Platte 65 mit einem konstanten Druck beaufschlagt ist. Die Kontaktkräfte sind somit Druckkräfte. An dem Kontaktbereich 68 liegen damit die Innenseiten 66 der erste und zweiten Platte 64, 65 mit Ergänzungskontaktkräften aufeinander und aufgrund der Größe dieser Ergänzungskontaktkräfte tritt an den Kontaktbereichen 68 im Wesentlichen ein technischer Nullspalt von kleiner als 20 µm auf. Abweichend hiervon kann auf den Prozesszwischenraum 82 (11) verzichtet werden, so dass auf die gesamte Außenseite 67 der ersten Platte 64 der Umgebungsdruck wirkt.
Optional wird vor der Erzeugung des Unterdruckes in dem Zwischenraum 79 der Zwischenraum 79 mit einem Schutzgas, insbesondere Stickstoff oder einem Edelgas, geflutet und vorzugsweise wird auch während der Erzeugung und dem Vorhalten des Unterdruckes ständig das Schutzgas durch den Zwischenraum 79 geleitet. Dies wird dadurch ausgeführt, dass beispielsweise während des Absaugens mit der Vakuumpumpe an dem Abführkanal 47 für Kühlmittel zusätzlich geringfügig Schutzgas durch den Zuführkanal 46 eingeleitet wird. Da das Abdichten des äußeren Randes 87 und der übrigen Fluidöffnungen 41 technisch nicht vollständig dicht realisierbar ist, ist es notwendig, während des Vorhaltens des Unterdruckes ständig Schutzgas in dem Zwischenraum 79 einzuleiten, damit während des Schweißens ständig Schutzgas in dem Zwischenraum 79 vorhanden ist. Darüber hinaus wird außenseitig an dem Brennfleck auf der Außenseite 67 der zweiten Platte 65, d. h. der Stelle des Auftreffens des Laserstrahls 74, ständig Schutzgas zugeführt. Damit kann die Schweißnaht 70 vollständig mit einer Umspülung mit Schutzgas hergestellt werden.
In dem in 10 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel liegt auf der Außenseite 67 der zweiten Platte 65 eine mechanische Niederhaltvorrichtung 90 auf. Die mechanische Niederhaltvorrichtung 90 ist ringförmig ausgebildet. Im Bereich einer Innenseite der ringförmigen und plattenförmigen Niederhaltvorrichtung 90 mit einer im Wesentlichen rechteckförmige ausgebildeten Außenseite ist ein Kontaktelement 92 als ein umlaufender Kontaktvorsprung 93 ausgebildet (10 und 14). Die Innenseite der Niederhaltvorrichtung 90 entspricht in dem geometrischen Verlauf im Wesentlichen dem des Kontaktelementes 92 als dem umlaufenden Kontaktvorsprung 93. Die Geometrie des umlaufenden Kontaktvorsprunges 90 entspricht wiederum im Wesentlichen der Geometrie der umlaufenden Schweißverbindung 89. An der Oberseite 101 der Niederhaltvorrichtung 90 sind oberseitig 2 Greifelemente 91 ausgebildet mit denen die mechanische Niederhaltvorrichtung 90 manuell oder beispielsweise mit einem Roboter angehoben oder aufgelegt werden kann zum Auflegen oder Abheben auf oder von der Außenseite 67 der zweiten Platte 65.
An der Auflageplatte 80 ist ein Auflageelement 94 als ein umlaufender Auflagevorsprung 95 (10, 12 und 14) ausgebildet. Die Geometrie des Auflageelementes 94 entspricht im Wesentlichen der Geometrie des Kontaktelementes 92 an der mechanischen Niederhaltvorrichtung 90, sodass gemäß in der Darstellung in 14 die erste und zweite Platte 64, 65 in vertikaler Richtung zwischen dem Kontaktelement 92 der Niederhaltvorrichtung 90 und dem Auflageelement 94 der Auflageplatte 80 angeordnet ist. In der Auflageplatte 80 ist eine erste Nut 96 a und eine zweite Nut 96b ausgebildet und zwischen der ersten Nut 96a und der zweiten Nut 96 b ist der Saugkanal 88 ausgebildet als zusätzlicher Saugkanal 88. In der ersten Nut 96 a und der zweiten Nut 96 b ist jeweils eine elastische Dichtung 97 angeordnet. Dabei ist der Durchmesser der elastischen Dichtung 97 größer als die Tiefe der ersten und zweiten Nut 96 a und 96 b. Nach dem Auflegen der ersten und zweiten Platte 64, 65 auf die Auflageplatte 80 wird die mechanische Niederhaltvorrichtung 90 auf die Außenseite 67 der zweiten Platte 65 aufgelegt, sodass aufgrund der Geometrie der Niederhaltvorrichtung 90 diese auf einen außenseitigen Randbereich der Außenseite 67 der zweiten Platte 65 aufliegt. Zwischen der Unterseite 100 der Niederhaltvorrichtung 90 und der Oberseite 99 der Auflageplatte 80 zwischen der ersten Nut 96 a und der zweite Nut 96 b bildet sich eine Unterdruckkammer 98 aus. Mit einer Vakuumpumpe wird mittels des Saugkanal 88 die Unterdruckkammer 98 evakuiert, d. h. mit einem unter Druck beaufschlagt, sodass die Niederhaltvorrichtung 90 aufgrund des Unterdruckes in der Unterdruckkammer 98 und des größeren Umgebungsdruckes an der Oberseite 101 der Niederhaltvorrichtung 90 in Richtung zu der Auflageplatte 80 in vertikaler Richtung nach unten bewegt wird während einer elastischen Verformung der Dichtungen 97 in der ersten und zweiten Nut 96 a, 96 b. Aufgrund dieser Bewegung der Niederhaltvorrichtung 90 in vertikaler Richtung nach unten wird der umlaufende Kontaktvorsprung 93 mit einer Kontaktkraft auf die Außenseite 67 der zweiten Platte aufgedrückt, sodass die erste und zweite Platte 64, 65 an dem umlaufenden Kontaktbereich 68 zwischen dem Kontaktelement 92 der Niederhaltvorrichtung 90 und dem Auflageelement 94 der Auflageplatte 80 mit einer Zusatzdruckkraft aufeinanderliegen. Diese Zusatzdruckkraft wird somit mittels des Unterdruckes in der Unterdruckkammer 98 und dem Umgebungsdruck auf den umlaufenden Kontaktbereich 68 aufgebracht.
Anschließend wird mit dem Laser 73 sowie dem Laserstrahl 74 die Schweißverbindung 69 als die umlaufende Schweißverbindung 89 an dem Kontaktbereich 68 in der Nähe des Kontaktelementes 92 der Niederhaltvorrichtung 90 und des Auflageelementes 94 der Auflageplatte 80 hergestellt. Nach der Herstellung der umlaufenden Schweißverbindung 89 werden die weiteren Zusatzschweißverbindungen 106 an dem Innenbereich 105 zwischen den Kanälen 14 für Kühlmittel hergestellt. Die Kontaktbereiche 68 zwischen den Kanälen 14 für Kühlmittel liegen ebenfalls mit der Ergänzungsdruckkraft aufeinander auf aufgrund des Unterdruckes in dem Zwischenraum 79 zwischen der ersten Platte 64 und der zweiten Platte 65.
In 11, 12, 13 und 14 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für die Herstellung der Schweißverbindung 69 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 10 beschrieben. Die Ergänzungsdruckkraft wird nicht mittels eines Unterdruckes in dem Zwischenraum 79 zwischen der ersten Platte 64 und der zweiten Platte 65 aufgebracht, sondern mittels einer mechanischen Ergänzungsniederhaltvorrichtung 102 (11 und 13). Aus diesem Grund sind an dem äußeren Rand 87 auch keine Dichtmittel 64 als der Dichtrahmen 85 notwendig. Außerdem ist kein Prozesszwischenraum 82 und kein Saugkanal 88 für den Prozesszwischenraum 82 vorhanden. Die mechanische Ergänzungsniederhaltvorrichtung 102 weist ebenfalls 2 Greifelemente 103 auf zum Anheben und Niederlegen der Ergänzungsniederhaltvorrichtung 102 auf die zweite Platte 65 (13). Die Ergänzungsniederhaltvorrichtung 102 weist 3 gerade, im Wesentlichen rechteckförmige und in vertikaler Richtung durchgehende Aussparungen 107 auf. Nach dem Auflegen der mechanischen Niederhaltvorrichtung 90 wird die Ergänzungsniederhaltvorrichtung 102 auf die zweite Platte 65 aufgelegt, sodass sich ein umlaufender Spalt 104 zwischen der umlaufenden Innenseite am Rand der Niederhaltvorrichtung 90 und der umlaufenden Außenseite am Rand der Ergänzungsniederhaltvorrichtung 102 ergibt. Aufgrund der Geometrie der Niederhaltvorrichtung 90 und der Ergänzungsniederhaltvorrichtung 102 weist der Spalt 104 eine im Wesentlichen konstante Breite auf. Die Geometrie des Spaltes 104 entspricht der Geometrie der umlaufenden Schweißverbindung 89. Nach dem Aufbringen des Unterdruckes in die Unterdruckkammer 90 wird mittels des Laserstrahls 74 die umlaufende Schweißverbindung 89 hergestellt, weil der Laserstrahl 74 von oben durch den Spalt 104 auf die Außenseite 67 der zweiten Platte 65 gerichtet werden kann. Die Ergänzungskontaktkraft wird mittels der Ergänzungsniederhaltvorrichtung 102 auf die Außenseite 67 der zweiten Platte 65 aufgebracht aufgrund der Schwerkraft mit welcher die Ergänzungsniederhaltvorrichtung 102 auf der Außenseite 67 der zweiten Platte 65 aufliegt. Die in vertikaler Richtung durchgehenden Aussparungen 107 ermöglichen es, in vertikaler Richtung von oben mittels des Laserstrahles 74 durch die Aussparungen 107 die Zusatzschweißverbindungen 106 zwischen den Kanälen 14 an den Kontaktbereichen 68 herzustellen. Die Geometrie der Aussparungen 107 ist entsprechend ausgerichtet, sodass die Aussparungen 107 über den Kontaktbereichen 68 zwischen den Kanälen 14 liegen.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte 10, dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Die notwendigen hohen Kontaktkräfte an dem Kontaktbereich 68 werden im Wesentlichen mittels des Unterdruckes in der Unterdruckkammer 98, der Schwerkraft der mechanischen Ergänzungsniederhaltvorrichtung 102 und/oder mittels des Unterdruckes in dem Zwischenraum 79 erzeugt. Damit ist es in vorteilhafter Weise nicht notwendig, an dem Bereich über der zweiten Platte 65 mechanische Niederhaltervorrichtungen aus dem Stand der Technik vorzusehen, welche im Wesentlichen punktuell auf der zweiten Platte 65 aufliegen. Der Laserstrahl 74 kann damit ohne Behinderung über die Außenseite 67 der zweiten Platte 65 geführt werden. Die große Anzahl an Schweißnähten 70 zwischen der ersten Platte 64 und der zweiten Platte 65 kann damit in sehr kurzer Zeit, begrenzt lediglich durch die Geschwindigkeit zur Herstellung der Schweißnähte 70, hergestellt werden. Die Kosten für die Herstellung der Bipolarplatte 10 sind damit gering, weil der Raum über der mechanischen Niederhaltervorrichtung 90 und der Ergänzungsniederhaltvorrichtung 102 frei ist für die Bewegung des Lasers 73, so dass der Schweißvorgang zur Herstellung der Schweißnähte 70 in sehr kurzer Zeit und damit auch sehr preiswert hergestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008024478 B4 [0008]
DE 102021206581 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (10, 51) für eine elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von einer ersten Platte (64) und einer zweiten Platte (65), - Stapeln der ersten Platte (64) und der zweiten Platte (65) aufeinander, so dass Innenseiten (66) der ersten und zweiten Platte (64, 65) aufeinander liegen und ein Zwischenraum (79) zwischen der ersten und zweiten Platte (64, 65) ausgebildet wird, - eine Kontaktkraft mit wenigstens einer mechanischen Niederhaltvorrichtung (90) auf die erste und/oder zweite Platte (64, 65) aufgebracht wird, so dass resultierend aus der aufgebrachten Kontaktkraft die Innenseiten (66) der ersten und zweiten Platte (64. 65) aufgrund der aufgebrachten Kontaktkraft mit einer Zusatzdruckkraft an einem Kontaktbereich (68) aufeinander liegen, - Herstellen einer Schweißverbindung (69, 79, 89, 106) zwischen der ersten und der zweiten Platte (64, 65), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkraft mit der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung (90) auf die erste und/oder zweite Platte (64, 65) aufgebracht wird mittels eines Unterdruckes in einer Unterdruckkammer (98) und mittels eines Umgebungsdruckes, welche mittelbar und/oder mittelbar auf die wenigstens eine mechanische Niederhaltvorrichtung (90) wirken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck in der Unterdruckkammer (98) um wenigstens 100 mbar, 300 mbar oder 500 mbar kleiner ist als der Umgebungsdruck.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (64) zuerst auf eine Auflageplatte (80) aufgelegt wird und anschließend die zweite Platte (65) auf die erste Platte (64) aufgelegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine mechanische Niederhaltvorrichtung (90) auf die zweite Platte (65) aufgelegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckkammer (98) von der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung (90) begrenzt ist, so dass aufgrund des Unterdruckes in der Unterdruckkammer (98) und des Umgebungsdruckes auf die Niederhaltvorrichtung (90) mittelbar oder unmittelbar eine Unterdruckkraft aufgebracht wird und diese Unterdruckkraft von der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung (90) wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, als die wenigstens eine Kontaktkraft auf die erste und/oder zweite Platte (64, 65) übertragen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckkammer (98) von einer mit Unterdruck beaufschlagten Oberseite (99) der Auflageplatte (80) und wenigstens einer mit Unterdruck beaufschlagten Unterseite (100) der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung (90) begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine mit Unterdruck beaufschlagte Unterseite (100) der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung (90) der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) zugewandt ist und wenigstens eine zu der wenigstens einen mit Unterdruck beaufschlagten Unterseite (100) der wenigstens Niederhaltvorrichtung (90) gegenüberliegende Oberseite (101) der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung (90) der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) abgewandt ist, so dass auf die wenigstens eine mit Umgebungsdruck beaufschlagte Oberseite (101) der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung (90) von dem Umgebungsdruck eine Primärdruckkraft aufgebracht wird und von dem Unterdruck in der Unterdruckkammer (98) auf die wenigstens eine Unterdruckseite (100) der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung (90) eine Gegendruckkraft aufgebracht wird und aus der vektoriellen Addition der Primärdruckkraft und der Gegendruckkraft die Unterdruckkraft resultiert.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung (90) wenigstens ein Kontaktelement (92) ausgebildet ist und das wenigstens eine Kontaktelement (92), insbesondere ausschließlich, an wenigstens einer Kontaktfläche auf der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) aufliegt, so dass die Kontaktkraft mit dem wenigstens einen Kontaktelement (92) auf die erste und/oder zweite Platte (64, 65) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine umlaufende Schweißverbindung (69, 70, 89) zwischen der ersten und zweiten Platte (64, 65) hergestellt wird zur fluiddichten Abdichtung des Zwischenraumes (79) zwischen der ersten und zweiten Platte (64, 65), insbesondere während des Unterdruckes in der Unterdruckkammer (98).
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ergänzungskontaktkraft auf die erste und/oder zweite Platte (64, 65) aufgebracht wird, so dass resultierend aus der aufgebrachten Ergänzungskontaktkraft die Innenseiten (66) der ersten und zweiten Platte (64, 65) aufgrund der aufgebrachten Ergänzungskontaktkraft mit einer Ergänzungsdruckkraft an dem Kontaktbereich (68) aufeinander liegen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzungskontaktkraft von wenigstens einer mechanischen Ergänzungsniederhaltvorrichtung (102), insbesondere aufgrund der Schwerkraft der wenigstens einen mechanischen Ergänzungsniederhaltvorrichtung (102), aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (79) zwischen der ersten und zweiten Platte (64, 65) mit einem Unterdruck im Vergleich zu einem Umgebungsdruck beaufschlagt wird, so dass die auf die erste und/oder zweite Platte (64, 65) aufgebrachte Ergänzungskontaktkraft mittels des Umgebungsdruckes und/oder des Unterdruckes in dem Zwischenraum (79) auf die erste und/oder zweite Platte (64, 65) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzungskontaktkraft während der Herstellung wenigstens einer Schweißverbindung (69, 70, 106) an einem Innenbereich (105) der ersten und zweiten Platte (64, 65) aufgebracht wird und der Innenbereich (105) der ersten und zweiten Platte (64, 65) ein Bereich der ersten und zweiten Platte (64, 65) ist, welcher von der umlaufenden Schweißverbindung (69, 70, 89) umrahmt ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) der elektrochemischen Zellen (52), nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51), - Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) zu elektrochemischen Zellen (52) und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit (53), dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10, 51) zur Verfügung gestellt werden indem ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.
Elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (2) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49), umfassend - gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) umfassen und - die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) der elektrochemischen Zellen (52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelleneinheit (53) mit einem Verfahren gemäß Anspruch 14 hergestellt ist und/oder die erste und/oder zweite Platte (64, 65) wenigstens eine im Wesentlichen linienförmige Spannmarkierung im Bereich und/oder parallel zu der umlaufenden Schweißverbindung (69, 70, 89) aufweist.